電機驅動系統EMC設計的案例
電動汽車電機驅動系統EMC設計及測試研究
引言
電機驅動系統作為電動汽車的動力來源及將電能轉換為機械能的關鍵設備，在電力轉換的過程中會產生大量的傳導及輻射騷擾信號，是電動汽車EMC問題的主要零部件之一。
由于監管機構的強制要求及各車廠出于提高自身競爭力的考慮，目前設計人員已對電動汽車的EMC問題做了較多的研究，相關的國家標準也日益為人們所熟知。
其中GB/T18655—2018《車輛、船和內燃機無線電騷擾特性用于保護車載接收機的限值和測量方法》是零部件廠商應用最為廣泛的EMC標準之一，該標準在新修訂的內容中增加了對高低壓部件的適用性部分，包括高低壓耦合的測量方法及高壓部分的限值等，并在附錄I高壓部件的示例中提到帶電機的逆變器。
但該標準未限定測試中電機及控制器應處于的工作狀態，根據文獻的研究，不同工作狀態下電機驅動系統的傳導及發射騷擾性能在不同頻段有不同的表現。除此之外，工業與信息化部在2018年推出了針對性適用于電動汽車用電機驅動系統的EMC標準GB/T36282—2018《電動汽車用驅動電機系統電磁兼容性要求和試驗方法》，此標準從整車應用的角度出發，對電機驅動系統的輻射騷擾限值、輻射抗擾及傳導抗擾、靜電放電抗擾都做了全面的要求，是電機驅動系統較為全面的EMC標準，該標準還對測試時電機驅動系統應處于的工作狀態做了明確要求，得到了認可和廣泛應用。
EMC測試往往是電機驅動系統測試的后期環節，同時也是關鍵環節，若EMC測試的效果不理想，可能導致開發過程較多的重復，同時由于EMC測試資源緊張，其測試費用也十分高昂，廠家一般都難以預留充足的EMC測試整改時間。因而，在設計階段對影響EMC性能的關鍵因素做較為充分的考慮，在方案設計中對可能存在的EMC問題進行設計消除，是設計工程師必須考慮的內容。
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引 言
電機驅動系統作為電動汽車的動力來源及將電能轉換為機械能的關鍵設備，在電力轉換的過程中會產生大量的傳導及輻射騷擾信號，是電動汽車EMC問題的主要零部件之一。
由于監管機構的強制要求及各車廠出于提高自身競爭力的考慮，目前設計人員已對電動汽車的EMC問題做了較多的研究，相關的國家標準也日益為人們所熟知。
其中GB/T18655—2018《車輛、船和內燃機無線電騷擾特性用于保護車載接收機的限值和測量方法》是零部件廠商應用最為廣泛的EMC標準之一，該標準在新修訂的內容中增加了對高低壓部件的適用性部分，包括高低壓耦合的測量方法及高壓部分的限值等，并在附錄I高壓部件的示例中提到帶電機的逆變器。
但該標準未限定測試中電機及控制器應處于的工作狀態，根據文獻的研究，不同工作狀態下電機驅動系統的傳導及發射騷擾性能在不同頻段有不同的表現。除此之外，工業與信息化部在2018年推出了針對性適用于電動汽車用電機驅動系統的EMC標準GB/T36282—2018《電動汽車用驅動電機系統電磁兼容性要求和試驗方法》，此標準從整車應用的角度出發，對電機驅動系統的輻射騷擾限值、輻射抗擾及傳導抗擾、靜電放電抗擾都做了全面的要求，是電機驅動系統較為全面的EMC標準，該標準還對測試時電機驅動系統應處于的工作狀態做了明確要求，得到了認可和廣泛應用。
EMC測試往往是電機驅動系統測試的后期環節，同時也是關鍵環節，若EMC測試的效果不理想，可能導致開發過程較多的重復，同時由于EMC測試資源緊張，其測試費用也十分高昂，廠家一般都難以預留充足的EMC測試整改時間。因而，在設計階段對影響EMC性能的關鍵因素做較為充分的考慮，在方案設計中對可能存在的EMC問題進行設計消除，是設計工程師必須考慮的內容。
展開 汽車專題第五期 |新能源汽車—電機篇（一）
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5.新能源汽車電機驅動系統
主要內容：電動機類型、新能源驅動系統中電動機的功用、新能源汽車對驅動電機的性能要求、直流電動機、三相異步感應電動機、永磁同步電動機、磁阻電動機...
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6.電動汽車電機驅動系統EMC設計及測試研究
主要內容：電機驅動系統EMC影響因素分析、電機驅動系統EMC設計要點、測試案例、總結...
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7.某PHEV 汽車電機冷卻系統熱管理策略優化
主要內容：插電式混合動力汽車熱管理系統設計、電機冷卻系統匹配分析、電子控制策略優化、電子水泵能耗分析、電子水泵控制策略優化、結論...
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8.新能源汽車電機加載輻射發射測試研究
主要內容：研究背景、測試方法與數據分析、結論...
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9.新能源汽車電機驅動技術
主要內容：汽車“5維”空間的基本內容、電動化基本點是電機驅動技術的應用、汽車驅動電機的基本類型、汽車驅動電機的車載電源系統、汽車驅動電機布置形式、電動差速器、電機驅動輔助發動機驅動技術...
展開 汽車專題第七期 |新能源汽車—電機篇（三）
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5.新能源驅動電機NVH設計與優化
主要內容：電機氣隙對電機性能和NVH的影響、設計方案介紹、仿真分析結果、試驗驗證、總結...
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6.油冷電機技術講解
主要內容：電機熱管理系統概述（開放式風冷結構、完全封閉結構、復合結構）、油冷系統（概述、工作原理）、優點與挑戰...
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7.新能源汽車講解丨電機控制器的結構與功能
主要內容：電動汽車驅動電機控制器概述、電動汽車驅動控制器的基本結構（殼體與連接器、電子控制元件、電氣控制元件、電氣功率性元件）、驅動電機控制器的功能（CAN通訊、能量轉換、扭矩執行、放電功能、安全保護功能）...
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8.電動汽車電機驅動系統EMC設計及測試研究
主要內容：電機驅動系統EMC影響因素分析（騷擾來源、傳播路徑）、電機驅動系統EMC設計要點、測試案例、總結...
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9.一文了解新能源汽車常用的驅動電機類型及原理
主要內容：交流異步電機（結構、工作原理、優缺點和應用范圍）、永磁同步電機（結構、工作原理、優缺點和應用范圍）、開關磁阻電機（結構、工作原理、優缺點和應用范圍）、總結...
展開 
會后分享 | 驅動系統EMC仿真分析技術
本文由上海安世亞太高頻電磁工程師王晨希先生在昆山舉辦的中國新能源汽車零部件展會的同期研討會上所發表的演講，此內容詳細地講解了驅動系統EMC仿真分析技術。
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知識專區—高頻
干貨 | 采用三電機設計方案的Audi E-tron S車用電驅動系統
圖1 提高E-tron系列續航里程的措施
研究人員將電池SOC 從88%提升到91%，并通過大量試驗證明了電池系統的穩定性。SOC的提升充分延長了系統使用壽命。
當車輛以低負荷行駛時，E-tron前驅系統中的電機得以解耦。這意味著電力電子裝置不會再向電機輸入脈沖電流。相應減少的能量消耗可以提高車輛效率。該措施可以通過優化電力電子功能來實現，重新連接電機時不會影響其舒適性或敏捷性。
降低制動器的殘留制動力矩及優化制動盤清潔功能也可以提高整車續航里程。研究人員通過進一步優化熱管理系統，減少了冷卻液回路中的流量和冷卻液泵的功耗。
與最初發布的E-tron車型相比，E-tron運動型多功能汽車(SUV)的續航里程增加約25 km。
Sportback車型因具有更好的風阻系數，其在WLTP工況下的續航里程較SUV的續航里程增加了約10 km。
2 電機驅動
_
Audi公司旗下的研究人員針對E-tron系列車型開發了配備有高度通用化組件的智能電驅動系統。為了最大程度地利用車輛安裝空間，研究人員通過設計優化，在前驅動系統上采用了平行軸異步電機，后驅動系統則采用同軸異步電機。前后驅動系統的電機結構相似，只是有效長度不同(分別為120 mm 和210 mm)。同樣，研究人員還將電力電子裝置設計為通用化組件，僅在軟件版本和直流(DC)接口方面有所不
同。
展開 新能源電機控制系統EMC如何帶載測試
背景
新能源汽車與傳統汽車，動力系統發生截然不同的改變，由新能源汽車的三電系統取代傳統的燃油發動機系統。三電系統就是指動力電池系統、電驅系統、電控系統，其核心技術在于電池管理、電機驅動設計和電控管理。
新能源汽車的時代即將到來，有鑒于國內缺乏相關的電磁兼容測試能力，為此上海樂來投入資金、人力建立起上海第一間具備三電系統電磁兼容測試能力的EV motor電磁兼容實驗室。
上汽集團-榮威e50
2.什么是EV motor電磁兼容暗室
EV motor電磁兼容暗室與傳統的汽車零部件暗室相比增加了測功機系統、電池模擬器系統和DUT(被測件)冷卻/加熱系統等。
3.驅動軸的電磁屏蔽設計
在CISPR 25:2016版及中國國標即將發布的最新版GB18655中的輻射發射測試和傳導發射測試測試，都同時增加新能源汽車的關鍵零部件『驅動電機』的帶載測試，此帶載測試需能分別實現驅動電機的驅動加載及發電加載等兩種工況。且在標準中建議的加載方式為使用穿墻軸的測功機。此時，測功機的驅動軸設計將是一大難點與挑戰。因為必須保證穿墻的驅動軸能滿足標準的測試配置的距離要求、保證暗室仍有良好的屏蔽性能、保證安全的高轉速高扭矩測試工況、保證驅動軸轉動時不會積累靜電荷、避免驅動軸的天線效應等致關重要的幾點考慮。
3.1 驅動電機的加載模式：N/T, T/N.
N/T模式：轉速扭矩模式，測功機提供轉速，電機提供扭矩。T/N模式：扭矩轉速模式，電機提供轉速，測功機提供扭矩。無論是N/T模式，還是T/N模式，測功機的限值監控顯得相當重要，防止誤操作導致測功機飛車。
4.高低壓耦合測試
高低壓耦合測試是CISPR 25:2016版標準中增加了一項測試，它包括兩種方法：S參數網絡分析儀法和注入法，其中注入法包括傳導電壓發射法、傳導電流發射、輻射發射法.
展開 精確建模，無縫集成 | 《ANSYS電機驅動系統設計仿真解決方案》現已開放領取
IGBT應用及封裝設計
· IGBT特征化建模和開關特性測試
· IGBT寄生參數提取及系統性能分析
· IGBT電磁性能分析和傳導路徑優化
· IGBT多物理場耦合特性分析
· IGBT熱模型提取及系統性能分析
· IGBT輻射干擾分析
2. 驅動/控制系統設計
3. 永磁同步電機降階模型抽取
· 永磁同步電機降階模型原理
· ECE模型提取流程（以永磁同步電機PMSM為例）
· IPM電機ECE模型抽取
· 矢量控制算法仿真（Clark、Park、SVPWM）
4. 控制代碼自動生成
· 功能原理
· 模塊構成
----SCADE Suite Advanced Modeler（高級建模器）
----SCADE Suite MTC（模型覆蓋率分析）
----SCADE Suite KCG（代碼生成器）
----SCADE Suite RM GATEWAY（需求管理工具）
· 應用方案技術指標
· 應用方案特點
5. 電驅動系統集成化設計
6. 電驅動系統EMI/EMC
· 重要性
· 技術難題
· ANSYS解決方案
· ANSYS解決方案的典型應用
----線纜選型和寄生參數提取
----線纜電磁輻射分析與布局優化
----電磁設備傳導及輻射特性分析
----PCB控制板的電磁干擾分析
----機箱機柜屏蔽效能分析
----系統電磁環境對醫療設備的干擾
----系統設備布局和電磁隔離度分析
7. 電驅動系統熱設計
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展開 步進電機的硬件電路設計 步進電機驅動原理及方法
[導讀] 步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器。
步進電機是一種感應電機，它的工作原理是利用電子電路，將直流電變成分時供電的，多相時序控制電流，用這種電流為步進電機供電，步進電機才能正常工作，驅動器就是為步進電機分時供電的，多相時序控制器。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能像普通的直流電機，交流電機在常規下使用。它必須由雙環形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業知識。步進電機作為執行元件，是機電一體化的關鍵產品之一，廣泛應用在各種自動化控制系統中。隨著微電子和計算機技術的發展，步進電機的需求量與日俱增，在各個國民經濟領域都有應用。
步進電機的硬件電路設計
1、單片機的選擇
本次設計以CPU選用89C5l作為步進電機的控制芯片．89C51的結構簡單并可以在編程器上實現閃爍式的電擦寫達幾萬次以上．使用方便等優點，而且完全兼容MCS5l系列單片機的所有功能。AT89C51是一種帶4K字節閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROM—FAlsh ProgrAmmABle And ErAsABle ReAd Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術制造，與工業標準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，為很多嵌入式控制系統提供了一種靈活性高且價廉的方案
1.1單片機的引腳功能：
（1）VCC（40）：電源+5V。
展開 行業應用方案 | 電機與驅動控制系統
Ansys 行業應用方案連載（9） | 電機與驅動控制系統
電機與驅動控制系統廣泛應用于工業設備、能源、國防軍工、家電、伺服控制、機器人、新能源汽車、軌道交通等領域，是高性能家電、新能源汽車、智能制造、機器人、軌道交通等高新應用的核心技術之一。
根據不同的行業應用場景，電機與驅動控制系統的發展趨勢是不一樣的。工業電機主要以高效率節能為發展方向；家用電器以低成本、低噪聲、高效率的直驅電機為發展方向；新能源汽車電機以全周期運行區間的整體效率、低NVH、低成本、小體積、高可靠性為發展方向；國防軍工以高可靠性、高性能的特種電機為主。
綜合來看，電機與驅動控制系統的技術熱點是電機的多學科性能優化、NVH分析、EMC分析以及電驅動系統的系統分析，這些熱點問題同時也是技術難點，大多都需要多學科多物理域的綜合分析。
電機設計是一個典型的多物理場問題，它涉及到多個領域包括電磁、結構、控制、流體和溫度等。隨著新材料、新工藝以及各種電機新技術的發展，以及市場競爭的加劇，電機設計的要求越來越苛刻，精度要求越來越高。
以往很多電機設計的問題，可以用裕量設計的方法來解決，例如加大體積減小溫升，通過斜槽等等來降低脈動，加大重量來提高效率和降低噪聲，現在這些方法由于成本壓力往往都行不通。現在需要提高設計精度，通過仿真來減少電機設計中的諸多問題。
展開 800V電驅動系統詳細解析 800V電驅動系統設計技術詳解
本文想從Vitesco發布的800V電驅動技術---800V電橋系統應用帶來的系統效率提升開始，看看800V應用帶來的機會和挑戰。
前言
交通運輸行業的全球電氣化需要開發高效且具有成本效益的電氣化動力系統解決方案。牽引系統中 800 V 的應用實現了快速充電的優勢，并可以減少導體的橫截面積以降低重量和成本。
由于電池仍然是電驅動系統的最主要成本構成，因此以最高效的方式使用電池提供的能量是很重要的，從電能到機械能的轉換效率即電驅動系統效率就顯得及其重要。為了提高效率，必須減少功率損耗：①逆變器的功率損耗必須保持在較低水平，②同時必須降低電動機的諧波損耗。碳化硅 (SiC) 技術的應用，為 800 V 系統提供了實現這兩個目標的可能性。
眾所周知，SiC功率器件比硅Si更高效，因為輕載導通損耗和開關損耗都更低。SiC技術可實現更高的開關頻率，從而通過降低諧波損耗來提高電機的效率。SiC半導體材料特性、效率優化的模塊設計以及改進的控制技術相結合，組成了由逆變器 和電機組成的高效牽引系統。
展開 
深度解讀混合動力汽車雙電機驅動系統
本文以混合動力雙電機系統構型為切入點，對本田i-MMD系統和榮威 EDU系統進行了方案描述，重點分析了雙電機系統的工作模式及控制原理，同時對雙電機系統起步控制和換擋協調控制過程進行了說明。
1. 本田i-MMD雙電機系統構型
本田雅閣i-MMD（Intelligent Multi-Mode Drive）系統技術方案結構如圖1所示，其動力驅動系統主要包括2.0 L發動機、驅動電機、發電機、離合器以及傳動機構等。其中，驅動電機、發電機以及離合器集成形成了電動耦合 e-CVT，取代了傳統的變速箱，發電機始終與發動機相連，主要用于發電，驅動電機與驅動車輪相連，主要用于驅動車輛行駛，在制動的時候，電機可以回收能量對電池進行充電。
圖一
雅閣混合動力汽車搭載了 i-MMD 雙電機系統，整車動力來源采用了以驅動電機為主，發動機為輔的設計，可以實現純電動、混合動力以及發動機直驅的模式功能。純電動模式下利用驅動電機驅動車輪；混動模式下發動機啟動通過發電機給驅動電機充電，再讓驅動電機驅動車輪；發動機直驅模式下離合器閉合，發動機作為動力源與傳動系相連驅動車輪。通過三種模式有效切換，使得車輛表現出了更為出色的動力與節油優勢。
2. 本田i-MMD雙電機系統工作模式
（1）純電動模式驅動
在純電動模式下，動力系統能量傳遞如圖2中所示的箭頭方向。在這種模式下，發動機不工作，動力分離裝置離合器斷開，驅動車輛行駛的能量直接來源于動力電池，動力電池儲存的電能經由逆變器提供給驅動電機，驅動電機驅動車輛前進或者后退。在車輛制動時，所產生的能量將被回收充入動力電池內進行儲存。
圖2
（2）混合動力模式驅動
在混合動力模式下，動力系統能量傳遞如圖3中所示的箭頭方向。
展開 行業應用方案 | 電機與驅動控制系統
電機與驅動控制系統廣泛應用于工業設備、能源、國防軍工、家電、伺服控制、機器人、新能源汽車、軌道交通等領域，是高性能家電、新能源汽車、智能制造、機器人、軌道交通等高新應用的核心技術之一。
根據不同的行業應用場景，電機與驅動控制系統的發展趨勢是不一樣的。工業電機主要以高效率節能為發展方向；家用電器以低成本、低噪聲、高效率的直驅電機為發展方向；新能源汽車電機以全周期運行區間的整體效率、低NVH、低成本、小體積、高可靠性為發展方向；國防軍工以高可靠性、高性能的特種電機為主。
綜合來看，電機與驅動控制系統的技術熱點是電機的多學科性能優化、NVH分析、EMC分析以及電驅動系統的系統分析，這些熱點問題同時也是技術難點，大多都需要多學科多物理域的綜合分析。
電機設計是一個典型的多物理場問題，它涉及到多個領域包括電磁、結構、控制、流體和溫度等。隨著新材料、新工藝以及各種電機新技術的發展，以及市場競爭的加劇，電機設計的要求越來越苛刻，精度要求越來越高。
以往很多電機設計的問題，可以用裕量設計的方法來解決，例如加大體積減小溫升，通過斜槽等等來降低脈動，加大重量來提高效率和降低噪聲，現在這些方法由于成本壓力往往都行不通。現在需要提高設計精度，通過仿真來減少電機設計中的諸多問題。
展開 新能源汽車電機驅動系統關鍵技術展望
（三）功率組件的集成設計
國際上典型的電機控制器產品為適應新能源汽車高功率密度、長壽命與高可靠性的要求，大多數的功率半導體模塊封裝均為定向設計[4]，功率半導體器件與其他電子部件之間的界限日趨融合，基于器件的集成設計已成為新能源汽車電機控制器發展的新趨勢。
器件級集成設計技術主要分為物理集成與需求集成設計。物理集成設計是通過研究電機各個器件之間物理結構的集成設計方法，實現寄生參數、散熱、機械強度等的平衡優化，實現機、電、熱、磁等的最優設計，最終達到電機控制器高功率密度、高可靠性的設計目標。需求集成設計技術是指將整車和電驅動系統需求向前延伸至IGBT芯片設計、功率模塊封裝領域，根據整車設計與性能需求，建立以整車需求為導向，由系統向核心零部件自上而下的優化設計方法。其所帶來的優勢將是整車續航里程的增加或電池容量需求的降低。
（四）其他關鍵技術
除上文所述三大關鍵技術以外，還有下述幾個關鍵技術需要在未來的新能源汽車產業引起重視。
（1）EMC與可靠性設計也是實現新能源汽車電機控制器產業化的關鍵技術。EMC與可靠性設計是評價電力電子產品的關鍵指標。進行更有效的EMC設計是業內一直在追尋的目標。其中，基于有限元分析的方法建立“元件-部件-控制器”的EMC高頻仿真模型，研究失效機理，并結合試驗驗證，最終實現電磁兼容的正向設計，將逐漸成為主流的技術路線。
（2）汽車功能安全設計可以消除或顯著降低由電子與電氣系統的功能異常而引起的各類整車安全風險。當前電機控制器功能安全需求多為ASIL C等級，但在未來，電機控制器功能安全需求或將提升為ASIL D級，這需要復雜度更高、冗余性更強、可靠性指標更高的電機控制器產品設計[5]。
（3）電機控制器產品的可靠性設計。電機控制器作為新能源汽車的核心驅動單元，其可靠性指標直接影響著整車的駕乘體驗與市場口碑。
展開 深度解讀混合動力汽車雙電機驅動系統
本文以混合動力雙電機系統構型為切入點，對本田i-MMD系統和榮威 EDU系統進行了方案描述，重點分析了雙電機系統的工作模式及控制原理，同時對雙電機系統起步控制和換擋協調控制過程進行了說明。
1. 本田i-MMD雙電機系統構型
本田雅閣i-MMD（Intelligent Multi-Mode Drive）系統技術方案結構如圖1所示，其動力驅動系統主要包括2.0 L發動機、驅動電機、發電機、離合器以及傳動機構等。其中，驅動電機、發電機以及離合器集成形成了電動耦合 e-CVT，取代了傳統的變速箱，發電機始終與發動機相連，主要用于發電，驅動電機與驅動車輪相連，主要用于驅動車輛行駛，在制動的時候，電機可以回收能量對電池進行充電。
圖一
雅閣混合動力汽車搭載了 i-MMD 雙電機系統，整車動力來源采用了以驅動電機為主，發動機為輔的設計，可以實現純電動、混合動力以及發動機直驅的模式功能。純電動模式下利用驅動電機驅動車輪；混動模式下發動機啟動通過發電機給驅動電機充電，再讓驅動電機驅動車輪；發動機直驅模式下離合器閉合，發動機作為動力源與傳動系相連驅動車輪。通過三種模式有效切換，使得車輛表現出了更為出色的動力與節油優勢。
2. 本田i-MMD雙電機系統工作模式
（1）純電動模式驅動
在純電動模式下，動力系統能量傳遞如圖2中所示的箭頭方向。在這種模式下，發動機不工作，動力分離裝置離合器斷開，驅動車輛行駛的能量直接來源于動力電池，動力電池儲存的電能經由逆變器提供給驅動電機，驅動電機驅動車輛前進或者后退。在車輛制動時，所產生的能量將被回收充入動力電池內進行儲存。
圖2
（2）混合動力模式驅動
在混合動力模式下，動力系統能量傳遞如圖3中所示的箭頭方向。
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