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新能源汽車動(dòng)力電池及其管理系統(tǒng)的EMC測試與整改案例
2020-07-28 22:20:07· 來源：電動(dòng)學(xué)堂
0引言BMS是電池包的關(guān)鍵和核心，在實(shí)現(xiàn)整車能量管理的同時(shí)，肩負(fù)著準(zhǔn)確估計(jì)多項(xiàng)控制策略的功能。汽車電子部件的電磁兼容性能指該部件在其所處的車內(nèi)及車外電磁環(huán)
0引言
BMS是電池包的關(guān)鍵和核心，在實(shí)現(xiàn)整車能量管理的同時(shí)，肩負(fù)著準(zhǔn)確估計(jì)多項(xiàng)控制策略的功能。汽車電子部件的電磁兼容性能指該部件在其所處的車內(nèi)及車外電磁環(huán)境中符合功能要求穩(wěn)定運(yùn)行并且不對其他部件產(chǎn)生無法忍受的電磁騷擾。
BMS在整車運(yùn)行功能中的重要性要求其必須具備優(yōu)良的電磁兼容性能。
一直以來，對于BMS的EMC測試沒有相應(yīng)的國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其測試項(xiàng)目以及性能要求，各大主機(jī)廠以及供應(yīng)商均采用汽車零部件通用標(biāo)準(zhǔn)，或者采用由這些通用標(biāo)準(zhǔn)以及企業(yè)自身狀況制定的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，造成了對于BMS EMC性能一直沒有一個(gè)統(tǒng)一的要求，直到GB/T38661-2020的發(fā)布。
2020年03月31日，國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會發(fā)布了GB/T38661—2020《電動(dòng)汽車用電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件》標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)于2020年10月01日起實(shí)施。該標(biāo)準(zhǔn)對電動(dòng)汽車用電池管理系統(tǒng)的參數(shù)測量精度、SOC估算精度、電氣適應(yīng)性以及環(huán)境適應(yīng)性等性能進(jìn)行要求的同時(shí)，對其電磁兼容性能亦作出要求，包括電磁兼容檢驗(yàn)項(xiàng)目、需滿足的等級要求以及依據(jù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等內(nèi)容。
本文首先針對該標(biāo)準(zhǔn)中對于BMS電磁兼容性的要求進(jìn)行解析，隨后結(jié)合實(shí)際測試指出當(dāng)前BMS較容易出現(xiàn)的EMC問題，最后給出了一些在設(shè)計(jì)階段降低EMC風(fēng)險(xiǎn)的建議。
1 GB/T38661-2020EMC測試解析
GB/T38661-2020《電動(dòng)汽車用電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件》規(guī)定，在進(jìn)行BMS的EMC試驗(yàn)時(shí)，應(yīng)由BMS生產(chǎn)企業(yè)提供電池，與BMS一起構(gòu)成基本測試單元模擬實(shí)際安裝情況進(jìn)行試驗(yàn)。
試驗(yàn)過程中記錄電池管理系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)（單體或電芯組電壓采集通道數(shù)不少于2個(gè)，溫度采集通道數(shù)不少于1個(gè)），并與檢測設(shè)備檢測的對應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。應(yīng)使用隔離裝置將輔助設(shè)備（如上位機(jī)及監(jiān)控軟件）進(jìn)行隔離。充放電電流應(yīng)不小于電池管理系統(tǒng)電流測量滿量程的2％。測試系統(tǒng)搭建示意如圖1所示。
在電磁兼容部分，GB/T38661-2020規(guī)定了BMS的電磁騷擾和電磁抗擾兩類試驗(yàn)項(xiàng)目。
其中電磁騷擾類試驗(yàn)項(xiàng)目包括電磁傳導(dǎo)騷擾和電磁輻射騷擾兩項(xiàng)，參考的標(biāo)準(zhǔn)均為GB/T18655 -2010，且均需滿足GB/T18655-2010規(guī)定的3級限值線要求。其中電磁傳導(dǎo)騷擾試驗(yàn)可根據(jù)具體試驗(yàn)對象而選用電壓法和電流探頭法進(jìn)行。
GB/T18655-2010的3級限值線是目前大多數(shù)主機(jī)廠及供應(yīng)商對零部件電磁傳導(dǎo)騷擾及電磁輻射騷擾的評價(jià)指標(biāo)，但也有企業(yè)依據(jù)自身情況并結(jié)合該限值制定自身的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)限值。
雖然電壓法與電流法均是評價(jià)BMS產(chǎn)生的電磁噪聲沿線束向外的傳播，電壓法僅是針對電源線束，而電流法使用電流卡鉗進(jìn)行測試，其不僅能對電源線束的傳導(dǎo)噪聲進(jìn)行測試，亦可將其卡在信號線束上一評估BMS電磁噪聲沿信號線束的傳播情況，故為更好地評估BMS電磁兼容性能，電壓法與電流探頭法均是有必要的。
另一類測試項(xiàng)目是電磁抗干擾測試。電磁抗干擾測試又分為時(shí)域抗干擾和頻域抗干擾，具體測試項(xiàng)目如下表：
BMS 系統(tǒng)進(jìn)行電磁抗擾試驗(yàn)的功能狀態(tài)等級分類如下表：
針對BMS的頻域電磁抗干擾測試，根據(jù)測試頻段的不同，測試方法存在差異。在15Hz~150kHz頻率范圍，主要考核BMS的磁場抗干擾性能，依據(jù)ISO11452-8:2015規(guī)定的試驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)等級為III級；在1MHz~400MHz頻率范圍內(nèi)，依據(jù)GB/T33014.4進(jìn)行60mA電流強(qiáng)度的大電流注入抗擾度測試；在400MHz～2GHz頻率范圍，進(jìn)行場強(qiáng)等級30V/m的自由場法抗擾度試驗(yàn)。如無特殊規(guī)定，BMS頻域法電磁抗擾度的試驗(yàn)結(jié)果需滿足表2中規(guī)定的A級。
針對BMS的時(shí)域電磁抗干擾測試，根據(jù)時(shí)域波形以及耦合形式的差異有具體的區(qū)分。電源線瞬態(tài)傳導(dǎo)抗擾度測試依據(jù)GB/T21437.2-2008標(biāo)準(zhǔn)考核將不同形式額脈沖疊加到BMS電源線上時(shí)BMS的工作狀況，試驗(yàn)嚴(yán)酷等級為III級，針對標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的不同的脈沖，BMS的功能狀態(tài)需要滿足表2中的要求如表3。
信號線/控制線瞬態(tài)傳導(dǎo)抗擾度測試，使用耦合的方式將干擾信號耦合至BMS除電源線以外的其他線束，考核BMS通訊等功能狀態(tài)，依據(jù)GB/T21437.3-2012規(guī)定的試驗(yàn)方法以及III級嚴(yán)酷等級進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，BMS功能狀態(tài)需滿足A級要求。
電快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)依據(jù)GB/T17626.4 -2008規(guī)定的方法，試驗(yàn)嚴(yán)酷度等級III級，BMS功能狀態(tài)需滿足表2中的C級要求。依據(jù)GB/T19951中規(guī)定的方法及測試布置進(jìn)行試驗(yàn)，放電電壓等級如表4，BMS功能狀態(tài)應(yīng)滿足表2中的A。
2 BMS的電磁騷擾問題及分析
對某一款電池包及管理系統(tǒng)進(jìn)行電磁騷擾測試時(shí)，發(fā)現(xiàn)其電磁騷擾超過GB/T18655-2010的III級限值，以電流法為例進(jìn)行測試結(jié)果分析并進(jìn)行整改優(yōu)化。試驗(yàn)布置2如圖2所示。
圖3為電流探頭在低壓線束，即BMS電源線及信號線，750mm位置時(shí)的測量結(jié)果數(shù)據(jù)。由數(shù)據(jù)可知，在50MHz~108MHz頻段內(nèi)，測量結(jié)果的峰值數(shù)據(jù)和平均值數(shù)據(jù)均有不同程度的超標(biāo)現(xiàn)象。
電流法測試的實(shí)質(zhì)是考察線束上電磁騷擾信號耦合至電流鉗的能量大小。這種信號產(chǎn)生的根源在于PCB內(nèi)部的高頻信號，在PCB印制線之間的寄生電容以及寄生電感的作用下，并有電池包內(nèi)部布線以及機(jī)械結(jié)構(gòu)的影響下，沿線束傳導(dǎo)至電池包外部，最終耦合的電流探頭。
通常情況下的電磁騷擾不合格整改措施分為三種，接地、屏蔽和濾波，相對來說設(shè)計(jì)濾波電路的方式最容易后期工程化。在本案例中，選擇設(shè)計(jì)濾波電路的方式進(jìn)行整改，具體措施如下：
1）在BMS12V電源線和CAN通訊線上增加共模扼流圈以及Y電容（差模電容），如圖4a)所示。
2）在I/O線上增加T型濾波，如圖4b)所示。
整改后的測試結(jié)果電路如圖5所示，從數(shù)據(jù)可看出，此種濾波電路的設(shè)計(jì)在不引起其他頻段超標(biāo)的情況下，能夠?qū)⒃瑯?biāo)頻段的測試數(shù)據(jù)降低至限值線以下，并與限值線具有一定的裕量。
3 BMS的電磁抗擾問題及分析
電磁抗擾試驗(yàn)實(shí)質(zhì)是考察樣品在外界電磁干擾情況下的工作狀態(tài)。在針對某款電池包及其BMS進(jìn)行GB/T38661-2020中規(guī)定的項(xiàng)目進(jìn)行電磁抗擾試驗(yàn)時(shí)，電磁輻射抗擾度（ALSE法）和磁場抗擾度試驗(yàn)均能夠通過測試，但在進(jìn)行大電流注入試驗(yàn)時(shí)，當(dāng)測試強(qiáng)度為50mA時(shí)，BMS不能正常監(jiān)控電池包狀態(tài)。
考慮到后期工程化整改，對于大電流注入試驗(yàn)的整改措施選擇濾波加屏蔽的方式進(jìn)行，在BMS低壓電源電路上增加濾波電路如圖6a)所示，并在CAN通訊線增加屏蔽措施如圖6b）所示。增加上述整改措施后，樣品能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)中要求的60mA大電流注入抗擾等級要求。
4結(jié)束語
在新能源汽車迅猛發(fā)展的背景下，車輛及其零部件的電磁兼容性能在整車的性能評價(jià)中扮演著越來越重要的角色。本文結(jié)合GB/T38661-2020《電動(dòng)汽車用電池管理系統(tǒng)技術(shù)條件》中的電磁兼容部分，針對某一款電池包及其管理系統(tǒng)在測試中遇到的問題進(jìn)行分析并給出了有效的整改措施。
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