基於電動車電子系統的EMC問題解決方案

2020-11-25 電子發燒友

基於電動車電子系統的EMC問題解決方案

發表於 2019-03-22 14:39:14

隨著汽車配備的電子系統越來越多，對EMC的要求也隨之增加。對於電動汽車而言(xEV)，由於電機逆變器額外增加了電力電子設備，其對EMC的要求更甚。TDK集團的新型濾波器解決方案的面市，為解決相關EMC問題提供外形雅致，重量輕便的解決方案。

無論是混合動力還是純電動汽車，這些車型(xEV)裝載了各種電子設備。而裝載在電動車上的電子設備，無論是在質量還是技術的要求方面都遠超應用於內燃機車輛的電子設備。為了滿足安全性、舒適度和通信要求，電動車上的電子系統的複雜度不斷增加，除此之外，電動驅動系統（包括高壓電池、逆變器和至少一個電機）同樣需要使用電子系統。

因此，開發這種車輛時首先要確保單個系統能夠完美安裝在狹小空間中，並且不會引起彼此幹擾，也不會干擾影響車外系統。這些EMC要求必須嚴格符合CISPR 25或EU Directive ECE-R10等國際標準。

屏蔽電纜引起的EMC問題

為有效控制電機所需的功率和速度，逆變器採用的是脈寬調製（PWM）的工作模式。而脈衝上升沿或下降沿會在逆變器的輸入和輸出側引起顯著的EMC問題，如引發輻射發射和傳導發射等問題。為了儘可能降低這些EMC問題產生的影響，絕大多數設計採用對整個系統進行完全電磁密封或屏蔽的理念進行開發。

為了節省空間並改善重量分布，各種驅動元件被分開安裝在整個車內。比如電池通常放於車尾，逆變器則放置在車頭。電機安裝在輪軸上，對於輪轂電機則直接安裝在車輪上。因此，將逆變器連接至電池，需要一根長的屏蔽電纜。然而，這樣帶來了極大的潛在風險，主要有三方面原因：1、很容易產生高屏蔽電流，從而引發高頻區強輻射性；2、引發大幅度的電壓尖峰，甚至可能損壞逆變器或電池；3、可能會通過耦合，從而幹擾車輛的低壓系統。

屏蔽電纜、屏蔽電池和逆變器之間的電氣和機械連接還可能產生更多的問題。因此，該連接的阻抗必須極低，從而確保屏蔽的有效性。但是車輛內在振動和衝擊會逐漸削弱屏蔽連接，從而引起阻抗的長期遞增。此外由氧化甚至腐蝕引起的老化過程也不容忽視。圖1顯示了測量電力電子設備電磁發放射性的設置要求（符合CISPR 25）。

圖1：根據CISPR 25設置測量

系統（電池和逆變器之間用屏蔽電纜連接）的輻射發射和傳導發射性能如圖2所示。

圖2：帶有屏蔽線的發射性能

儘管在電池和逆變器之間使用屏蔽電纜可降低輻射發射（上），但並不降低傳導發射（下）。

使用新型濾波器可明顯改善EMC

為了滿足市場上日益嚴格的EMC要求，TDK集團專門針對電動汽車的驅動系統應用，開發了愛普科斯(EPCOS)P100316*系列2線式高壓直流濾波器。該系列專為600V DC高壓應用而設計，適合高壓電池提供的典型電壓，其電流能力約為150A DC或350A DC，即便驅動系統的額定功率超過100kW，濾波器依然能有效。該系列濾波器具有多種型號可供選擇，且所有型號的直流電阻僅為0.05m，這意味著即便在高電流情況下也不會有顯著的損耗。

如圖3所示，根據測試設置要求可確認該新型濾波器的卓越濾波性能。

圖3：使用愛普科斯(EPCOS)高壓直流濾波器後的系統發射特性

很顯然：在電池和逆變器之間使用新型愛普科斯(EPCOS)EMC濾波器，即使使用非屏蔽電纜，也能顯著降低傳導幹擾。

可以看出，如果使用新型濾波器，即使使用非屏蔽電纜，傳導幹擾也可顯著降低達70dB（或功率因數為3000），並且還能可觀地減少個別系統中傳統EMC元件的數量。

除了卓越的電氣性能，該濾波器具備外形緊湊，重量輕便等特性，非常適合車輛應用，因而倍受客戶青睞。產品的尺寸介於121mm x 52mm x 52mm和186mm x 65mm x 65mm之間，具體是型號而定。

該新型系列包括12種型號，不僅具有2種不同的電流能力（150A DC和350A DC），還具有不同的濾波特性。也就是說，客戶可以更有針對性的獲得解決自身EMC問題的方案，挑選適合應用要求的濾波器型號。此外，我們除了提供常規性能的型號外，還提供在長波頻譜150kHz和300kHz之間具有超強濾波性能的其他型號。

延長電機壽命

高頻屏蔽電流只代表了確保電磁兼容這一挑戰的一部分。比如，在逆變器的輸出端，脈衝上升沿會引起電壓尖峰，後者會隨著電纜電感值的增加而增加。一旦環境條件不利，這些電壓尖峰可能引起電弧，進而損壞電機繞組。與此同時，漏地電流也會隨之產生，這些電流流過電機軸承，從而引起尖峰。反過來又會損壞軸承滾珠或滾子，使其過早失效。

一個補救辦法是使用鐵氧體環形磁芯，使電機電纜穿過這些磁芯。這樣可顯著降低共模幹擾和漏地電流，確保其不超過臨界值。在此，TDK集團也提供了多種解決方案，如具有不同幾何形狀的環形磁芯和不同材料的鐵氧體，且這些產品可針對特定頻率區域進行優化，根據每個驅動系統量身定製。

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