电动汽车电驱动系统的电磁电容性分析与设计
电机的干扰与电机的典型结构、正常工作的负载、绕组绝缘的老化等因素有关。
1）当通过电机线圈绕组的电流通路被切断时, 线圈中的磁场突然消失, 线圈上则会产生一高达数百伏, HD-PRIDE甚至上千伏的瞬变过电压, 这种电压类似一阶电路的指数衰减曲线形态, 它能产生极大的能量泄放, 会窜入控制回路, 对系统中其它电子装置产生相当大的电能冲击, 干扰系统中其它电子装置的正常工作橡胶硬度, 导致设备、系统的基本计算和逻辑判断出错, 甚至击穿或烧毁系统中的其它机电元件。这种瞬变过电压与负载的大小以及线路的阻抗有关。
2）当电机处于额定负载下正常工作时, 若突然切断对其供电的电流, 这时转子仍在高速旋转, 定子电枢绕组势必产生自感电动势。感应电动势的方向与原电枢电动势同方向叠加, 形成过电压, 其瞬态峰值可达额定电压的6～ 8倍, 上升时间约为100ms, 并按指数规律衰减时间至电枢停止转动。
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3）在突然切断供电电流时, 线圈绕组中会产生电感性负载冲击。其瞬变电压大多以高幅值的
负向脉冲和随后的低幅值的正向脉冲出现, 最高峰值可达到额定电压的10 倍以上, 持续时间约为300m s。
4）虽然大多数电机采用了封闭的金属外壳, 以对电磁干扰形成屏蔽, 但封闭的材料、封闭的方式选择不当, 电机电源引出线(包括接地引线) 和封闭外壳上的窗孔, 仍然能泄漏出较强的电磁干扰波, 对系统内、外的电子装置产生干扰。 5）装配不当使得电机存在质量缺陷, 如轴中心对不准, 运动部分固定不好, 绝缘损坏, 接触不良以及引出端子存在极间寄生电容等, 都会使电机的干扰大大增强。
2 电机的电磁干扰抑制
电磁干扰是难以消除的, 但可以采取各种技术措施, 把电磁干扰抑制到不会或减小对设备、系统工作造成影响。一般来说, 可采用阻尼、屏蔽、滤波和接地等基本措施, 也可以同时采用几种不同的方法组合起来加以解决。
1）阻尼是降低和减小瞬变过电压对系统回路中或浪涌电压对电机干扰的基本措施之一。阻尼的方法可采用阻尼导线, 如软线型阻尼导线: 浸碳纤维线、导电性橡胶线; 绕线型阻尼导
线: 磁性体绕线、变距电阻绕线、双电阻丝绕线和屏蔽导线等作为电机的电源引出线。
软线型阻尼导线电阻值越大, 特性阻抗就越大, 抑制干扰的效能就越好。但是如果过分强调了导线的电阻值, 会使得输入电压就随之有较大的衰减, 而直接影响了电机的功率、转速和扭矩等性能。绕线型阻尼导线电阻值越大, 特性阻抗就越小, 对干扰抑制从而产生了相反的作用。除1MHz以外, 其它频率几乎不受电阻值的影响, 在接近于谐振频率的56MHz 还会发生相反的现象。绕线型阻尼导线的电阻值只对10MHz 以下的低频干扰有抑制效果, 对10MHz 以上的频率基本无效。
2）接地会给高频干扰信号形成低阻通路, 从而能抑制高频干扰。但接地不良而带来的干扰问题时有发生。特别是在高频区域,“安全接地”与“电磁干扰接地”是有差别的。
3）屏蔽是阻制电机内部辐射的电磁能越出去和防止外部来的电磁场波辐射进来。电机的金属外壳就起着屏蔽的作用, 其屏蔽的效果大小不仅与屏蔽材料的性能有关, 也与辐射频率、屏蔽壳体上存在的各种不连续的形状和数量有关。如采用铜、铝制成的屏蔽外壳硅胶假乳, 对电磁场波具有极大的反射损耗,故适合于电场屏蔽。铁、特种高导磁率的铁镍钴合金等导磁性材料, 对磁场波具有很大的吸收损耗, 因此用它们作为电机绕组(或永磁极) 的屏蔽壳体, 可屏蔽磁
场波干扰。电机外壳由于由若干个屏蔽体组合而成, 因此要使屏蔽体具有良好的屏蔽效果, 就要求每一条接缝都应该是电磁密封的。由于需要在外壳上设置导线的进出孔、电机转子轴孔等柿子削皮机, 使电机外壳电磁屏蔽的不连续。在窗孔上采用导电橡胶或全金属衬垫, 电源引出线应通过屏蔽罩壳上的穿心电容与电机内连接, 以消除通过窗孔的电磁干扰。
4）其它技术措施
在电机设计中, 在电路中接入瞬态抑制器件如硅二极管, 以防止电感效应产生的电压波涌尖峰;电枢采用高质量的硅钢片, 磁分路设计要符合实际使用要求, 以减少辐射磁场波能量固废焚烧;转子安装轴中心对中, 以避免气隙不均匀、绕组不对称等技术措施。
3 电机驱动控制器的电磁干扰产生原因
车用电机驱动系统的电机控制器由主回路、控制电路、机箱、散热器、电缆等及部分组成。
1）其中主回路的主要部件为功率模块，如MOSFET、IGBT、IPM等，是控制器电磁辐射的主要干扰源，在高频开关频率下，平行双线电感与直流母线的杂散电感相互作用将产生
很高的电流尖峰。而车用电机控制器的母线电压一般为上百伏，在PWM斩波的同时将伴随很高的电压峰值，从而带来严重的电磁干扰噪声，通过远场和近场耦合形成传导和辐射干扰。
2）控制电路产生的PWM信号以及输出的高频时钟脉冲波也会产生差模和共模辐射，但是这些辐射水平较低，产生的电磁干扰一般较小。
3）机箱的屏蔽性能也会到来电磁泄漏产生电磁干扰。
4）散热器的散热片通常具有复杂的形状，具有多频带的RF辐射特性，很可能对开关频率谐波起到天线的作用，产生电磁振荡。
5）电缆的不合理布置及非屏蔽电缆等也会产生较大的电磁辐射。
4 电机驱动控制器的电磁干扰抑制方法
4.1 抑制干扰源
1）在控制器内部母线的正负导电铜板的中间加强绝缘，降低母线的寄生电感，从而降低浪
涌电流和尖峰电压。
2）在控制器母线电路之间采用单电容的吸收回路，抑制高频尖峰电压及电流，并最终在吸收电路中消耗或反馈到电源中。
3）每个功率管的门极驱动采用独立电源供电，避免噪声干扰。
4）在控制电源和动力电源输入侧加装EMI滤波器，既可以降低系统电磁发射强度，又可以提高系统的抗扰动能力，但是阻抗选择要根据系统工作频率和阻抗特性进行匹配。
5）将电机外壳形成一个良好的密封体实现屏蔽的完整性，防止电磁泄漏，再通过多点接地的方式将电机屏蔽壳与整车可靠接地，可以有效降低电机的电磁辐射水平。
4.2 消除传播途径
1）根据地线分流原则，将强电与弱电地线分线，数字电路和模拟电路地线分线，安全地、信号低和噪声地分线，最后辐射状汇聚到一个公共接地点；采用光电隔离阻隔地环流，切断干扰途径；外壳及散热器等与大地可靠连接，防止外界磁场的干扰以及静电击穿；灵活运用多点和单点接地。
2）从系统整体角度而言，通过屏蔽措施使驱动系统达到良好的电磁屏蔽效果。保证屏蔽体的导电连续性，将机箱形成一个密闭的导电体，使耦合到内部电路的电磁场被反射和吸收。在机箱的永久接缝处采用焊接工艺密封；在机箱的非永久接缝处加入实心导电橡胶条作为导电衬垫，从而有效保证了屏蔽的完整性。在动力线电缆与信号电缆穿越机箱部分采用带屏蔽的插头插座或在端接处使用动力线缆屏蔽呀接装置，实现屏蔽层与机箱的360°端接，以及采用滤波连接器设计，可以有效的抑制辐射耦合。
4.3 提高系统的抗干扰能力
1）将强电与弱电分开，避免彼此间的骚扰影响；采用不同的电源分别供给数字信号和模拟信号，以确保彼此信号不会因为电源而彼此影响。
2）控制器电源的抗扰设计，采用隔离的模块电源，不同电路隔离供电。将电源输入输出线绞合并缩短与进线端的距离，在进线端增加共模扼流圈、维持电容、去耦电容以及滤波电容；缩短进线端与负载间的距离，增大导线面积，以减小连接电阻对负载调整率的影响。
3）加强控制板抗干扰设计：采用光电隔离；元器件的降额使用；选用集成度高的元器件；
适当加入滤波和去耦电路；数据线、地址线、控制线要尽量短，以减少对地电容；电路板采用多层分区设计，可以有效降低电源线和地线的阻抗及有效减少电路的环路面积。
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