1.2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)EMC問題

電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是新能源汽車的關(guān)鍵部件，采用功率半導(dǎo)體器件（如IGBT等）進(jìn)行脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制，以實(shí)現(xiàn)對電機(jī)控制器輸出電壓的調(diào)節(jié)。功率半導(dǎo)體器件的快速通斷產(chǎn)生較高的電流變化率di/dt和電壓變化率du/dt，會(huì)產(chǎn)生不期望的電磁噪聲，不僅會(huì)影響車內(nèi)外無線電接收設(shè)備，也會(huì)通過高壓電源線影響其他車載高低壓部件。此外，電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的這種電磁噪聲，不僅會(huì)使自身設(shè)備不能滿足EMC標(biāo)準(zhǔn)限值要求，還會(huì)導(dǎo)致整車不能滿足EMC標(biāo)準(zhǔn)限值要求。

為了抑制這種電機(jī)控制器功率半導(dǎo)體器件通斷帶來的電磁干擾（EMI），主要有PWM控制策略優(yōu)化、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化、安裝EMI濾波器三種方法。PWM控制策略優(yōu)化方法較多用于減小共模干擾。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法通常采用逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和電機(jī)定子繞組結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，來減小共模干擾。另外，這種方法需要重新進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，周期較長、難度較大。安裝EMI濾波器是抑制電機(jī)控制器電源EMI的有效方法，電源EMI濾波器包括有源濾波器、無源濾波器和混合濾波器。有源濾波器和混合濾波器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其電子控制單元和信號采集單元的特性會(huì)降低高頻EMI抑制效果，對環(huán)境適用性也要求較高。無源濾波器是抑制電源EMI最常用的且便于工程實(shí)現(xiàn)的方法。無源濾波器一般由差模電感、差模電容、共模扼流圈和共模電容、共模變壓器等構(gòu)成各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對電源共模和差模傳導(dǎo)騷擾的有效抑制。新能源汽車電機(jī)控制器EMI濾波器與工業(yè)用電機(jī)控制器EMI濾波器有以下不同：

1）供電系統(tǒng)是高壓直流電，輸入直流電壓范圍為200～900V。

2）高壓直流電源線的電流較大，通常為幾百安培。

3）根據(jù)EMC標(biāo)準(zhǔn)限值要求，傳導(dǎo)電磁干擾抑制頻率范圍是150kHz～108MHz，而其他應(yīng)用領(lǐng)域的傳導(dǎo)EMI抑制的頻率低于30MHz。

4）負(fù)載動(dòng)態(tài)變化。

（1）電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾

功率器件（例如IGBT）的快速通斷是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾的主要原因。電磁干擾源通過電磁耦合傳輸路徑形成差模干擾和共模干擾，由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以及電氣與機(jī)械特性要求不同，目前工業(yè)用電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾的形成機(jī)理在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用具有很大的局限性。

目前，國內(nèi)外電動(dòng)汽車電磁發(fā)射測試主要是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18387—2017和SAE J551-5—2012測試150kHz～30MHz整車的電磁場發(fā)射強(qiáng)度，為了保護(hù)車載接收機(jī)免受電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)高壓零部件的干擾，通過測試動(dòng)力直流母線的傳導(dǎo)電壓、傳導(dǎo)電流和輻射電磁場強(qiáng)度，來描述電磁干擾的特性。目前，國內(nèi)多家電動(dòng)汽車零部件供應(yīng)商和整機(jī)廠對電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及整車進(jìn)行了帶載傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射摸底試驗(yàn)，沒有經(jīng)過EMC設(shè)計(jì)的產(chǎn)品很難滿足標(biāo)準(zhǔn)限值要求，阻礙了新能源汽車上公告。經(jīng)過EMI抑制的電機(jī)控制器再次測試仍存在超標(biāo)現(xiàn)象，如圖1-1所示。

電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電磁干擾測試分為傳導(dǎo)騷擾測試和輻射騷擾測試。由線路阻抗穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)（LISN）和電流鉗測試得到的傳導(dǎo)騷擾是共模干擾和差模干擾的混合結(jié)果，而由天線測試得到的輻射騷擾是電磁場矢量疊加形成的總和。通過傳導(dǎo)和輻射騷擾測試對共模干擾和差模干擾形成的機(jī)理只能進(jìn)行一些定性分析，但不能涵蓋電動(dòng)汽車多工況動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)的電磁干擾的特征現(xiàn)象，也不能分析系統(tǒng)部件以及電機(jī)控制器內(nèi)部元件對電磁干擾的影響，因此具有很大的局限性。

但通過對電磁干擾源與電磁干擾路徑建模仿真的方式，可以涵蓋電動(dòng)汽車多工況動(dòng)態(tài)運(yùn)行時(shí)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾的各種狀態(tài)，因此基于建模仿真的電磁干擾的預(yù)測和抑制方法的相關(guān)研究也越來越必要，電磁干擾建模仿真已成為進(jìn)行電磁干擾機(jī)理分析和預(yù)測的重要技術(shù)途徑。

（2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾發(fā)射建模仿真

國內(nèi)外很多學(xué)者對共模干擾和差模干擾進(jìn)行了建模仿真研究。共模干擾建模仿真主要圍繞逆變器的散熱器對地分布電容、線纜對地分布電容、電機(jī)繞組對機(jī)殼的分布電容對共模干擾的影響進(jìn)行相關(guān)研究。差模干擾建模仿真主要圍繞電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)寄生參數(shù)對差模干擾的影響進(jìn)行相關(guān)研究。電磁干擾發(fā)射仿真模型主要由電磁干擾源模型和傳輸電磁耦合路徑模型兩部分組成，其中傳輸電磁耦合路徑的特性參數(shù)直接影響差模干擾路徑和共模干擾路徑，進(jìn)而影響總的電磁干擾響應(yīng)特性。

目前，研究系統(tǒng)各組成部分的電磁發(fā)射模型較多，但圍繞整個(gè)電驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)行為所進(jìn)行的傳導(dǎo)和輻射電磁干擾建模仿真研究較少。目前電機(jī)控制器三相脈寬調(diào)制（PWM）逆變器各個(gè)功率器件開關(guān)狀態(tài)很多等效為理想干擾源，沒有考慮功率器件的寄生參數(shù)和非線性工作特性對干擾源信號的影響。電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁發(fā)射仿真模型由動(dòng)力電池仿真模型、直流和交流動(dòng)力線纜仿真模型、電機(jī)仿真模型和功率逆變器（如IGBT模塊、DC模塊、散熱器、機(jī)箱）仿真模型組成。動(dòng)力電池仿真模型主要研究電池對車體的分布參數(shù)的影響，直流和交流動(dòng)力線纜仿真模型多采用傳輸線理論進(jìn)行建模，電機(jī)仿真模型多基于端口阻抗幅頻特性構(gòu)建高頻等效電路模型。

對逆變器仿真模型而言，C. Jettanasen、B. Revol和J. Espina等人多采用二端口等效電路法和線性矩陣等效法分析和預(yù)測電磁干擾，但都沒有考慮逆變器內(nèi)部電路的寄生參數(shù)對電磁干擾的影響；J. Lai和Huang等人建立了逆變器內(nèi)部高頻等效電路模型，分析高頻寄生參數(shù)對電磁干擾特性的影響，提出寄生參數(shù)的提取是建立高頻電路模型的關(guān)鍵，但由于干擾源過于簡化、參數(shù)提取不完整，這種電路模型只適用于低于10MHz的傳導(dǎo)電磁干擾仿真。

因此，切實(shí)可用的逆變器仿真模型的合理建立和優(yōu)化日益成為電動(dòng)汽車電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁發(fā)射的核心問題，進(jìn)而亟須解決。

（3）系統(tǒng)行為級仿真建模的優(yōu)點(diǎn)及存在的問題

系統(tǒng)集總電路建模仿真中電路元器件的物理參數(shù)很難獲取、電機(jī)控制器功率逆變電路比較復(fù)雜，致使集總電路時(shí)域仿真時(shí)間長、難以收斂，只能在低頻預(yù)測傳導(dǎo)發(fā)射且預(yù)測精度差。其中，頻域仿真盡管相對時(shí)域仿真具有仿真快速、易收斂的優(yōu)點(diǎn)，但由于模型簡化和寄生參數(shù)提取困難，電磁干擾預(yù)測精度難以保證。

系統(tǒng)行為級仿真建?？梢越鉀Q上述集總電路建模仿真中存在的問題，但目前研究者多采用基于戴維南和諾頓等效電路建立的系統(tǒng)二端口或三端口的等效電路的仿真建模方式，只能分析電機(jī)控制器直流端口或交流端口的電磁干擾，無法分析端口之間的干擾（如交流輸出端口對直流輸入端口的電磁干擾）。其中，Jettanasen提出了一種二端口等效電路仿真模型以預(yù)測系統(tǒng)總的電磁干擾，但由于電磁干擾源和逆變器模型過于簡化，只適用于低于10MHz的仿真。

就逆變器的仿真建模而言，因其自身的復(fù)雜性，基于系統(tǒng)行為級仿真建模方式的逆變器的仿真建模是電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁發(fā)射仿真建模的難點(diǎn)。

（4）功率逆變器電磁發(fā)射的建模仿真

目前，通常把功率逆變器作為一個(gè)“黑匣子”進(jìn)行電磁發(fā)射全波建模仿真。盡管電磁發(fā)射全波建模仿真方式仿真精度高，但由于仿真時(shí)間長、計(jì)算機(jī)占用內(nèi)存高，不能對逆變器的非線性元件進(jìn)行建模，所以不能在系統(tǒng)元件上進(jìn)行電磁干擾溯源。

模型降階（MOR）建模仿真方法是利用網(wǎng)絡(luò)傳輸特性S參數(shù)建立等效電路，但因不能分析元件的物理特性而有很大的局限性。

為了分析逆變器內(nèi)部元件對電磁干擾的影響因素，目前較為理想的建模仿真方式是采用SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）等效電路建模方式對系統(tǒng)元件的寄生電路參數(shù)進(jìn)行建模，建立系統(tǒng)元件幾何尺寸和寄生電路參數(shù)的關(guān)系，分析共模電流和差模電流產(chǎn)生的機(jī)理就SPICE等效電路建模方式而言，目前系統(tǒng)中SPICE高頻電路模型寄生參數(shù)的提取主要有多種方法。其中，3D有限元方法只適合對“黑匣子”系統(tǒng)提取參數(shù)，部分單元等效電路（PEEC）方法需要成百上千的電路元件等效成一個(gè)簡單元件的電路，這兩種方法不適合應(yīng)用于逆變器復(fù)雜高頻電路的建模仿真。時(shí)域反射儀（TDR）和傳輸線理論因提取參數(shù)精度不高而存在缺陷。M. Reuter提出的基于測量的逆變器建模方法將測量得到的散射參數(shù)等效為共模和差模阻抗，Su等人提出了一種基于三相交流電機(jī)共模阻抗和差模阻抗的測量的電磁干擾建模方法，但此類方法將逆變器作為一個(gè)“黑匣子”，沒有對逆變器內(nèi)部元件寄生電路的寄生參數(shù)進(jìn)行提參。

（5）逆變器系統(tǒng)電磁干擾抑制方法

三相PWM逆變器電磁干擾抑制方法包括軟開關(guān)技術(shù)、優(yōu)化PWM控制算法及在動(dòng)力輸入和輸出線纜上加裝濾波器的方法。由于軟開關(guān)技術(shù)、優(yōu)化PWM控制算法的EMI抑制效果有限，所以濾波技術(shù)是電機(jī)逆變器電磁干擾抑制的常用方法。

在產(chǎn)品研發(fā)后期，通常采用全波建模方法進(jìn)行電磁干擾抑制的濾波設(shè)計(jì)。全波建模方法將逆變器等效為一個(gè)“黑匣子”，不知道逆變器內(nèi)部的干擾源和傳播路徑，只能在逆變器外部和線纜上加濾波器和屏蔽，在逆變器外部切斷干擾路徑。在這種外加抑制電磁干擾的方法研究中，Akagi設(shè)計(jì)了電磁干擾濾波器，抑制了電機(jī)側(cè)的共模電壓、電機(jī)軸承對地的漏電流和逆變器對地的共模漏電流。但該種方法只對小功率工業(yè)電機(jī)30MHz以下的EMI抑制有效，沒有考慮逆變器內(nèi)部元件寄生參數(shù)的影響。S. Wang和H. Bishnoi等人設(shè)計(jì)了一種電磁干擾濾波器，抑制了逆變器的散熱器和電機(jī)支架對車體的共模電流。X. Gong提出了一種EMI共模濾波器設(shè)計(jì)方法，用于抑制逆變器碳化硅場效應(yīng)晶體管（SiC JFETs）產(chǎn)生的傳導(dǎo)共模干擾和差模干擾。M. Reuter和D. Piazza等人提出了在逆變器與車體或電機(jī)與車體之間串入阻尼電阻，可以抑制串聯(lián)諧振產(chǎn)生的共模電流。電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)因高功率、大電流，設(shè)計(jì)的電磁干擾濾波器體積較大，占用車內(nèi)有限的空間。為了有效地抑制電動(dòng)汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電磁干擾，必須考慮逆變器寄生元件產(chǎn)生的諧振影響，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)初期，對逆變器內(nèi)部電路進(jìn)行電磁兼容優(yōu)化和電磁干擾抑制設(shè)計(jì)。

然而，這種外加抑制電磁干擾的方法不僅會(huì)增加系統(tǒng)的體積和重量，還會(huì)產(chǎn)生新的電磁干擾，此外，因忽略了逆變器內(nèi)部寄生元件產(chǎn)生的諧振影響，所以不能有效地抑制電磁干擾。以上研究方法通常只能對30MHz以下電磁干擾抑制有效，而電動(dòng)汽車動(dòng)力線纜會(huì)產(chǎn)生150kHz～110MHz傳導(dǎo)發(fā)射，現(xiàn)有濾波器不能滿足要求?；赟PICE建模方法，Natalia等人提出了一種測量與仿真結(jié)合逆變器電磁發(fā)射建模方法，建立了逆變器內(nèi)部元件幾何尺寸和寄生電路參數(shù)的關(guān)系，通過建立二端口網(wǎng)絡(luò)的傳輸特性（S參數(shù)）和端口阻抗特性，分析引起諧振的原因，以確定產(chǎn)生諧振的逆變器內(nèi)部寄生元件，提出了在逆變器內(nèi)部直流端加RC濾波器、交流端加共模扼流圈抑制電磁干擾的思路。

本書重點(diǎn)描述：考慮功率半導(dǎo)體寄生參數(shù)的電機(jī)逆變器系統(tǒng)高頻等效電路模型建立方法，來預(yù)測傳導(dǎo)電磁干擾，為預(yù)測傳導(dǎo)騷擾提供了仿真平臺(tái)?；诮⒌母哳l等效電路模型，預(yù)測高壓電源線傳導(dǎo)騷擾，并確定影響電磁干擾形成的主要元件參數(shù)。針對電動(dòng)車輛高壓直流供電電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，提出高壓端口寬頻段傳導(dǎo)騷擾抑制方法、一種基于諧振點(diǎn)傳導(dǎo)發(fā)射抑制的濾波電路優(yōu)化設(shè)計(jì)方法、采用磁環(huán)的高壓直流電源線EMI濾波器設(shè)計(jì)方法和采用空心電感的高壓直流電源EMI濾波器設(shè)計(jì)方法，降低了150kHz～108MHz頻段的傳導(dǎo)發(fā)射，以滿足標(biāo)準(zhǔn)限值要求。通過建模仿真和試驗(yàn)結(jié)合的方法，預(yù)測在典型工況下的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)EMI，獲得EMI特性。