新能源电驱系统标准解读与拓展:电磁兼容性(一)

2021-08-20 11:52:01

导语:汽车行业正在全面发展电动化、智能化、网联化,大功率电子电器、高精度传感器越来越多的集成在新能源整车中。"电磁兼容性"(英文名:Electromagnetic Compatibility, EMC)这个词,高频化的出现在我们的工作生活中,越来越受到汽车行业,尤其是电动汽车业的重视。那么,什么是电磁兼容性?电动汽车重点要考虑哪些部件的电磁兼容性?电驱动的干扰级别怎么定义?

在对相关标准进行解读之前,我们先聊聊导语中的几个问题,从以下几方面展开:

1. 什么是电磁兼容性?

2. 电动汽车电磁干扰源有哪些?

3. 电磁干扰的"王者"是谁?

4. 展望

1. 什么是电磁兼容性?

电磁兼容性是指电子电器设备处在同一个环境中,各自 能正常的工作 又 不相互干扰 的一种"兼容状态"。国标电工技术委员会(International Electrotechnical Commission, IEC)对"电磁兼容"的理解是:车辆或零部件在特定的电磁环境内可以稳定、可靠的运行,同时,对此电磁环境下的其他设备不会造成不允许的干扰。

以上,可以看出,"电磁兼容"包含两方面要求:

一方面,指设备或系统在正常运行过程中对所在环境产生的电磁干扰(Electromagnetic Interference, EMI)不能超过一定的限值;

另一方面,是指设备或系统对所在环境中存在的电磁干扰具有一定程度的抗扰度(Electromagnetic Susceptibility, EMS),即电磁敏感性,又称电磁抗扰度。



根据电磁兼容的要求,对于汽车,我们要研究:

1)汽车部件对车上其他部件、人体、手机等电磁干扰,

2)汽车对来自各部件,及外界环境中雷达、天线、充电设备等电磁抗干扰度。

要分析这些问题,应从以下三个方面展开:

第一,明确主要干扰源;

第二,分析干扰传播特性、途径及所处频段;

第三,找到相对应的措施,抑制干扰。

我们先从第一步入手,看看电动汽车的主要干扰源有哪些?

2. 电动汽车电磁干扰源有哪些?

我们先看下电动汽车高压电气系统及低压CAN网络连接的结构示意图:

高压系统包括:动力电池、高压控制器、三合一电驱动系统(驱动电机、电机控制器MCU、减速器)、空调压缩机、DC/DC等部件,还有车载充电机(OBC)以及直流快充,用于给动力电池充电。

CAN网络中:整车控制器(VCU)是电动汽车的大脑,通过CAN网络实现电子助力转向(EPS)、电池管理系统(BMS)、电驱动系统等部件的监控控制以及不同工况下的优化。



其中,MCU、空调压缩机、DC/DC变换器等部件大多数采用电力电子开关器件,图中标出主要部件工作时的开关频率,产生较大EMI噪音,是重要的干扰源;车上电气线束分布广泛,干扰路径分析复杂,CAN网络、传感器信号线等敏感装置极易受到干扰。

那么,面对众多的干扰源,我们想知道谁是这里的"王者",最霸道的电磁干扰源到底是哪个部件呢?

3. 电磁干扰的"王者"——电驱动系统

电驱动系统,主要包括电机、电机控制器和减速器。在没有高度集成的系统中,电机电控之间还有高压电力线缆的存在,这样,还要加上输入电缆。电驱动系统工作频率范围宽、功率大,自身具备杂散电感和杂散电容,这些因素凑在一起,电驱动系统无疑成为了电磁干扰的"王者"!(就是这么霸气...)




我们从电机控制的原理和结构角度进一步分析:

电驱动系统运行时,MCU接受VCU的扭矩请求指令,根据请求扭矩大小调制PWM波(这一块内容在《新能源电驱系统标准解读与拓展:转矩控制精度》有详细介绍),驱动IGBT的通断,通过控制开通、关断时间,输出对应的波形,驱动电机工作。

理想的PWM波是矩形波,只有高电平和低电平两个状态,而实际的PWM波是近似矩形的梯形波,在上升沿和下降沿都具有一定的斜率;同时,死区时间的控制,也会造成波形的畸变。IGBT的开关频率大多在9~10kHz,在极短的时间内,开关从一个状态切换到另一个状态,斜率十分陡峭,符号又相反。一连串的因素会导致电流、电压的剧烈波动,在整个功率模块中产生高次谐波。

电机控制器的输入电缆(针对非集成系统)和IGBT高压功率器件,在结构上存在着杂散电感和杂散电容,电流的剧烈变化会形成差模干扰;杂散参数的存在,在回路中发生剧烈电压变化时,又产生共模干扰。

4. 展望

本篇文章主要介绍了:为什么要分析电磁兼容性?电动汽车上电磁干扰源有哪些?电驱动的电磁干扰是如何产生的?找到电磁干扰源只是EMC分析的第一步,后续会围绕电驱动的电磁干扰源继续研究EMC的相关测试标准、设备,分析干扰类型及其所处的频段,通过适当的方式抑制干扰,欢迎小伙伴们的继续关注。

轉自 車家號 臭皮匠试验室