电动汽车低压直流电机EMC特性优化研究

时间：2024-05-04

林婷艳魏益松徐亮

（中检质技检验检测科学研究院有限公司浙江省杭州市 310022）

随着我国汽车保有量持续性增长，能源危机和环境污染双重危机，传统汽车能耗及尾气排放深受重视。电动汽车与传统燃油汽车相较，面临更多严峻的EMC问题，电动汽车工作核心驱动源为电能，其主要是由多个电气系统高度集成，充分应用有限空间范围，形成复杂的电磁环境。低压直流电机原有研究更倾向于阻抗模型和传导发射特性层面，其自身结构简单，产生干扰机理较为明确，促使整车EMC特性研究分析并未加以重视。EMC进行优化整改方式较多，但多局限于结果为导向，本文主要从多方面展开原因分析，获取最终高效的特性整改优化方案。

1 EMC整改基本原理

EMC进行综合性整改主要是针对整车或零部件EMC超限测试条件下，选用的一种优化改善方法，结合实际测量最终结果，明晰形成干扰主要因素，选用合理的整改方式，可进一步改善EMC测试结果，一般常用EMC整改方式包含屏蔽、接地和滤波。

1.1 接地

接地作为电动汽车EMC设计关键举措，其核心作用在于为车载电路安全、稳固工作提供保证，从本质层面规避外界电磁干扰。接地线路实际规划设置过程中，需综合性考量各方面影响因素，进一步为促使内部干扰电流和电压实现有效泄流，从而减少设备与外界间相互干扰，屏蔽体自身接地科学性及合理性十分重要，反之无法获取良好的屏蔽成效。始终保证工作可靠性、安全性，也是接地关键目标，防止设备出现短路引发漏电安全事故，带来严重的损伤。

1.2 滤波

信号中特定段噪声滤除方式称为滤波，滤波形成主要源于滤波器，结合滤波自身信号不同点，其主要可划分为多种类型。处于工作频段内，理想滤波器可将全部影响信号予以去除，设计过程中主要基于多元化函数实施。

1.3 屏蔽

屏蔽主要基本原理为充分选取导电性材料，进一步减少电磁场指定区域发射方向，常规下其主要包含电场、磁场屏蔽两种类型。电流在电路中实际流动时，会相应在另一个电路中产生磁通，进而产生具有干扰性的电流，可依托互感作用强弱，从本质层面减少磁场产生的干扰能效，实现方式主要为采取有效措施减少噪声回路面积。屏蔽物作为噪声实际流经关键介质枢纽，形成一个完整的回路，噪声回路呈现为一个矩形，其自身实际面积超过屏蔽后回路面积，此种方式对抑制高频度噪声影响成效优良。铁磁材料凭借自身优势，主要体现在存储能量等功能，将铁磁材料作为实际屏蔽物时，磁场停留于其表面，材料外部磁场实际强度逐步弱化，同时表面产生一定涡流，最终以热量形式散发[1]。

2 低压直流电机电磁发射特性

2.1 低压直流电机结构和工作原理

直流电机多由两大模块构成，即定子、转子，前者核心作用在于安装磁极并做好支撑，后者主要包含电枢铁心、绕组和换向器，两者间形成的空隙为气隙，气隙作为主磁电核心构成，其自身大小和磁场分布对电机整体运行产生严重的影响。低压直流电机工作主要依附电力驱动，实现能量相互间转化，电刷两侧具有直流电压，低压直流电机自身启动特性优良，其可灵活性处于大范围内调整，成为其广泛用于电动汽车核心因素。电动汽车实际工作过程中，主要是电池为其工作驱动力，但此类电压多处于250-380V，此类高电压难以直接为汽车内低压部件进行供电，需将其进行转化方可满足内部部件运作。车载暖风机内部结构见图1。

图1：车载暖风机内部结构

2.2 低压直流电机电磁发射特性

电动汽车实际工作过程中，存在多个电磁干扰源，其中作为关键的便是低压直流电机，其更是整车电磁超出我国相关规程核心影响因素，我国出台相关规程要求中，汽电动汽车辐射发射实际测量过程中，需将汽车上相关设备处于开启状态，其中暖风机、雨刮电机均作为低压直流电机在电动汽车中应用载体体现，所以直流电机EMC性能对整车EMC性能十分关键。任何电器设备并非单一性存在于车辆中，共电源系统和共地系统为电磁干扰提供强有力传播途径，低压直流电机电磁发射特性体现在以下几方面：

2.2.1 阻抗特性

低压直流电机转子具有相应的线圈，电机自身属于感性，所以电机自身具备的阻抗性能，会一定程度干扰电磁发射自身性能。利用精密性阻抗分析专用仪器测量电机电感及阻抗，最终电机处于频点为35.2MHz周围产生谐振，其周围实际阻抗远超过其他周期段内，最终呈现为一个峰值。

2.2.2 传导发射特性

低压直流电机传导电磁干扰中，主要包含不同成分，各成分实际干扰基本原理及特征不尽相同，如共模、差模，前者主要是指电源线、信号线干扰，其自身干扰频次较低；后者主要处于电源线、信号线间幅度、相位相吻合噪声，电机绕组与机壳间存在寄生电容，促使电机内部实际变更不断为其进行充放电，以此形成共模干扰。

2.2.3 瞬态传导发射特性

瞬态传导发射主要是指被测设备接通或中断瞬间在电源线上产生的瞬态干扰信号。为不受周围电磁自身影响及干扰，测试需处于屏蔽室内开展。直流电机属于感性设备启动或中断过程中，电流突发性产生强烈干扰电压，形成传导发射，直流电机自身线束存在分布电感，即便小电流流过也会产生一定干扰，从而影响设备正常运行[2]。

2.3 低压直流电机对整车EMC测试的影响

我国相关规程中明确要求电动汽车实施窄带测试过程中，需将内部暖风机、收音机、前照灯、电动雨刮等启动，测试其最终结果不吻合相关判定其不达标。整车EMC整改包含多个内容，其他设备处于正常工作状态，测量暖风机不正常运转条件下窄带发射，测试其最终结果达标，通过精准性定位，判定决定辐射超标关键性因素为暖风机，暖风机处于正常工作状况下，电磁干扰信号因子可将其电源线作为核心介质，以此持续性向外进行辐射。

3 磁环抑制低压直流电机传导干扰分析

3.1 磁环抑制低压电流传导干扰机理

EMC实际整改过程中，磁环多用于低通滤波器。直流有刷电机处于高速工况下，电刷与转向器间形成较强的辐射，同时电源线上产生瞬变电压，并通过电源线完成传播任务目标，最终呈现为强烈的传导干扰。电机进行换向操作过程中，也会一定程度产生强有力的电磁干扰，电动汽车正常运行过程中，暖风机运作过程使用较为频繁为元件的有刷电机，前文判定暖风机作为核心电磁干扰因素，铁氧体磁环作为抑制EMI主要举措，整车EMC整改使用此类方式频次较高。

3.2 磁环线圈圈数、数量对阻抗和谐振频率的影响

电磁磁环绕制过程中，磁环自身电感与匝数存在一定相关性，磁环电感与线圈匝数平方、真空磁导率成正相关，与磁芯常数为反比，最终可计算磁环自身阻抗。除线圈圈数对电路参数产生影响，分析磁环数量产生干扰时，需忽视线圈阻抗影响，设定圈数为1，磁环内外径保持固定，磁环自身阻抗与长度成正相关，磁环自身长度增加，阻抗也随之增加。

4 不通接地地点对低压直流电机辐射发射影响

直流电机常规工况下，其内部产生干扰将线束作为传播核心介质，以此实现向外传播目标，实际实践过程中部分电动汽车整车电磁辐射测量中，发现关键干扰源为电动雨刮，其主要利用接地方式，与电源形成闭合回路，最终表明雨刮电机负极接地。地作为常用的整改方法，优良的接地为干扰电流创设低阻抗途径，进一步降低干扰水平。

4.1 雨刮电机辐射发射分析

按照我国试验要求测试雨刮电机自身辐射发射，雨刮高频辐射发射强度较大，从本质层面考量上述多个模块干扰因素，依托共模电感进一步约束电流，可有效降低辐射自身发射强度。电流是干扰辐射发射关键性因素，通过电流探头精准性测量电流正极电流，电流探头位于共模电感和直流间，最终结果表明测试点分别接地条件下，正极电流发展主趋基本保持一致，负极产生偏差较大。

4.2 接地点对辐射发射影响

辐射多由电路中电流环路引发，此类环路均持续性发射能量，电机电源线与地形成一个完整的环路，按照电流环辐射公式：

式中：f为干扰电流的频率；I是干扰电流的大小，A是电流回路的面积，θ是天线与环路平面间夹角，r为天线与导线的距离。

其中假定天线所处位置及偏向角度不变，其不会影响最终结果精准性，可积极排除距离r和夹角θ影响，结合实践经验数据显示表明，雨刮电机工况不会发生变更，且其中测试频段明晰，所以将其频率的干扰也予以排除。最终综合分析辐射发射水平与电流和回路实际面积成正相关。

5 滤波器性能优化及抑制电机干扰应用

滤波器作为电动汽车核心构成，其主要作用在于从多元化频率信号中，精准性提取相应的成分信号，结合其实际应用频段，滤波器可划分为多种类型，不同类型基本原理的特征存在较大差异性。巴特沃斯型LPF整体结构设计简易，对构成元件Q值要求较低，设计及制作难度较低，所以被普遍应用。电感、电容及线路中存在寄生参数作为影响滤波器自身成效发挥关键型因素，可选用减少引脚长度或增加接地面积，通过采取有效措施改善其耗损量，可保证滤波器自身实际功效予以优化。

5.1 巴特沃斯型LPF性能优化

通过利用网络分析仪器测量滤波器插入耗损，将其与理想实际损耗进行比对，最终前者远小于后者数值，通过综合型分析判定形成此类现象核心因素为滤波器寄生参数，电动汽车

正式工作状态下，其内部系统元件衔接线路一定程度存在寄生参数，尤其针对高频工作条件下，其产生的电感需高度重视，其可等同于电容与电感形成串联，最终影响滤波器的滤波成效。寄生电感实际大小与其自身长度成正相关，其长度越长电感越大。

结合实际测量结果表明，引脚自身长度与电容阻抗密切相关，测试频段电容发生串联谐振，形成该现象主要为电容和寄生参数共同作用，谐振频率之前电容始终与其保持一致；高频段电感对实际阻抗影响较为凸显，所以阻抗自身偏差较大，谐振频率后电容呈现为感性，自身丧失高滤波功能，所以减少电容引脚自身长度，对优化改善滤波器自身性能十分关键[3]。

5.2 巴特沃斯型LPF抑制电机传导干扰的应用

电动汽车除上述多个元件使用低压直流电机，不容忽视的是后视镜电机也使用相同电机，五阶巴特沃斯型LPF对差模、共模所产生的电磁干扰均具有约束功效，其处于低频、高频等不同工作状态下，均会形成较大的插入实际耗损。将五阶巴特沃斯型LPF与电机正极串联，同时一方面做好接地，测量电机工作状态下实际传导发射，由此显示发射水平降低，滤波器自身滤波成效良好。伴随其频率持续性上升，其实际约束成效逐步弱化，滤波器内部寄生参数与最终滤波成果密切相关[4]。