车用电机控制器共模电流分析及其抑制

2020-11-03胡振球黄炫方尹志刚彭再武

客车技术与研究 2020年5期

胡振球，黄炫方，尹志刚，樊钊，彭再武

(中车时代电动汽车股份有限公司, 湖南株洲 412007)

随着第三方监管机构对车用电机控制器及总成的电磁兼容(EMC)要求越来越高，如何能有效抑制车用电机控制器系统的共模电流成为研究热点[1-5]。目前大多数相关措施多基于试验测量[6-8]，为了能够在设计之初就将系统的EMC考虑在内，有必要对共模电流进行理论分析，并研究影响共模电流的设计参数和抑制措施。

1 理论分析

电机控制器的典型应用电路如图1所示[9]。

图1 电机控制器电路图

图1中主要部件包括电源、电机控制器(虚线框表示)和电机。电机控制器主要由支撑电容C和IGBT器件T1—T6组成。电源和电机控制器通过2根高压带屏蔽的正负电缆连接。电机与电机控制器通过3根高压带屏蔽的三相电缆连接。为方便理论分析，有关合理假设及分析如下：

1) 假设所有屏蔽层两端都接部件的外壳，如正负线屏蔽层接电源外壳和电机控制器外壳。

2) 考虑到高压屏蔽电缆的寄生电容为

C=εS/(4πkd)，S=2πrD

(1)

式中：ε为介电常数，根据一般400～600 V原边电源系统的绝缘要求，取2～3；d为绝缘层厚度，可取1 mm；r为电缆线的半径加绝缘层厚度，考虑目前的电机控制器中开关管的电流等级可以取600 A。由此可以知道，线缆的截面积在50 mm2左右。按此计算，r取5；D为线缆的长度，该长度与车长及布置相关，暂取8 m；k为静电力常量，取8.987 55×109。计算得到C在4.45～6.68 nF之间，该值较大。假设电源侧正负极对地的寄生参数与nF级的电容器等效。

3) 同理，三相线对地也存在同样的寄生电容器，三相定子之间也存在寄生电容器。电机侧还需要考虑三相等电位点通过转子耦合到电机壳体，以及通过转轴耦合到车架(地)。将上述两项耦合参数用寄生电容器来近似。由于存在部分电机壳体采用悬置软垫并不接地的情况，还需要考虑这种情况下电机壳体对地的寄生电容器。按照2)中的方法计算可以知道，电机定子对电机轴的寄生电容为0.1 nF级，且电机容量越大时，该寄生电容越大，最大时可以达到nF级。本文分析以0.1 nF为例。

4) 假设各寄生电容器在调制算法的各个段内都能达到稳定状态。

根据上述假设和分析，可以将图1系统中存在的共模电流回路近似为如图2所示。

图2 电机控制器共模电流回路图

图2中，Ca、Cb、Cc为三相线对其屏蔽层寄生电容器;Cab、Cbb、Ccb为三相定子对电机轴的寄生电容器;C1为电机外壳对车架寄生电容器;C5为电池外壳对车架寄生电容器;C2为电机轴对车架的寄生电容器(考虑到电机轴对车架之间加绝缘件的情况)；C3、C4分别为正负高压线对其屏蔽层的寄生电容器；C6为电机轴对外壳的寄生电容器。将图2中的电路进行等效简化，如图3所示。

图3 共模电流回路等效简化图

图3中，C11=C12=C13=Cac，C33=C34=Cdc，且Cac≫C22，Cdc≫C22，因此，可以将整个电机控制器工作的情况用图4(a)、4(b)、4(c)、4(d)来表示；图4(a)中的虚框部分还存在4(b)、4(c)、4(d) 3种情况。

(a) (b) (c) (d)

工况一情况下：

1) 考虑Cac≫C22，Cdc≫C22。最终稳定状态时，Cac上的电压为Udc/3和2Udc/3，Cdc上的电压为Udc/2，C22上的电压为Udc/6。

2) 考虑各外壳对地用短路线连接的情况，则C22短路。最终状态时，Cac和Cdc上的电压为(Cac+Cdc)Udc/(1.5Cac+2Cdc)和(0.5Cac+Cdc)Udc/(1.5Cac+2Cdc)。

工况二与工况一类似，稳定后的电压平台一致。

工况三情况下：

2) 考虑各外壳对地用短路线连接的情况，则C22短路。最终状态时，Cac上的电压为CdcUdc/(3Cac+2Cdc)，Cdc上的电压为(3Cac+Cdc)Udc/(3Cac+2Cdc)和CdcUdc/(3Cac+2Cdc)。

工况四与工况三类似，稳定后的电压平台一致。

总结上述分析如下：

1) 当外壳不接地时，Cac上的最大电压为2Udc/3，Cdc上的最大电压为Udc/2，C22上的最大电压为Udc/2。

2) 当外壳接地时，Cac上的最大电压为max{(Cac+Cdc)Udc/(1.5Cac+2Cdc),(3Cac+Cdc)Udc/(3Cac+2Cdc)}，Cdc上的最大电压为max{(Cac+Cdc)Udc/(1.5Cac+2Cdc),(3Cac+Cdc)Udc/(3Cac+2Cdc)}。

各个工况之间切换时，如出现电压平台最大时，电容器上流过最大的电流，考虑电容器具有寄生电感和寄生电阻来模拟实际共模电流回路中的寄生电感和电阻[10-11]。

以七段法为例，主要包括工况一和工况四互相切换，工况二和工况三互相切换，工况一和工况二互相切换。由此可以看出，Cac电容器上的最大切换电压差为2Udc/3或者(Cac+Cdc)Udc/(1.5Cac+2Cdc)-CdcUdc(3Cac+2Cdc)，此时系统的响应可以按照二阶系统的零状态响应来建模，模型如图5所示。

图5 二阶系统响应模型

图5中Us为最大电压差。当工况切换瞬间等价于K闭合，Rs、Cs、Ls分别为Cac的寄生电阻、等效串联电容和寄生电感。对图5建立微分方程：

锂离子电池的燃烧反应通常是由于电池热失控引发的，热失控通常是指电池内部温度急剧升高使电池快速放热、内部电解液迅速汽化并伴随多种复杂物理化学反应的一种现象，触发锂离子电池热失控有很多种方式，实际锂离子电池的安全问题来自于电池自身缺陷和用电管理不当，以及外部偶然因素。文中采用过充的方式使10 Ah锂离子发生热失控直至电池燃烧为止，测量电池表面温度变化，以及观察电池燃烧现象。

(2)

求解式(2)得电流i如式(3)所示：

i=CsUs(α2+ω2)sin(ωt+β+φ)/(ωeαt)

(3)

式(3)中，β和φ为过程参数，其他参数由式(4)规定：

(4)

由于电流的最大值必然出现在一个周期内，而由式(5)规定的周期值与式(4)的计算结果可以近似为0。故式(3)中的指数函数的值可以近似为1，故式(3)规定电流的最大值可以近似计算如式(6)。

(5)

(6)

同理，C22上的最大电压差为Udc/3，Cdc上的最大电压差为(0.5Cac+Cdc)Udc/(1.5Cac+2Cdc)-Udc/2，可以采用上述分析方法进行分析。

按照上述方法对图2中各个寄生电容器的电流进行计算。为了看清楚各参数对电流的影响，根据式(6)画出共模电流imax与Rs，Ls和Cs之间的关系图如图6所示。

图6 寄生电阻电感电容VS共模电流

分析式(6)、图6可以得到下列规律：

1) 母线电压越高，系统的共模电流越大，导致的EMC问题越严重。

2) 寄生电容越小，或者寄生电感越大，或者电阻越大，共模电流越小。

根据上述规律，对于共模电流的处理可以采取：降低母线电压；增加绝缘(减小寄生电容，但该方法会导致该小寄生电容上存在较大的电压，存在安全问题，不建议采用)；增加共模电感；增加对地电阻等措施[12]。

2 仿真及建议

2.1 仿真验证

为了验证本文引入的方法，参考图2。考虑寄生电容和寄生电阻，在MATLAB的SIMULINK中搭建如图7所示的仿真模型，设置Udc为550 V，开关频率4 000 Hz，调制系数0.28，输出电压频率50 Hz，RLC和RLC1参数都为1 Ω、50 nH、2 nF，RLC9参数为1 Ω、50 nH、0.1 nF，RLC3、RLC4和RLC5参数都为1 Ω、50 nH、0.1 nF，RLC10和RLC8参数都为1 Ω、50 nH、0.1 nF，RLC2、RLC6和RLC7参数都为1 Ω、50 nH、2 nF。部分仿真结果如图8和图9所示。