于東海，張喜州，潘昊軒，曾慶強(qiáng)

（一汽-大眾汽車有限公司，吉林 長春 130011）

目前永磁同步電機(jī)普遍應(yīng)用于電動汽車中，為永磁同步電機(jī)調(diào)制波形的逆變器普遍采用SVPWM算法，該算法優(yōu)點(diǎn)是電壓利用率高，但是該調(diào)制算法在逆變器中產(chǎn)生共模電壓，該電壓通過交流三相線或者直流母線傳遞到電機(jī)和電池等其他零部件中。共模電壓傳遞到電機(jī)將引起軸電流和軸電壓問題，軸電流過大將使電機(jī)軸承損壞，軸電壓則會通過寄生電容傳遞到外部空間中，造成電磁干擾。共模電壓經(jīng)直流母線耦合到電池中，將影響電池內(nèi)部控制器工作以及電壓診斷。

為了抑制電機(jī)控制器輸出的共模電壓，減少軸電流軸電壓以及電驅(qū)動系統(tǒng)EMI帶來的危害，本文從理論上分析了共模電壓的產(chǎn)生以及傳播途徑，并介紹了幾種方案來解決共模電壓造成的危害。

1 共模電壓產(chǎn)生原因

三相共模電壓計(jì)算公式為：

式中：Vao，Vbo，Vco——三相相電壓；Vcm——三相共模電壓。電機(jī)三相電由電機(jī)控制器三相共計(jì)六橋開關(guān)器件調(diào)試得來，電氣拓?fù)淙鐖D1所示。

電機(jī)控制器內(nèi)部開關(guān)器件上、下橋臂無法同時關(guān)斷或?qū)?，則計(jì)算兩相關(guān)斷或者兩相導(dǎo)通對應(yīng)的共模電壓為±Vdc/6，三相同時導(dǎo)通或關(guān)斷產(chǎn)生的共模電壓為±Vdc/2。調(diào)制過程中共模電壓一直存在，且共模電壓隨電池電壓以及載波頻率增加而增加，在當(dāng)前市場電動汽車調(diào)制載波頻率普遍大于10kHz，母線電壓普遍大于300V，高電壓平臺的電動車甚至能夠達(dá)到上千伏特，造成的影響不可忽略［1］。

圖1 電驅(qū)系統(tǒng)電氣拓?fù)鋱D

2 共模電壓傳遞路徑

電動汽車電驅(qū)系統(tǒng)中電機(jī)控制器內(nèi)部電路與殼體之間存在較大寄生電容，而殼體與搭鐵相連，當(dāng)調(diào)制過程中共模電壓發(fā)生變化時，產(chǎn)生的du/dt將對寄生電容充電和放電，形成較大的EMI電流，分析寄生電容的充放電路徑將對于切斷電驅(qū)系統(tǒng)中EMI傳遞路徑有重要作用。

共模電壓有4個通路傳遞［2］，如圖2所示。

路徑1：電機(jī)控制器→電機(jī)定子→電機(jī)與殼體等效電容→系統(tǒng)搭鐵→電機(jī)控制器。

路徑2：電機(jī)控制器→開關(guān)器件與散熱板等效電容→系統(tǒng)搭鐵→電機(jī)控制器。

路徑3：電機(jī)控制器→開關(guān)器件上橋臂對正極直流母線寄生電容→電池側(cè)網(wǎng)絡(luò)以及Y+電容→系統(tǒng)搭鐵→電機(jī)控制器。

圖2 共模電壓簡化傳遞路徑

路徑4：電機(jī)控制器→開關(guān)器件下橋臂對負(fù)極直流母線寄生電容→電池側(cè)網(wǎng)絡(luò)以及Y-電容→系統(tǒng)搭鐵→電機(jī)控制器。

3 解決方案

根據(jù)研究，降低載波頻率和母線電壓可以降低共模電壓的強(qiáng)度，但是該方案將直接影響到電動汽車的整車性能表現(xiàn)，所以目前采取方案主要為抑制共模電壓的傳遞、切斷傳遞路徑以及提供其他電氣通路將共模電壓直接傳導(dǎo)到系統(tǒng)搭鐵，具體方案如下。

3.1 電機(jī)軸搭鐵以及軸體絕緣處理

該方案在圖2路徑1中通過導(dǎo)體將軸與外殼（系統(tǒng)搭鐵）相連，并采用絕緣軸承。搭鐵方案普遍通過集電環(huán)將系統(tǒng)搭鐵與軸體端部相接，軸體電壓通過集電環(huán)搭鐵，但是設(shè)計(jì)時需要充分考慮集電環(huán)的機(jī)械壽命。集電環(huán)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

軸承絕緣處理主要方式是采用陶瓷等絕緣材料制成軸承。陶瓷材料軸承具有抗高溫、強(qiáng)度高等優(yōu)勢，但是由于其加工工藝難度大，導(dǎo)致目前成本較高。

圖3 集電環(huán)結(jié)構(gòu)

3.2 增加直流母線共模電感

如圖2路徑3和路徑4所示，由電機(jī)控制器產(chǎn)生的共模電壓會通過開關(guān)器件上、下橋臂寄生電容流入到直流母線正、負(fù)極，二者將通過Y電容流向系統(tǒng)搭鐵。增加直流共模電感將對路徑3和路徑4中的共模電流起到抑制作用，減少系統(tǒng)整體的共模干擾。

3.3 增加三相共模磁環(huán)

如圖2路徑1所示，在三相線上增加共模磁環(huán)，將直接抑制電機(jī)側(cè)三相電中的共模電壓，有效降低接入電機(jī)的共模電壓分量，需要在采用方案之前確定當(dāng)前系統(tǒng)中需要抑制的共模電壓的階數(shù)和頻率，根據(jù)頻率來選擇不同材料的磁環(huán)。目前鐵氧體材料價格較為低廉，應(yīng)用廣泛。但針對10MHz以上頻率的共模電壓，推薦采用納米晶材料磁環(huán)，該材料比鐵氧體材料磁導(dǎo)率高，損耗低，對高頻共模電流抑制十分出色。加裝納米晶共模磁環(huán)試驗(yàn)結(jié)果，共模EMI 平均降低了40%，如圖4所示。

圖4 增加納米晶磁環(huán)前后EMI發(fā)射量對比

4 總結(jié)

研究表明，通過分析電動汽車電驅(qū)動系統(tǒng)的共模干擾產(chǎn)生來源以及傳遞路徑，有助于提出解決由于共模電壓引起電機(jī)的軸電流問題以及電驅(qū)系統(tǒng)EMI問題。本文提出了可以組合使用的幾種方案，可以得到更好的優(yōu)化效果。