用于電動汽車的創(chuàng)新濾波器解決方案

隨著汽車配備的電子系統(tǒng)越來越多，對EMC的要求也隨之增加。對于電動汽車而言(xEV)，由于電機(jī)逆變器額外增加了電力電子設(shè)備，其對EMC的要求更甚。TDK集團(tuán)的新型濾波器解決方案的面市，為解決相關(guān)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(shè)備。而裝載在電動車上的電子設(shè)備，無論是在質(zhì)量還是技術(shù)的要求方面都遠(yuǎn)超應(yīng)用于內(nèi)燃機(jī)車輛的電子設(shè)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(tǒng)的復(fù)雜度不斷增加，除此之外，電動驅(qū)動系統(tǒng)(包括高壓電池、逆變器和至少一個電機(jī))同樣需要使用電子系統(tǒng)。

因此，開發(fā)這種車輛時首先要確保單個系統(tǒng)能夠完美安裝在狹小空間中，并且不會引起彼此干擾，也不會干擾影響車外系統(tǒng)。這些EMC要求必須嚴(yán)格符合CISPR25或EUDirectiveECE-R10等國際標(biāo)準(zhǔn)。

屏蔽電纜引起的EMC問題為有效控制電機(jī)所需的功率和速度，逆變器采用的是脈寬調(diào)制(PWM)的工作模式。而脈沖上升沿或下降沿會在逆變器的輸入和輸出側(cè)引起顯著的EMC問題，如引發(fā)輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射等問題。為了盡可能降低這些EMC問題產(chǎn)生的影響，絕大多數(shù)設(shè)計采用對整個系統(tǒng)進(jìn)行完全電磁密封或屏蔽的理念進(jìn)行開發(fā)。

為了節(jié)省空間并改善重量分布，各種驅(qū)動元件被分開安裝在整個車內(nèi)。比如電池通常放于車尾，逆變器則放置在車頭。電機(jī)安裝在輪軸上，對于輪轂電機(jī)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(fēng)險，主要有三方面原因：1、很容易產(chǎn)生高屏蔽電流，從而引發(fā)高頻區(qū)強(qiáng)輻射性;2、引發(fā)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，從而干擾車輛的低壓系統(tǒng)。

屏蔽電纜、屏蔽電池和逆變器之間的電氣和機(jī)械連接還可能產(chǎn)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(nèi)在振動和沖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(shè)備電磁發(fā)放射性的設(shè)置要求(符合 CISPR25)。

系統(tǒng)(電池和逆變器之間用屏蔽電纜連接)的輻射發(fā)射和傳導(dǎo)發(fā)射性能如圖2所示。

盡管在電池和逆變器之間使用屏蔽電纜可降低輻射發(fā)射(上)，但并不降低傳導(dǎo)發(fā)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(yán)格的EMC要求，TDK集團(tuán)專門針對電動汽車的驅(qū)動系統(tǒng)應(yīng)用，開發(fā)了愛普科斯(EPCOS)P100316*系列2線式高壓直流濾波器。該系列專為600VDC高壓應(yīng)用而設(shè)計，適合高壓電池提供的典型電壓，其電流能力約為150ADC或350ADC，即便驅(qū)動系統(tǒng)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(jù)測試設(shè)置要求可確認(rèn)該新型濾波器的卓越濾波性能。

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(dǎo)干擾。

可以看出，如果使用新型濾波器，即使使用非屏蔽電纜，傳導(dǎo)干擾也可顯著降低達(dá)70dB(或功率因數(shù)為3000)，并且還能可觀地減少個別系統(tǒng)中傳統(tǒng)EMC元件的數(shù)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(yīng)用，因而倍受客戶青睞。產(chǎn)品的尺寸介于121mmx52mmx52mm和186mmx65mmx65mm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(150ADC和350ADC)，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(yīng)用要求的濾波器型號。此外，我們除了提供常規(guī)性能的型號外，還提供在長波頻譜150kHz和300kHz之間具有超強(qiáng)濾波性能的其他型號。

延長電機(jī)壽命

高頻屏蔽電流只代表了確保電磁兼容這一挑戰(zhàn)的一部分。比如，在逆變器的輸出端，脈沖上升沿會引起電壓尖峰，后者會隨著電纜電感值的增加而增加。一旦環(huán)境條件不利，這些電壓尖峰可能引起電弧，進(jìn)而損壞電機(jī)繞組。與此同時，漏地電流也會隨之產(chǎn)生，這些電流流過電機(jī)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(bǔ)救辦法是使用鐵氧體環(huán)形磁芯，使電機(jī)電纜穿過這些磁芯。這樣可顯著降低共模干擾和漏地電流，確保其不超過臨界值。在此，TDK集團(tuán)也提供了多種解決方案，如具有不同幾何形狀的環(huán)形磁芯和不同材料的鐵氧體，且這些產(chǎn)品可針對特定頻率區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，根據(jù)每個驅(qū)動系統(tǒng)量身定制。

表：愛普科斯(EPCOS)2線式HVDC濾波器的技術(shù)數(shù)據(jù)