純電動汽車電機控制器傳導性電磁干擾的抑制

宋保林，陶銀鵬

(1.河南交通職業(yè)技術學院，鄭州 450005;2.鄭州精益達汽車零部件有限公司，鄭州 450016)

前言

由于純電動汽車在環(huán)境保護和改善能源結構等方面的優(yōu)勢，使其成為各大車企開發(fā)新能源汽車的主流方向之一。某車廠研發(fā)的一款全新結構的純電動汽車采用動力鋰電池包作為能量源，直流無刷電機系統(tǒng)作為驅動器，電動空調作為車載空調器。該款純電動汽車電機控制器和電動空調采用共高壓母線的方式進行電能分配供給，如圖1所示。

電動空調壓縮機的型號為1500W/288VDC，工作時的額定電流為5A，采用10A/600VDC熔斷器。在對該純電動汽車進行臺架測試和試驗場路試時，多次發(fā)生車載空調壓縮機熔斷器熔斷故障;將熔斷器型號更換為30A/600VDC，遠大于空調壓縮機的額定工作電流，又發(fā)生多次熔斷故障;將熔斷器短接，但仍發(fā)生了空調壓縮機控制器燒毀故障。

由上述情況可知，造成電動空調壓縮機熔斷器熔斷的電流必定遠大于30A，初步判斷該電流為其他共母線電器在工作過程中產(chǎn)生的傳導性電磁干擾——紋波電流所致。針對此故障現(xiàn)象，本文中將從故障發(fā)生原因、故障再現(xiàn)測試、提出解決措施和措施驗證測試等方面來研究如何抑制純電動汽車電機控制器傳導性電磁干擾。

1 試驗分析

1.1 直流無刷電機系統(tǒng)的工作原理

直流無刷電機系統(tǒng)是由電機本體、轉子位置傳感器和電子換相電路3大部分組成，其中轉子位置傳感器和電機本體構成電機，電子換相等相關控制電路構成電機控制器。

在直流無刷電機的運行過程中，電機控制器根據(jù)轉子位置傳感器的輸出信號，通過電子換相電路去驅動和電樞繞組連接的功率開關器件，使電樞繞組依次饋電，從而在定子上產(chǎn)生跳躍的旋轉磁場，驅動永磁轉子旋轉。隨著轉子的轉動，位置傳感器不斷發(fā)出信號，電子換相電路控制功率開關器件依次通斷，以改變電樞繞組的通電狀態(tài)，使在某一磁極下導體中的電流方向始終保持不變，作用在電樞上的電磁轉矩和電機的旋轉方向始終不變，這就是直流無刷電機的工作原理，如圖2所示。

1.2 紋波電流的產(chǎn)生

該純電動汽車采用的驅動電源為動力鋰電池包，無紋波干擾電流。故紋波電流來自電機控制器，電機控制器采用 PWM控制方式，其頻率可高達10kHz，電機控制器工作時產(chǎn)生輸出頻率下的紋波電流和開關頻率下的紋波電流均為幅值很大的紋波電流，這兩種紋波電流是所有電機控制器自身無法消除的，只能利用濾波電容來吸收。故在電機控制器和空調壓縮機的直流電源輸入端都已裝有吸收紋波電流的濾波電容。

1.3 故障再現(xiàn)試驗和分析

為深入分析故障發(fā)生的原因，進行了空調壓縮機熔斷器故障再現(xiàn)試驗，通過采集發(fā)生故障時各相關電氣參數(shù)的變化來分析發(fā)生故障的根源。

采用底盤測功機、YOKOGAWA功率分析儀WT3000和LEM霍爾傳感器LF1005－S來監(jiān)測各種工況下的母線電壓變化及流過電機控制器和空調壓縮機的電流，然后進行分析。測試方式如圖3所示。

根據(jù)車輛發(fā)生故障時的路試工況，設定故障再現(xiàn)試驗工況:①先將鑰匙轉到ACC擋，開啟空調壓縮機;②將鑰匙轉到ON擋，電機系統(tǒng)上電;③輕踩加速踏板，電機緩慢轉動;④急踩加速踏板，多次將車輛急加速;⑤松開加速踏板，車輛滑行直至停止。在上述過程中，使用功率分析儀監(jiān)測記錄母線電壓、流過空調壓縮機控制器的電流、有功功率和無功功率。功率分析儀數(shù)據(jù)記錄頻率為20Hz。

測試結果如圖4所示。

由圖4可見，在空調壓縮機單獨工作或電機低速穩(wěn)定運轉時，電動空調壓縮機的電流和功率都是穩(wěn)定的正常值。當車輛急加速、電機系統(tǒng)轉速急劇增加、電機控制器大功率工作時，雖然空調壓縮機的有功功率處于穩(wěn)定的正常值，但在空調壓縮機控制器上產(chǎn)生高達32kV·A的無功功率，從而產(chǎn)生了高達150A的沖擊電流。

根據(jù)實際測試情況初步可以判斷，在進行該試驗時，僅電機控制器和電動空調壓縮機共直流母線，根據(jù)測試工況可知，電機控制器大功率工作時，產(chǎn)生了過高的無功功率，并通過共用的直流母線傳導至空調壓縮機控制器，在空調壓縮機控制器上產(chǎn)生沖擊電流，導致空調壓縮機熔斷器頻繁燒毀。

2 傳導性電磁干擾的產(chǎn)生和抑制

2.1 傳導性電磁干擾的產(chǎn)生

傳導性電磁干擾是指電磁能從一個電子設備(或電路)通過傳導影響另一個電子設備(或電路)的過程。紋波電流是電流中的高次諧波成分，會帶來電流或電壓幅值的變化而出現(xiàn)傳導性電磁干擾，甚至導致器件擊穿。如果母線上某個支路的紋波電流成分過大，超過了用電器件所容許的最大紋波電流，就會導致器件燒毀。

電機控制器和空調壓縮機控制器采用共直流母線的方式供電，產(chǎn)生的紋波電流會在母線上流動，紋波電流優(yōu)先流向容抗小的支路。容抗的計算公式為

式中:Xc為電容容抗;ω為角頻率;f為頻率;C為電容值?？梢娙菘购腿萘砍煞幢龋皖l率成反比。電容量大，交流電容易通過電容，電容的阻礙作用小;交流電的頻率高，交流電也容易通過電容，電容的阻礙作用也小。

空調壓縮機控制器端濾波電容容量為6個82μF的電容并聯(lián)，共計492μF/DC400V，電機控制器端濾波電容容量為2個150μF的電容并聯(lián)，共計300μF/DC600V?？梢姡照{壓縮機控制器濾波電容大，容抗小，因而電機控制器在母線上產(chǎn)生的傳導性電磁干擾-紋波電流優(yōu)先流入空調壓縮機控制器，導致其熔斷器頻繁燒毀。為解決此問題，須增大電機控制器輸入端的濾波電容，可減少紋波電流對共母線用電設備的電磁干擾，且改善母線供電性能。

2.2 抑制措施和驗證分析

抑制傳導性電磁干擾的主要措施是增大電機控制器輸入端濾波電容容量和在電機控制器直流輸入端并聯(lián)容量大的電容?？紤]到電容容量大、容抗小的性質，并聯(lián)了4 700μF的電容C2，連接方式如圖5所示。

按照上述工況進行驗證，結果如圖6所示。由圖6可見，電機控制器的無功功率得到補償，降低了無功功率引起的傳導性電磁干擾。在空調壓縮機單獨工作或者電機低速穩(wěn)定工作時，壓縮機的電流和功率都是穩(wěn)定的且處于正常值。當車輛急加速、電機系統(tǒng)轉速急劇升高時，空調壓縮機的有功功率處于穩(wěn)定的正常值，空調壓縮機的無功功率也得到了很好的抑制，空調壓縮機上的電流處于穩(wěn)定的正常值，無過大沖擊電流產(chǎn)生。由于補償了電機系統(tǒng)的無功功率，提高了電機系統(tǒng)的效率，相應的動力電池包的輸出功率減少，從而減少動力電池深度放電的幾率，還可延長動力電池的使用壽命，提高整車的續(xù)航里程和使用壽命。

3 結論

針對某款純電動汽車試驗時發(fā)生的故障，深入研究純電動汽車高壓系統(tǒng)傳導性電磁干擾的抑制和無功功率的補償。電動汽車在高壓系統(tǒng)設計時要考慮傳導性電磁干擾的影響，對共直流母線的用電器件要充分考慮紋波電流的抑制和設計合理的濾波電路。電機控制器在設計時要考慮到自身的無功功率補償，減少對共母線器件的傳導性電磁干擾，降低動力電池包的負荷，提高電機系統(tǒng)和整個高壓動力系統(tǒng)的效率。

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