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東風(fēng)日產(chǎn) | 電動(dòng)車輛直流充電電流對電磁輻射的影響

2020-03-21 14:11:50·  來源：公眾號：電動(dòng)學(xué)堂  
　
文章來源：《電動(dòng)車輛直流充電電流對電磁輻射的影響》作者單位：東風(fēng)汽車有限公司東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司技術(shù)中心引言隨著我國汽車保有量的不斷增長，燃油車尾氣排放
文章來源：《電動(dòng)車輛直流充電電流對電磁輻射的影響》
作者單位：東風(fēng)汽車有限公司東風(fēng)日產(chǎn)乘用車公司技術(shù)中心
 
引 言
 
隨著我國汽車保有量的不斷增長，燃油車尾氣排放污染成為公眾關(guān)注的熱點(diǎn)話題 ?而具有零排放污染的純電動(dòng)汽車的發(fā)展成為國家節(jié)能減排的重要舉措 ?近年來，電動(dòng)汽車銷量不斷增長，電動(dòng)汽車的電磁兼容性作為車輛的重要性能指標(biāo)意義重大?
 
電動(dòng)車輛直流充電工況的電磁輻射發(fā)射對充電站附近的無線電接收機(jī)工作具有較大影響?聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)對乘用車電磁兼容的統(tǒng)一規(guī)定(ECE/ R10.05) 提出了電動(dòng)車輛充電工況下的電磁輻射發(fā)射要求，該實(shí)驗(yàn)考察30MHz ~1GHz 的寬帶發(fā)射是否滿足標(biāo)準(zhǔn)所要求的限值?標(biāo)準(zhǔn)要求充電工況下的電磁輻射發(fā)射實(shí)驗(yàn)所需充電電流值為最大充電電流的80%，直流充電工況下，該充電電流值在實(shí)際測試過程中存在諸多問題?隨著動(dòng)力電池包容量和能量密度的快速增長，可允許充電電流越來越大?電磁兼容測試用電波暗室所配備直流充電機(jī)為滿足80% 的最大充電電流值，涉及電波暗室更新和改造成本大?目前已銷售安裝的部分充電機(jī)功率也無法滿足電動(dòng)車輛80% 的最大充電電流需求，從而使電動(dòng)車輛在小電流工況下進(jìn)行充電，存在實(shí)際工況與實(shí)驗(yàn)要求工況不一致的情況?另外，該實(shí)驗(yàn)要求測試過程中動(dòng)力電池包的荷電狀態(tài)(SOC) 為20% ~80%，若在80%的最大充電電流下，動(dòng)力電池包的SOC 短時(shí)間內(nèi)會(huì)超過80%，當(dāng)需要重復(fù)進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)時(shí)，為滿足SOC 要求，需對電池包進(jìn)行反復(fù)的充放電，并需要反復(fù)多次測試，效率低下?測試數(shù)據(jù)一致性難以保證，且浪費(fèi)能源?
 
針對上述問題，本文從理論上分析了直流充電參數(shù)對電動(dòng)車輛高壓系統(tǒng)電磁輻射干擾量的影響，表明電動(dòng)車輛直流充電電流不是影響整車直流充電工況電磁輻射干擾量的關(guān)鍵性因素?最后通過實(shí)際電動(dòng)車輛不同直流充電電流下電磁輻射發(fā)射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了所提出觀點(diǎn)的合理性?
 
1 直流充電工況電磁輻射發(fā)射實(shí)驗(yàn)及所存在的問題
1.1 直流充電工況電磁輻射發(fā)射實(shí)驗(yàn)
聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)對乘用車電磁兼容的統(tǒng)一規(guī)定(ECE/ R10.05) 提出了電動(dòng)車輛直流充電工況下的電磁輻射發(fā)射要求，本文所述直流充電工況電磁輻射發(fā)射實(shí)驗(yàn)參照ECE/ R10.05?
 
1.1.1 實(shí)驗(yàn)布局
實(shí)驗(yàn)在半電波暗室中進(jìn)行，直流充電機(jī)設(shè)置在電波暗室外，充電線纜通過濾波器將電源和信號線引入電波暗室內(nèi)，并在轉(zhuǎn)臺(tái)上設(shè)置直流充電插座?被測試車輛放置在轉(zhuǎn)臺(tái)，其基本測試布局如圖1 所示?
 
1.1.2 實(shí)驗(yàn)車輛狀態(tài)
 
直流充電工況電磁輻射發(fā)射實(shí)驗(yàn)中，車輛的工作狀態(tài)如下:
1) 動(dòng)力電池包的荷電狀態(tài)(SOC) 處于最大SOC 的20% ~80%之間?
2) 車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，各車載電子電氣部品均處于關(guān)閉狀態(tài)?
3) ECE/ R10.05 要求測試電流為最大充電電流的80%，本文所述實(shí)際電動(dòng)車輛直流充電工況電磁輻射發(fā)射實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析采用的不同測試電流值分別為20A?40A?60A?80A和100A?
 
1.2 直流充電工況電磁輻射發(fā)射實(shí)驗(yàn)所存在的問題
目前，直流充電工況下電磁輻射發(fā)射實(shí)驗(yàn)要求充電電流為最大值的80%?隨著動(dòng)力電池包容量和能量密度的快速增長，車輛可允許最大充電電流同步增長迅速?電波暗室已配備直流充電機(jī)將無法滿足未來大多數(shù)車輛的測試要求，涉及電波暗室設(shè)備更新和改造成本大?
 
現(xiàn)在，直流充電站已安裝的部分直流充電機(jī)的功率也無法滿足電動(dòng)車輛80% 的最大充電電流需求?在進(jìn)行某電動(dòng)車輛直流充電兼容性測試時(shí)，目前北上廣深等大型城市和高速公路的充電機(jī)最大充電電流分布的初步調(diào)查結(jié)果如圖2 所示，250A 直流充電機(jī)占比約為66%，120A 和90A 充電機(jī)占比分別約為28%和6%?而目前120A 和90A 直流充電機(jī)已無法滿足市場上很多200A 和250A 電動(dòng)車輛最大充電電流的80%?隨著電動(dòng)車輛直流充電電流需求的進(jìn)一步增長，250A 直流充電機(jī)也將無法滿足實(shí)驗(yàn)要求，且電動(dòng)車輛將無法避免在低于最大充電電流80%的實(shí)際工況下進(jìn)行充電?
 
另外，當(dāng)采用大于80% 的最大充電電流值進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)時(shí)，由于實(shí)驗(yàn)要求采用準(zhǔn)峰值檢波器?若采用頻率掃描方式，測試時(shí)間超過1h，電池包SOC 無法一直處于20% ~80%，該實(shí)驗(yàn)需要進(jìn)行反復(fù)充放電分段測試?若采用時(shí)域掃描方式，單次實(shí)驗(yàn)的測試時(shí)間大約為30min，實(shí)驗(yàn)完成時(shí)，動(dòng)力電池包的SOC 約為80%?若為了解析課題，需要重復(fù)進(jìn)行該實(shí)驗(yàn)，或繼續(xù)進(jìn)行其他充電類電磁兼容實(shí)驗(yàn)時(shí)，需對電動(dòng)車輛動(dòng)力電池包進(jìn)行反復(fù)的充放電?上述情況均會(huì)導(dǎo)致效率低下和浪費(fèi)能源?
綜上所述，標(biāo)準(zhǔn)要求的大于80% 的最大充電電流在實(shí)圖2 直流充電機(jī)最大充電電流分布際應(yīng)用中存在上述諸多問題?為此，本文通過理論和實(shí)際測試數(shù)據(jù)分析了電動(dòng)車輛直流充電工況，充電電流大小對整車電磁輻射干擾量的影響?
 
2 直流充電參數(shù)對高壓系統(tǒng)電磁輻射干擾量的影響
根據(jù)第1 章節(jié)中所描述的直流充電工況下電磁輻射發(fā)射實(shí)驗(yàn)的目的和實(shí)驗(yàn)方法，本文通過理論分析了各充電參數(shù)對高壓系統(tǒng)電磁輻射干擾量的影響，明確了該實(shí)驗(yàn)中影響電磁輻射干擾量大小的關(guān)鍵性因素?
2.1 直流充電工況高壓部件工作狀態(tài)分析
 
典型的純電動(dòng)車輛高壓系統(tǒng)架構(gòu)示意圖如圖3 所示，其高壓部件主要包括車載充電機(jī)(OBC)?高壓電池包及電池管理系統(tǒng)(BMS)?驅(qū)動(dòng)電機(jī)及電機(jī)控制模塊(逆變器)?DC/ DC 變換器?PTC 電加熱器和電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)(A/ C)?
對電動(dòng)車輛各高壓部件在車輛處于不同工況時(shí)的工作狀態(tài)進(jìn)行分析，分析結(jié)果見表1 ?
 
根據(jù)表1 的分析結(jié)果可知，電動(dòng)車輛直流充電工況下處于工作的高壓部件包括高壓電池包?逆變器?DC/ DC 變換器?PTC 電加熱器和電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)(A/ C)?其中，逆變器僅處于高壓上電的Standby 狀態(tài)，沒有實(shí)際的驅(qū)動(dòng)電流輸出?PTC 電加熱器和電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)(A/ C) 的實(shí)際工況取決于車輛或駕駛?cè)说膶?shí)際需求?根據(jù)聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)對乘用車電磁兼容的統(tǒng)一規(guī)定(ECE/ R10.05)，車輛電磁輻射發(fā)射實(shí)驗(yàn)中各高壓部件的工作狀態(tài)要求見表2?直流充電工況電磁輻射發(fā)射實(shí)驗(yàn)中不需要額外開啟PTC 電加熱器和電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)(A/ C)，并且從PTC 電加熱器和電動(dòng)空調(diào)系統(tǒng)(A/ C) 消耗功率和典型工作狀態(tài)的角度分析，走形工況可涵蓋其電磁輻射發(fā)射實(shí)驗(yàn)的測試要求?
 
因此，在直流充電工況下，該實(shí)驗(yàn)處于典型工作狀態(tài)的高壓部件主要是高壓電池包和DC/ DC 變換器?
 
2.2 直流充電工況下的充電參數(shù)
 
2.2.1 直流充電功率
電動(dòng)車輛直流充電工況下，實(shí)際充電功率受兩部分因素影響: 充電機(jī)最大輸出功率和車輛需求功率?當(dāng)電動(dòng)車輛的需求功率大于充電機(jī)最大輸出功率時(shí)，充電機(jī)以最大輸出功率向車輛進(jìn)行充電?
在本文中，不考慮直流充電機(jī)最大輸出功率不滿足車輛需求功率情形，實(shí)際充電功率等于車輛需求功率?直流充電工況下，車輛需求功率主要受高壓電池包和DC/ DC 變換器需求功率的影響，而高壓電池包和DC/ DC 變換器的需求功率影響因素見表3?
 
2.2.2 直流充電電壓和充電電流
 
在整個(gè)充電過程中，BMS 實(shí)時(shí)向充電機(jī)發(fā)送電池充電需求，充電機(jī)根據(jù)電池充電需求不斷調(diào)節(jié)充電電壓和充電電流以保證充電過程正常進(jìn)行，直至充電結(jié)束?直流充電過程中的充電電壓主要取決于高壓電池包電壓，而高壓電池包電壓隨著充電過程中SOC 的不斷升高而升高?
 
直流充電工況電磁輻射發(fā)射實(shí)驗(yàn)中，車輛的工作狀態(tài)要求動(dòng)力電池包的荷電狀態(tài)(SOC) 處于最大SOC 的20% ~80%之間?其對應(yīng)的輸入電壓隨著電池包SOC 的變化會(huì)在一定范圍內(nèi)變化，某一純電動(dòng)汽車SOC 率與電池包電壓關(guān)系實(shí)測數(shù)據(jù)如圖4 所示?
 
2.3 各充電參數(shù)對整車電磁輻射量的影響
 
2.3.1 充電功率對直流充電工況電磁輻射干擾量的影響
直流充電工況下，充電功率主要受高壓電池包和DC/DC 變換器的需求功率的影響，來自于直流充電機(jī)電流的流向如圖5 所示?充電能量的絕大部分流向高壓電池包內(nèi)的電池單元并進(jìn)行存儲(chǔ)，小部分流向DC/ DC 變換器及其他高壓部件進(jìn)行消耗?
 
對于高壓電池包，由于其電容的屬性，無論在充電過程中，還是放電過程中，均不會(huì)對空間產(chǎn)生電磁騷擾?相反，還會(huì)在一定程度上對來自于其他部件的電磁騷擾吸收和抑制?
 
對于DC/ DC 變換器，根據(jù)表2 可知，直流充電工況下，不同的充電功率并不會(huì)影響DC/ DC 變換器的需求功率，其僅受連接低壓負(fù)載功率及自身轉(zhuǎn)換效率影響?在進(jìn)行直流充電工況電磁輻射發(fā)射實(shí)驗(yàn)時(shí)，車輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，各低壓車載電子電氣部品均處于關(guān)閉或Standby 狀態(tài)，功率需求保持恒定?
 
在直流充電過程中，充電功率不會(huì)對高壓電池包和DC/DC 變換器的電磁輻射干擾量大小產(chǎn)生影響?但來自直流充電設(shè)備本身的傳導(dǎo)電磁干擾不可忽視?其干擾量的大小將會(huì)影響到電動(dòng)車輛整車的電磁輻射水平，并且與充電機(jī)輸出功率?電壓變化率?電流變換率等存在直接關(guān)聯(lián)?
 
聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)對乘用車電磁兼容的統(tǒng)一規(guī)定(ECE/ R10.05) 重點(diǎn)關(guān)注電動(dòng)車輛本身在直流充電工況下的電磁輻射發(fā)射要求?因此，對于直流充電機(jī)不同輸出功率及充電電流對整車電磁輻射干擾量的影響，本文不作詳細(xì)分析?為了避免直流充電機(jī)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生影響，需保證測試用直流充電機(jī)本身的電磁干擾量足夠低?本文所述實(shí)驗(yàn)室配備直流充電機(jī)電磁干擾量測試數(shù)據(jù)如圖6 所示，實(shí)驗(yàn)室寬帶電磁輻射背景噪聲遠(yuǎn)低于限值要求?
 
2.3.2 直流充電電壓和電流對整車電磁輻射干擾量的影響
 
如2.3.1 章節(jié)所述，高壓電池包在直流充電過程中不會(huì)對空間產(chǎn)生電磁輻射，下面主要分析直流充電電壓和充電電流對DC/ DC 變換器的電磁輻射干擾量的影響?
純電動(dòng)汽車DC/ DC 變換器是高壓電器系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換部件，將高壓小電流轉(zhuǎn)換為低壓大電流傳輸?shù)礁鬈囕d低壓部件，以保證低壓回路正常工作?其內(nèi)部開關(guān)管作動(dòng)時(shí)，電壓和電流會(huì)隨時(shí)間突變?
 
典型的DC/ DC 變換器的開關(guān)管示意圖如圖8 所示?開關(guān)管Q 導(dǎo)通時(shí)，開關(guān)管內(nèi)流過電流I，由于電路中漏感Q 的存在，當(dāng)開關(guān)管Q 關(guān)斷時(shí)，因漏感L 的電感特性，將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非常大的感應(yīng)浪涌電壓U 以阻礙電流的突變，并施加在開關(guān)管Q 上，并產(chǎn)生尖峰電壓?由于浪涌尖峰電壓和寄生電容之間的耦合影響，進(jìn)而產(chǎn)生耦合電流，該耦合電容電流可能與線路電感之間產(chǎn)生振蕩，并且導(dǎo)線與車體之間存在分布電容，最終引起共模輻射發(fā)射?
 
該輻射發(fā)射量的大小與流過開關(guān)管Q 的電流變化率?回路電感量?高壓母線與車體分布電容?共模電流回路面積直接相關(guān)?對于同一測試車輛，其回路電感量?高壓母線與車體分布電容?共模電流回路面積一致，流過開關(guān)管Q 的電流變化率越大，DC/ DC 變換器的電磁輻射干擾量越大?
 
雖然在直流充電工況下DC/ DC 變換器功率并不會(huì)受充電電流大小的影響，但其輸入電壓會(huì)隨著電池包SOC 率的緩慢升高而不斷增大，輸入電流也會(huì)相應(yīng)緩慢減小?
 
式中，W 是功率；U 是輸入電壓；I 是輸入電流?
在功率恒定的情況下，DC/ DC 變換器輸入電壓和輸入電流的變化是影響DC/ DC 變換器電磁輻射干擾量大小的關(guān)鍵因素?而直流充電工況下，DC/ DC 變換器的輸入電壓?輸入電流與直流充電的充電電流無直接關(guān)聯(lián)，所以不同直流充電電流對DC/ DC 變換器的電磁輻射影響很小?
 
3 不同直流充電電流下電磁輻射發(fā)射實(shí)驗(yàn)結(jié)果
為了驗(yàn)證第2 章的理論分析結(jié)果，本文按照第1.1.1 小節(jié)的實(shí)驗(yàn)布局，選取了目前市場上正在銷售的5 款純電動(dòng)車型進(jìn)行了不同直流充電電流下的電磁輻射發(fā)射實(shí)驗(yàn)?
實(shí)驗(yàn)使用的接收機(jī)型號和參數(shù)設(shè)置，測試天線型號和極化方向，測試距離等條件見表4?
 
本文選取了20A?40A?60A?80A 和100A 直流充電電流，對5 款純電動(dòng)車輛(編號A?B?C?D?E) 進(jìn)行了不同直流充電電流工況的電磁輻射發(fā)射實(shí)驗(yàn)，測試結(jié)果分別如圖7 ~ 圖11 所示?
 
 
 
將上述各車型直流充電工況下電磁輻射發(fā)射實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行匯總見表5?車輛A 的最大偏差量為8.919dB?車輛B 在433MHz 和867MHz 附近干擾為車輛非直流充電狀態(tài)下一直存在騷擾，該車在直流充電狀態(tài)下最大偏差量為7.056dB?車輛C 的最大偏差量為4.45dB?車輛D 的最大偏差量為6.979dB?車輛E 的最大偏差量為15.734dB?
 
 
各實(shí)驗(yàn)車輛最大偏差量所對應(yīng)的直流充電電流和電磁輻射強(qiáng)度見表6?車輛A 的最大偏差量對應(yīng)的直流充電電流為40A 和60A，且40A 所對應(yīng)的電磁輻射發(fā)射量較大?車輛B的最大偏差量對應(yīng)的直流充電電流為20A 和60A，且60A 所對應(yīng)的電磁輻射發(fā)射量較大?車輛C 的最大偏差量對應(yīng)的直流充電電流為20A 和100A，且20A 所對應(yīng)的電磁輻射發(fā)射量較大?車輛D 的最大偏差量對應(yīng)的直流充電電流為60A和80A，且60A 所對應(yīng)的電磁輻射發(fā)射量較大?車輛E 的最大偏差量對應(yīng)的直流充電電流為40A 和100A，且100A 所對應(yīng)的電磁輻射發(fā)射量較大?
 
綜上所述，不同直流充電電流工況下，車輛電磁輻射最大偏差量所對應(yīng)的較大發(fā)射量與充電電流大小無相關(guān)性，且最大偏差量所對應(yīng)的兩個(gè)直流充電電流值無規(guī)律?
 
4 結(jié)語與展望
 
本文闡述了直流充電工況下電磁輻射發(fā)射實(shí)驗(yàn)的基本測試要求，分析了目前大于最大充電電流80% 的測試電流值所存在的問題?
 
理論分析了各直流充電參數(shù)對充電過程中整車電磁輻射干擾量大小的影響?電動(dòng)車輛直流充電工況下的電磁輻射發(fā)射量受車輛外部環(huán)境的影響因素主要是來自于直流充電機(jī)的傳導(dǎo)性電磁干擾量，且與直流充電機(jī)充電功率?電壓變化率?電流變換率等存在直接關(guān)聯(lián)?但聯(lián)合國歐洲經(jīng)濟(jì)委員會(huì)對乘用車電磁兼容的統(tǒng)一規(guī)定(ECE/ R10.0 5)重點(diǎn)關(guān)注電動(dòng)車輛自身在直流充電工況下的電磁輻射發(fā)射要求?電動(dòng)車輛本身電磁輻射發(fā)射量受DC/ DC 變換器的工作狀態(tài)，特別是流過DC/ DC 變換器開關(guān)管的電壓和電流變化率的影響，而其電磁輻射發(fā)射量大小與直流充電電流無直接關(guān)聯(lián)?
 
本文通過理論分析和實(shí)際測試數(shù)據(jù)表明，直流充電工況下，充電電流大小不是影響整車電磁輻射發(fā)射干擾量大小的關(guān)鍵性因素?
下一步，在本文的基礎(chǔ)上，研究和明確影響直流充電工況電動(dòng)車輛輻射發(fā)射干擾量大小的關(guān)鍵性因素，提出合理的直流充電測試電流值是后續(xù)的重點(diǎn)工作?可提高該實(shí)驗(yàn)的測試高效性?便利性和準(zhǔn)確性，使該實(shí)驗(yàn)更加節(jié)能和環(huán)保? 
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