详解电驱动系统电磁兼容性能

电动汽车上最强悍的干扰源是电驱动系统，没有之一。功率模块自身的特点以及工作特性的要求，频率范围宽，功率大，自身具备杂散电感和杂散电容，这些条件凑在一起，更助长了干扰信号的形成和传播。电动汽车上，容易受到干扰的设备太多，与安全相关的电气也很多。这就使得对电动汽车和电驱动系统电磁兼容性能的理解变得非常重要。

1 电驱动系统组成和性能特点

电驱动系统主要包括电机，电机控制器以及连接两者的高压电力电缆。电机控制器由功率模块，低压控制器组成。

电驱动系统的工作过程大体如下：

电动汽车整车控制器（VCU）根据对驾驶员意图的判断，计算驱动系统需要电机扭矩，以CAN报文形式发送给电机控制器（ECU）；

ECU根据指令，调制PWM波，驱动功率单元开关器件的通断，高电平导通，低电平关断；功率单元以PWM波为蓝本，输出高压波形，驱动电机工作；

功率单元由大功率电力电子开关元件组成，可以实现高频率和大功率的功率调节和输出。最大输出功率由整车需求决定，开关最高频率可以达到兆赫量级，并且性能一直在不断升级过程中。

2 为什么电驱动系统是电磁干扰最大来源

整个电动汽车电气系统中，最大的电磁干扰源是电驱动系统，在具体到系统内部，功率模块和高压电缆是最直接的干扰生成和传播者。可以打个不那么恰当的比方，电驱动系统在电动汽车的电气系统中，就像矮人国里的大力士，随便甩甩胳膊，就能把小矮人弄个重伤。

典型驱动模块示意图

功率单元的大功率开关管IGBT，在控制器发出的PWM波驱动下导通和关断。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。IGBT的动作跟随PWM波的指令进行，其导通和关断也不是瞬间完成，都有自己的固有动作时间，因此其波形也是梯形波。电流和电压都是在短时间内，从一个状态变换到另一个状态，变换率非常陡峭，且导通和关断过程中，斜率符号相反。这样的过程在不断的进行，并且频率非常高。电流和电压的剧烈波动，在整个功率模块中产生高次谐波。

电机控制器的输入输出电缆及内部高压功率器件，结构上存在着杂散电感和杂散电容。电流的剧烈变化，形成差模干扰。杂散参数的存在，同时回路中发生剧烈电压变化，产生共模干扰。

IGBT波形

3 电磁干扰信号的强度与哪些因素有关

有研究做过一系列实验，针对不同的影响因素对干扰信号强度发生怎样的影响进行评价，这里转述相关的结果。

电机三相动力线的长度，从5~108 MHz之间的频率，电力线的长度都会发生影响。导线越长，干扰信号强度越大。

电机状态，即电机工作在电动机状态还是发电机状态，是否影响干扰信号的强弱呢？试验结果是没有明显区别。

电机转速，针对同一台电机在相同的输出转矩情况下，改变输出转速，结论是总体影响不大。但对比传导发射和辐射发射两种情形，则对辐射发射的影响更明显，转速越高，辐射发射越高。

电机转矩，同一台电机相同转速情况下，调整输出转矩，总体趋势是，干扰信号强度随着转矩的增加而增加，但当转矩增大到一定程度，强度值不再继续增大。

4 干扰抑制措施

抑制电驱动系统的电磁干扰，一方面希望从源头解决，从改善IGBT工作性能入手，减少生成干扰的强度。另一方面，采取防范措施，不让干扰信号离开电机控制器或者加强周边电气的抗干扰能力。

从减少干扰生成出发。改善PWM波形；利用印制电路板代替功率模块中的电路排布；改变功率模块原理电路结构，从原理上抵消共模电压；给电机控制器系统配置滤波电路，使得干扰信号在刚刚产生的位置附近就被处理掉；对于具备良好发射能力的高压导线，可以加装屏蔽套管，避免辐射干扰的扩散。

从加强周边电气的抗干扰能力出发。电动汽车上的敏感电气，除了尽量与电机控制器保持距离，自身做好屏蔽、设置滤波电路和接地等必要的电磁兼容设计以外，还可以利用下面的器材进行临时防护或者二次防护。从一份文献中看到相关内容，描述如下：1）设备外层包裹铜箔胶带，铜箔胶带是金属胶带的一种，铜具有良好的导电性，使得其粘贴在电气表面以后，可以起到良好的屏蔽电场的作用；而胶带成分中的镍，则起到磁屏蔽的作用。2）压纹胶带经过特殊压纹工艺处理的金属带基，能够起到电磁屏蔽的作用，压纹具有一定的延展能力，在填补空隙的时候，可以发挥更好的效果。

5 电驱动系统干扰故障案例

电驱动系统高强度的电磁干扰信号，一旦处理不当，电气系统尤其低压控制和通讯系统容易中招。下面是两个文献中的案例。

案例一，强混型混合动力客车油门控制器故障

柳海明在他的文章《电驱动系统EMI测试影响因素分析》中，讲述了一个电机控制器产生干扰的案例。

先交代背景。混合动力汽车，整车控制器根据油门信号和车辆运动速度，判断下一步动作，然后给油门控制器等发送指令。油门信号包括两部分，一部分是加速踏板的电压信号，是一个在0~5V之间的低压信号；另一部分是怠速开关的状态信号。二者必须匹配，才能被识别，否则整车控制器会判断油门信号错误。

一次实车运行中，出现了油门信号错误报警。经过全面的测量，发现加速踏板电压信号被抬高了，非怠速电压与怠速开关处于怠速状态不匹配，因而报错。而电压信号被认为抬高的原因是，电压信号里出现了较大的干扰信号。

有干扰的波形

干扰信号的来源并不明确，但首先被怀疑的就是驱动系统。经排查发现，电机控制器壳体与整车之间采用了二次绝缘设计，也就是壳体没有接地。经过测试后，确认电机控制器设计满足自身绝缘要求，于是取消壳体与车架之间的绝缘。再次测量，油门信号的干扰信号消失了。

正常后波形

案例2 CAN通讯系统故障

作者崔祥飞在他的文章《电动汽车驱动系统EMC问题的测试及整改》中描述了整个案例细节。

实车运行过程中，出现了系统故障报警，高压下电，车辆强制停止运行。读取故障代码，发现整个电气系统多处报错。重新启动，故障复现率很高，但是首先报错的位置始终不同。

系统监测排查可疑回路以后，发现CAN信号有严重畸变，推测所有报错都始于畸变的CAN信号，报错信息过多，阻塞了通道，使得系统停止运行。

寻找CAN畸变的原因，怀疑有干扰，于是利用设备输出连续频段的干扰信号，观察系统反应，在一个特定频段复现了相同的故障现象。确定故障是由干扰造成的，但干扰源和敏感源都无法确定。

模拟系统大电流工作情况，VCU做一个特定测试时，故障得以复现，确认敏感源为VCU。使用频谱分析仪和近场探头测试每个可疑节点的发射频率，最终定位在电机控制器外壳，其发射频率恰好与干扰频率吻合。

分析干扰发生的原因：电机控制器，采用铝箔作为屏蔽层，但铝箔对特定频段的高频信号处于低阻抗状态，屏蔽效果很差，现象是壳体表面就能测量到干扰信号。CAN总线连接VCU和电机控制器，CAN采用两点接地，一点连接在电机控制器壳体上，另一端连接在VCU壳体上，恰好充当了干扰信号的传导路径。至此，问题全部明确。

改正措施，电机控制器更换屏蔽层为铜箔，CAN总线改为单点接地，去掉了与电机控制器壳体的连接。

这个案例分析，真有一种侦探小说的赶脚，又想说，电磁兼容，真是个很有意思的学科。