新能源汽车双电机控制器电磁兼容性试验及问题原因分析

王金英

摘要：随着科技的日新月异，现代生活中电子产品的繁多与多样性显著提升。从家庭轿车的智能系统，到个人手持的智能手机，再到办公室里的电脑和工厂里的自动化控制系统，以及医疗领域的精密设备，电子设备的广泛应用孕育了数量庞大的电磁干扰源。它们既源于不同设备间的交互影响，也源于设备内部功能的自我影响。这种广泛存在的电子设备不仅丰富了我们的生活，同时也使得其所在的环境，如信号传播、能量输出和设备性能等，呈现出前所未有的复杂性。

关键词：新能源汽车；双电机控制器；电磁兼容性；试验

1电机控制器介绍

1.1基本组成

电机控制器MCU在电驱系统中扮演着核心角色，其构造围绕着IGBT模块，并配以精密的驱动和主控集成电路，构成了驱动板、控制板以及IGBT模块的三元结构。MCU的运作机制是接收并解析输入信号，然后通过先进的信息传输网络——CAN总线，将电机运行的实时状态更新分享给车辆的中央决策单元VCU（在混合动力车型中，这一角色由混动控制器HCU接手）。内置的故障检测电路是其智能特性的重要体现，一旦检测到任何异常情况，MCU会立即生成故障标识，并将相关数据和代码锁定，以便及时通知VCU进行故障处理和记录。

图1 电机控制器基本组成及控制原理 

1.2结构原理

控制板接收各种输入信号，经过运算向驱动板输出PWM信号作为控制信号；驱动板接收到控制板的PWM信号后，对信号进行电压放大和功率放大等处理，驱动IGBT导通和关断，并进行高压隔离，防止动力电池的高电压窜入低压电路；IGBT模块接收驱动，按照控制单元的PWM指令要求，通过不断导通和关断，实现逆变、整流、变压和变频等功能，给驱动电机提供波形近似正弦波、相差120°的三相交流电，驱动电机运转；同时控制模块接收驱动电机的转速位置信号和温度信号，监控驱动电机的工作状态。除驱动电机外，新能源汽车其它三相交流电机的控制，如启动发电机、空调压缩机电机等，也需要相似的驱动控制。

2双电机控制器的电磁兼容理论基础及试验目标

2.1双电机控制器的电磁兼容理论基础

电磁相容性主要研究电磁干扰源和受扰设备之间的相互作用机制。它包括电磁辐射和电磁感应两个方面的机制。电磁辐射是指电子设备通过电磁波在空间中传播而引发的干扰，而电磁感应是指电子设备受到来自外部电磁场的干扰。该理论研究电磁波在导体和无导体介质中的传播规律。了解电磁波的传播特性有助于确定电磁兼容性试验中的信号传输路径和传播过程，以及评估电磁辐射和电磁感应的范围。电磁兼容性试验需要进行电磁场测量以评估设备的辐射和感应水平。电磁场测量技术包括电场测量、磁场测量和辐射场测量等方法，以获得电磁场的强度、频谱、方向和空间分布信息。电磁兼容性试验通常依据相应的国际或行业标准进行。这些标准规定了测试方法、测试设备、测试条件和评估准则，确保测试具有可重复性和可比性，从而提供了实际电磁兼容性问题的解决依据。综上所述，电磁兼容性试验的理论基础涵盖了电磁相容性、电磁波传播规律、电磁场测量技术、干扰源与受扰设备建模以及相应的测试标准。这些理论基础为电磁兼容性试验提供了理论依据和方法，以确保电子设备在电磁环境中的正常运行和相互兼容。

2.2试验设计

鉴于电磁兼容庞大的试验体系，在实际工程应用中，由于预算及周期的影响，并不需要对零件做全套的试验。本论文根据构成电子电器部件元器件特性的不同，对零部件做了分类，每种分类都应用特定的电磁兼容试验项目。本次研究对象对应了表4中A类、AM类和AX类。在此需要注意的是，在区分零件类型时，一个零部件可能会涉及到几种零部件类型，可以根据实际情况进行勾选，测试项目按最大化执行。本论文优化了双电机控制器庞大电磁兼容性试验项目，在正式试验前进行摸底研究，研究结果对未来正式样件的设计起到了指导作用。

根据测试矩阵，不同零部件的产品类型应选择相应的测试项目。本文所描述的试验为前期验证性质试验，试验数据作为摸底，因此仅选择传导发射（电压法、电流法）作为试验项目。

2.3双电机控制器电磁兼容台架搭建

该车型电机控制器安装于发电机舱，为高度集成模块，具有模拟和数字输入端口，能够控制电机。电机控制器通过CAN总线与车辆上的其他模块进行交互通信，CAN总线的波特率为500 kb/s。电机控制器的直流（AC）输出直接连接电机（驱动电机+发电机），直流辅电输出接同功率阻性负载。其中低压和高压电源通过导线给产品供电，负载箱利用该新能源车型的相关负载，并通过导线与产品相连接。上位机可以显示台架的工作状态，同时与产品通过CAN网络通讯进行通信，利用诊断的方式监控负载状况信息。

2.4薄膜电容器

为了减小模块与电容器之间的寄生电感以及改善模块与电容器连接空间，缩短模块与电容器之间的连接线路，开展了电容器与功率模块的连接技术研究。为了进一步减小电路所需薄膜电容器的额定电压和容量，同时提高电容器的耐电流水平，从而达到减小电容器体积的目的，通过对比研究，最后采用电阻焊工艺的连接方式。为了进一步确认薄膜电容器减少容值体积和改善电感以后的热可靠性，需要进一步对薄膜电容器开展热仿真分析。根据控制器整机运行环境条件，将薄膜电容器底面温度设定为80℃,周围环境温度设定为85℃,使用仿真软件对薄膜电容器进行热仿真。仿真结果表明，薄膜电容器的热主要集中在薄膜电容器的灌封面母排侧及上侧母排处，热点区域最高温度为98.2℃,小于芯子薄膜最高耐温105℃,满足长期耐温使用要求。

2.5电磁干扰的几个常见问题

常见的电磁辐射干扰是指电子设备或系统在工作过程中，产生的电磁场辐射干扰到周围设备或系统的正常操作。这种干扰可以影响到其他电子设备、通信系统和无线电接收器等。在一些电子设备或电源频繁开关，电子设备中快速切换的电流或高频振荡器可能会产生电磁辐射，干扰周围的其他设备。通过电磁兼容性测试和采取适当的干扰抑制措施，可以减少电磁辐射干扰，保证设备和系统的正常运行。双电机控制器在电磁兼容性方面可能面临以下几个问题。双电机控制器中的电子元件和电路在工作过程中会产生高频电磁辐射。如果辐射水平超过规定的限制，可能会对周围的设备或无线通信系统造成干扰。电磁干扰可能通过电源线和信号线传导到其他设备或系统中，干扰其正常工作。例如，电机的高电流运行可能引起电源线上的电磁干扰，影响到其他电子设备的稳定性和性能。对于双电机控制器，电机的高电流运行可能导致地线回路中的共模电流增加。这可能会对其他设备和系统的地线回路产生干扰，导致干扰电压的出现，影响到设备的正常运行。双电机控制器通常需要接收外部的控制信号，如位置反馈、速度指令等。在电磁环境复杂的情况下，这些控制信号可能会受到电磁干扰的影响，导致控制系统的不稳定或错误的指令执行。

2.6 改进与分析

为了解决以上问题，本文所涉及到的双电机控制器型号在采取了以下措施。

(1）高压直流添加LC滤波。

(2）通过壳体对两个高压功率模块进行隔离，同时在高压组件和控制板中增加屏蔽板。

(3）在CAN总线及旋变输入输出侧，添加共模滤波电感。

(4）在电源入口处设置滤波电路。

(5）配置内部电源的PWM频率，避开电缆等谐振点。

(6）去耦电容贴近芯片电源处。

(7）采样、PWM等信号线路进行差分设计。

(8）模拟搭铁和电源独立设计。

采取了以上措施后，再次进行测试，试验结果表明，从3.00 MHz的低频段开始一直到108.00 MHz的高频段，无论进行传导发射电流法还是传导发射电压法测试，噪声值都低于限值，达到了设计目标。

3结论

电磁兼容性测试（EMCTesting）的核心目标在于探究电子电器装置在电磁环境中运行的效能，旨在强化其抵抗外界干扰的能力，确保设备间的互动和谐且性能稳定。针对汽车内部的电子设备，这项测试尤为重要，它旨在评估设备在电磁干扰下的生存力，测量其发射的辐射强度，并确保遵循所有相关法规，以确保设备的效能、安全性和坚固性。通过这些测试，我们能确保设备对周围环境及他设备产生的影响控制在可接受的界限内，从而提升整体系统的可靠性和用户体验。

参考文献：

[1]陈登峰,孙臣玉,陈雷,等.新能源汽车用电机控制器的设计与测试[J].电机与控制应用,2021,48(07):95-99.

[2]石也.纯电动汽车电磁兼容问题分析与研究[J].汽车电器,2021(01):1-3.

[3]贾晋,龙云,赵鹤鸣,等.电驱系统带载电磁兼容测试与仿真闭环研究[J].安全与电磁兼容,2022(01):49-54.

[4]翟丽,杨霜洁,胡桂兴,等.电动汽车电机驱动系统传导电磁干扰建模[J].北京理工大学学报,2022,42(08):824-833.