新能源汽車電機(jī)加載輻射發(fā)射測試研究

近年來全球大力發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè)，新能源汽車零部件具有電壓高，電流大的特點(diǎn)，所以其EMC性能問題也日益受關(guān)注。在2016年，ISO標(biāo)準(zhǔn)化組織更新了CISRR 25標(biāo)準(zhǔn)，相較于老版本而言，新版本標(biāo)準(zhǔn)增加了新能源汽車高壓電氣化產(chǎn)品的EMC測試方法和要求，其中包括新能源汽車電機(jī)帶載狀態(tài)的EMC測試方法，主要有3種方法：傳導(dǎo)發(fā)射電流法、傳導(dǎo)發(fā)射電壓法、輻射發(fā)射法。本文主要是針對不同的測試工裝設(shè)計(jì)方案對輻射發(fā)射測試結(jié)果的影響進(jìn)行相關(guān)研究分析。
 

01、研究背景

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中要求，輻射發(fā)射測試布置按照圖1進(jìn)行，測試電機(jī)安裝在暗室內(nèi)測功機(jī)臺架上，電機(jī)控制器放置在絕緣支撐上，外殼需要與接地平板相連；LV線束和HV線束長度為1700~2000mm，與接地平板前端平行的線束長度應(yīng)為1500mm；電機(jī)控制器與電機(jī)之間的三相線的長度應(yīng)不超過1000mm。所有線束除非物理上不可行都應(yīng)放置在絕緣支撐上。這些部分在標(biāo)準(zhǔn)中都有較為詳細(xì)的描述，但是一些細(xì)節(jié)上標(biāo)準(zhǔn)中并未有涉及，比如說需要如何制作測試電機(jī)與測功機(jī)連接的工裝、對此工裝在材質(zhì)與結(jié)構(gòu)上有何要求、電機(jī)加載EMC測試需要在什么樣的工況下進(jìn)行測試，這些細(xì)節(jié)在標(biāo)準(zhǔn)中都是沒有規(guī)定，然而這些也都是我們每次測試會碰到也必須解決的問題。

圖1 電機(jī)加載輻射發(fā)射測試布置圖（以桿天線為例）
 

02、測試方法與數(shù)據(jù)分析

在標(biāo)準(zhǔn)中有提到電機(jī)機(jī)械軸承與測功機(jī)傳動軸連接的工裝設(shè)計(jì)處理方案,可能會使電機(jī)傳動軸成為噪聲的泄露途徑。所以我們根據(jù)這一點(diǎn)，來研究對不同測試工裝設(shè)計(jì)方案是否會對測試結(jié)果有影響。因?yàn)槲覀兪褂玫陌凳覂?nèi)測功機(jī)臺架設(shè)計(jì)方式是測功機(jī)傳動連接軸與電機(jī)L型安裝支架是導(dǎo)通的，所以此處是針對測功機(jī)傳動軸與電機(jī)機(jī)械軸兩種不同的連接方式來進(jìn)行分析比對。

一種方案是使用金屬軸將測功機(jī)傳動軸與電機(jī)機(jī)械軸相連，這個方案在電機(jī)安裝上去之后，電機(jī)的機(jī)械軸與測功機(jī)傳動連接軸和電機(jī)L型安裝支架導(dǎo)通，也就是說電機(jī)的機(jī)械軸與電機(jī)的外殼導(dǎo)通。另一種方案是絕緣軸方案，電機(jī)的機(jī)械軸與測功機(jī)傳動軸和L型安裝支架隔離，不導(dǎo)通。以下是某個電機(jī)與控制器二合一樣品的兩種方案的輻射發(fā)射測試結(jié)果。以峰值檢波器為例，藍(lán)色線為金屬軸測試數(shù)據(jù)，綠色線為絕緣測試數(shù)據(jù)。

圖2 0.15~30MHz_垂直

圖3 30~200MHz_垂直

圖4 30~200MHz_水平

圖5 200~1000MHz_垂直

圖6 200~1000MHz_水平

圖7 1000~2500MHz_垂直

圖8 1000~2500MHz_水平

從圖2至圖8的測試數(shù)據(jù)曲線上可以看出，兩種工裝設(shè)計(jì)方案所測得的數(shù)據(jù)主要存在差異的頻點(diǎn)是在桿天線測試的2MHz~30MHz，最大相差30多dB。

回過頭來看，兩種工裝設(shè)計(jì)方案的目的都是為了使電機(jī)的機(jī)械軸連接到測功機(jī)的傳動軸來實(shí)現(xiàn)帶載工況，首先從電驅(qū)系統(tǒng)工作的原理上來分析，在電驅(qū)系統(tǒng)工作時，由逆變器功率器件 IGBT 的快速通斷形成的陡峭電壓邊沿通過電機(jī)內(nèi)的寄生電容產(chǎn)生干擾電流。該電流被稱之為軸電流。一般軸電流分為兩種，見圖9。

圖9 軸電流

第一種是環(huán)電流，由上述開關(guān)電壓邊沿變換在繞組與機(jī)殼之間的等效電容以及對地都將產(chǎn)生高頻容性漏電流，這類漏電流將導(dǎo)致電機(jī)軸周圍定子繞組的磁通不平衡，從而感應(yīng)出高頻軸電壓Vshaft。當(dāng)電機(jī)軸承上的潤滑油膜的絕緣性寄生電容不能承受軸電壓而擊穿，容性電流形成，該電流沿著軸循環(huán)，通過軸承，然后沿著框架到另一個軸承，然后回到軸上。同時該循環(huán)電流總是伴隨著靜電放電電流，所以這也是影響輻射發(fā)射測試結(jié)果的因素之一。而這種電流環(huán)路信號在兩種工裝方案中都會存在。

第二種是轉(zhuǎn)子軸電流，在金屬軸工裝方案中電機(jī)繞組與機(jī)殼之間的寄生電容流過的高頻容性“漏電流”所引起的環(huán)流回流途徑電機(jī)軸承上→電機(jī)軸→工裝金屬軸→到接地系統(tǒng)，再到電機(jī)控制器。從輻射發(fā)射測試的本質(zhì)來說，這個“漏電流”大小是變化的，該電流所在的環(huán)路可以等效成一個天線，對外產(chǎn)生輻射。然后在絕緣軸方案中，是通過絕緣片將此信號電流隔離，沒形成這個回路，所以也未形成這個對外的空間輻射。根據(jù)以上情況，通過使用軸電流探頭，發(fā)現(xiàn)在金屬軸工裝上測得在小于30MHz的頻率下，有較大的電流信號。

導(dǎo)論

以上結(jié)果分析表明，電機(jī)加載EMC測試工裝的設(shè)計(jì)影響著輻射發(fā)射測試結(jié)果，本文主要講述了使用絕緣軸與金屬軸的結(jié)果差異，除此之外還有絕緣軸絕緣層厚度、若使用軸承連接，使用軸承的數(shù)量等方面同樣也會影響到測試結(jié)果。上電科作為專業(yè)科研檢測機(jī)構(gòu)，有著專業(yè)的技術(shù)團(tuán)隊(duì)以及專門的新能源產(chǎn)品試驗(yàn)室，正在更進(jìn)一步的研究新能源汽車高壓部件的測試。

作者簡介

盛忠一

上海電器設(shè)備檢測所汽車事業(yè)部EMC試驗(yàn)室副部長，主要負(fù)責(zé)新能源汽車零部件EMC試驗(yàn)室建設(shè)與運(yùn)行，致力于汽車電池包、加載電機(jī)、車載OBC的EMC測試方法研究。