1.2.1 電機驅動系統EMC問題

電機驅動系統是新能源汽車的關鍵部件，采用功率半導體器件（如IGBT等）進行脈沖寬度調制（PWM）控制，以實現對電機控制器輸出電壓的調節。功率半導體器件的快速通斷產生較高的電流變化率di/dt和電壓變化率du/dt，會產生不期望的電磁噪聲，不僅會影響車內外無線電接收設備，也會通過高壓電源線影響其他車載高低壓部件。此外，電機驅動系統產生的這種電磁噪聲，不僅會使自身設備不能滿足EMC標準限值要求，還會導致整車不能滿足EMC標準限值要求。

為了抑制這種電機控制器功率半導體器件通斷帶來的電磁干擾（EMI），主要有PWM控制策略優化、系統結構優化、安裝EMI濾波器三種方法。PWM控制策略優化方法較多用于減小共模干擾。系統結構優化方法通常采用逆變器拓撲結構和電機定子繞組結構優化方法，來減小共模干擾。另外，這種方法需要重新進行系統設計，周期較長、難度較大。安裝EMI濾波器是抑制電機控制器電源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構復雜，其電子控制單元和信號采集單元的特性會降低高頻EMI抑制效果，對環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現的方法。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、共模變壓器等構成各種拓撲結構，實現對電源共模和差模傳導騷擾的有效抑制。新能源汽車電機控制器EMI濾波器與工業用電機控制器EMI濾波器有以下不同：

1）供電系統是高壓直流電，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EMC標準限值要求，傳導電磁干擾抑制頻率范圍是150kHz～108MHz，而其他應用領域的傳導EMI抑制的頻率低于30MHz。

4）負載動態變化。

（1）電驅動系統電磁干擾

功率器件（例如IGBT）的快速通斷是電驅動系統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，由于系統結構以及電氣與機械特性要求不同，目前工業用電機驅動系統電磁干擾的形成機理在電動汽車上的應用具有很大的局限性。

目前，國內外電動汽車電磁發射測試主要是根據標準GB/T 18387—2017和SAE J551-5—2012測試150kHz～30MHz整車的電磁場發射強度，為了保護車載接收機免受電驅動系統高壓零部件的干擾，通過測試動力直流母線的傳導電壓、傳導電流和輻射電磁場強度，來描述電磁干擾的特性。目前，國內多家電動汽車零部件供應商和整機廠對電機驅動系統及整車進行了帶載傳導發射和輻射發射摸底試驗，沒有經過EMC設計的產品很難滿足標準限值要求，阻礙了新能源汽車上公告。經過EMI抑制的電機控制器再次測試仍存在超標現象，如圖1-1所示。

電動汽車電機驅動系統的電磁干擾測試分為傳導騷擾測試和輻射騷擾測試。由線路阻抗穩定網絡（LISN）和電流鉗測試得到的傳導騷擾是共模干擾和差模干擾的混合結果，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。通過傳導和輻射騷擾測試對共模干擾和差模干擾形成的機理只能進行一些定性分析，但不能涵蓋電動汽車多工況動態運行時的電磁干擾的特征現象，也不能分析系統部件以及電機控制器內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，可以涵蓋電動汽車多工況動態運行時電機驅動系統電磁干擾的各種狀態，因此基于建模仿真的電磁干擾的預測和抑制方法的相關研究也越來越必要，電磁干擾建模仿真已成為進行電磁干擾機理分析和預測的重要技術途徑。

（2）電機驅動系統電磁干擾發射建模仿真

國內外很多學者對共模干擾和差模干擾進行了建模仿真研究。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、電機繞組對機殼的分布電容對共模干擾的影響進行相關研究。差模干擾建模仿真主要圍繞電驅動系統寄生參數對差模干擾的影響進行相關研究。電磁干擾發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直接影響差模干擾路徑和共模干擾路徑，進而影響總的電磁干擾響應特性。

目前，研究系統各組成部分的電磁發射模型較多，但圍繞整個電驅動的系統行為所進行的傳導和輻射電磁干擾建模仿真研究較少。目前電機控制器三相脈寬調制（PWM）逆變器各個功率器件開關狀態很多等效為理想干擾源，沒有考慮功率器件的寄生參數和非線性工作特性對干擾源信號的影響。電驅動系統電磁發射仿真模型由動力電池仿真模型、直流和交流動力線纜仿真模型、電機仿真模型和功率逆變器（如IGBT模塊、DC模塊、散熱器、機箱）仿真模型組成。動力電池仿真模型主要研究電池對車體的分布參數的影響，直流和交流動力線纜仿真模型多采用傳輸線理論進行建模，電機仿真模型多基于端口阻抗幅頻特性構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測電磁干擾，但都沒有考慮逆變器內部電路的寄生參數對電磁干擾的影響；J. Lai和Huang等人建立了逆變器內部高頻等效電路模型，分析高頻寄生參數對電磁干擾特性的影響，提出寄生參數的提取是建立高頻電路模型的關鍵，但由于干擾源過于簡化、參數提取不完整，這種電路模型只適用于低于10MHz的傳導電磁干擾仿真。

因此，切實可用的逆變器仿真模型的合理建立和優化日益成為電動汽車電驅動系統電磁發射的核心問題，進而亟須解決。

（3）系統行為級仿真建模的優點及存在的問題

系統集總電路建模仿真中電路元器件的物理參數很難獲取、電機控制器功率逆變電路比較復雜，致使集總電路時域仿真時間長、難以收斂，只能在低頻預測傳導發射且預測精度差。其中，頻域仿真盡管相對時域仿真具有仿真快速、易收斂的優點，但由于模型簡化和寄生參數提取困難，電磁干擾預測精度難以保證。

系統行為級仿真建模可以解決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測系統總的電磁干擾，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，因其自身的復雜性，基于系統行為級仿真建模方式的逆變器的仿真建模是電驅動系統電磁發射仿真建模的難點。

（4）功率逆變器電磁發射的建模仿真

目前，通常把功率逆變器作為一個“黑匣子”進行電磁發射全波建模仿真。盡管電磁發射全波建模仿真方式仿真精度高，但由于仿真時間長、計算機占用內存高，不能對逆變器的非線性元件進行建模，所以不能在系統元件上進行電磁干擾溯源。

模型降階（MOR）建模仿真方法是利用網絡傳輸特性S參數建立等效電路，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元件的寄生電路參數進行建模，建立系統元件幾何尺寸和寄生電路參數的關系，分析共模電流和差模電流產生的機理就SPICE等效電路建模方式而言，目前系統中SPICE高頻電路模型寄生參數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”系統提取參數，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簡單元件的電路，這兩種方法不適合應用于逆變器復雜高頻電路的建模仿真。時域反射儀（TDR）和傳輸線理論因提取參數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“黑匣子”，沒有對逆變器內部元件寄生電路的寄生參數進行提參。

（5）逆變器系統電磁干擾抑制方法

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

在產品研發后期，通常采用全波建模方法進行電磁干擾抑制的濾波設計。全波建模方法將逆變器等效為一個“黑匣子”，不知道逆變器內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設計了電磁干擾濾波器，抑制了電機側的共模電壓、電機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電機30MHz以下的EMI抑制有效，沒有考慮逆變器內部元件寄生參數的影響。S. Wang和H. Bishnoi等人設計了一種電磁干擾濾波器，抑制了逆變器的散熱器和電機支架對車體的共模電流。X. Gong提出了一種EMI共模濾波器設計方法，用于抑制逆變器碳化硅場效應晶體管（SiC JFETs）產生的傳導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與車體之間串入阻尼電阻，可以抑制串聯諧振產生的共模電流。電動汽車電機驅動系統因高功率、大電流，設計的電磁干擾濾波器體積較大，占用車內有限的空間。為了有效地抑制電動汽車電機驅動系統電磁干擾，必須考慮逆變器寄生元件產生的諧振影響，在產品設計和開發初期，對逆變器內部電路進行電磁兼容優化和電磁干擾抑制設計。

然而，這種外加抑制電磁干擾的方法不僅會增加系統的體積和重量，還會產生新的電磁干擾，此外，因忽略了逆變器內部寄生元件產生的諧振影響，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，而電動汽車動力線纜會產生150kHz～110MHz傳導發射，現有濾波器不能滿足要求。基于SPICE建模方法，Natalia等人提出了一種測量與仿真結合逆變器電磁發射建模方法，建立了逆變器內部元件幾何尺寸和寄生電路參數的關系，通過建立二端口網絡的傳輸特性（S參數）和端口阻抗特性，分析引起諧振的原因，以確定產生諧振的逆變器內部寄生元件，提出了在逆變器內部直流端加RC濾波器、交流端加共模扼流圈抑制電磁干擾的思路。

本書重點描述：考慮功率半導體寄生參數的電機逆變器系統高頻等效電路模型建立方法，來預測傳導電磁干擾，為預測傳導騷擾提供了仿真平臺。基于建立的高頻等效電路模型，預測高壓電源線傳導騷擾，并確定影響電磁干擾形成的主要元件參數。針對電動車輛高壓直流供電電機驅動系統，提出高壓端口寬頻段傳導騷擾抑制方法、一種基于諧振點傳導發射抑制的濾波電路優化設計方法、采用磁環的高壓直流電源線EMI濾波器設計方法和采用空心電感的高壓直流電源EMI濾波器設計方法，降低了150kHz～108MHz頻段的傳導發射，以滿足標準限值要求。通過建模仿真和試驗結合的方法，預測在典型工況下的電機驅動系統EMI，獲得EMI特性。