電動(dòng)汽車BMS電磁兼容性能優(yōu)化研究

李 旭，王麗芳，何舉剛，汪正勝

(1.重慶長(zhǎng)安汽車工程研究總院，重慶401120;2.中國(guó)科學(xué)院電工研究所，北京100190)

1 引言

電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)對(duì)動(dòng)力電池的電壓、電流和溫度進(jìn)行檢測(cè)，估算荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)，并對(duì)動(dòng)力電池提供有效保護(hù)，是電動(dòng)汽車重要的電控單元，但是BMS所處的電動(dòng)汽車整車電磁環(huán)境異常復(fù)雜。由驅(qū)動(dòng)電機(jī)、電機(jī)控制器(通常包括PWM型DC/AC逆變和AC/DC整流電路)和DC/DC直流變換器等組成的整車動(dòng)力系統(tǒng)工作電壓/電流高、功率大、開關(guān)頻率高，形成較強(qiáng)的電磁干擾［1，2］，它不僅制約著電動(dòng)汽車整車電磁兼容的法規(guī)通過率，還會(huì)影響車內(nèi)BMS等敏感電器系統(tǒng)的正常工作，對(duì)整車的安全可靠運(yùn)行造成威脅。因此，對(duì)電動(dòng)汽車整車及專用器件的電磁兼容性技術(shù)進(jìn)行研究［3-6］，具有重要的理論意義和工程價(jià)值。

結(jié)合重慶長(zhǎng)安汽車股份有限公司某型電動(dòng)車在調(diào)試過程中出現(xiàn)的BMS受電磁干擾，導(dǎo)致采集的動(dòng)力電池電壓/電流出現(xiàn)錯(cuò)誤的實(shí)際問題，筆者研究了電動(dòng)車內(nèi)主要電磁騷擾源及對(duì)BMS耦合干擾的機(jī)理，并通過BMS的有效電磁兼容性設(shè)計(jì)，重點(diǎn)提升了BMS的抗電磁干擾性能，臺(tái)架試驗(yàn)和整車驗(yàn)證結(jié)果表明，經(jīng)EMC優(yōu)化設(shè)計(jì)后的BMS能滿足電動(dòng)汽車復(fù)雜電磁環(huán)境的使用要求。

2 車內(nèi)電磁環(huán)境及對(duì)BMS耦合機(jī)理

2.1 車內(nèi)電磁環(huán)境分析

長(zhǎng)安某型中度混合電動(dòng)汽車動(dòng)力系統(tǒng)布置如圖1所示。整車動(dòng)力系統(tǒng)由額定電壓為144V的鎳氫動(dòng)力電池及BMS、電機(jī)控制器(IPU)、直流變換器(DC/DC)及額定功率為13kW的ISG電機(jī)與1.6L汽油發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)組成。

圖1 動(dòng)力系統(tǒng)布置Fig.1 Layout of motor drive system

2.1.1 低壓電器系統(tǒng)的干擾

首先，電動(dòng)汽車中12V低壓電器系統(tǒng)中的各種開關(guān)、繼電器和直流電機(jī)等電感性部件在通斷過程中會(huì)在電路中形成很高的瞬變電壓，持續(xù)時(shí)間約為1ms，最大幅值可超過－100V。瞬變電壓的主要耦合方式為傳導(dǎo)耦合，通過共用的電源耦合進(jìn)車內(nèi)其他電子系統(tǒng)中。再則，車身控制器、空調(diào)控制器和DVD等部件的主芯片、時(shí)鐘電路、觸發(fā)電路、數(shù)據(jù)線和信號(hào)線等部分在工作過程中，會(huì)形成頻段覆蓋150kHz～2.5GHz的電磁干擾。最后，有刷直流電機(jī)、機(jī)械式電喇叭和點(diǎn)火系統(tǒng)等工作過程中產(chǎn)生的電火花，能形成頻譜很寬的輻射噪聲。

2.1.2 高壓動(dòng)力系統(tǒng)的干擾

動(dòng)力系統(tǒng)工作過程中，電機(jī)控制器IPU和直流變換器的開關(guān)器件IGBT和功率二級(jí)管工作在高速開關(guān)狀態(tài)，形成很高的du/dt和di/dt，導(dǎo)致較強(qiáng)的電磁干擾，并以傳導(dǎo)和輻射的形式影響B(tài)MS的正常工作。

2.2 對(duì)BMS耦合干擾機(jī)理

BMS及其硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，電路主要包括:電源模塊、傳感器模塊、保護(hù)模塊、MCU模塊和通信模塊等部分組成。

圖2 BMS電路結(jié)構(gòu)Fig.2 BMS hardware structure

由于BMS采用金屬鋁質(zhì)外殼，車內(nèi)電磁干擾對(duì)BMS的耦合有兩種主要途徑:車內(nèi)的低頻瞬態(tài)和各種干擾直接通過BMS的電源線以共?；虿钅８蓴_的形式耦合進(jìn)BMS，而車內(nèi)的各種輻射干擾場(chǎng)把能量耦合在BMS的連接線束上，形成共模干擾電流耦合進(jìn)BMS。

3 BMS的抗電磁干擾技術(shù)

針對(duì)上述BMS外部的電磁干擾源和耦合機(jī)理可在BMS的電路原理設(shè)計(jì)、印刷電路板設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面采取針對(duì)性的EMC設(shè)計(jì)方法［7］。重點(diǎn)對(duì)電源電路、敏感小信號(hào)采集電路、接口電路、PCB元器件布局和布線，并結(jié)合PCB的EMC仿真分析和軟件濾波技術(shù)，使BMS具有較好的抗電磁干擾性能。

3.1 BMS電路原理的EMC設(shè)計(jì)

3.1.1 供電電源電路

由于BMS的電源線與12V蓄電池和DC/DC低壓輸出端、電機(jī)控制器低壓電源端并聯(lián)，并與車用其他電器設(shè)備共用電源系統(tǒng)，DC/DC和其他用電設(shè)備產(chǎn)生的各種低頻瞬態(tài)和高頻干擾、共模干擾可通過電源耦合進(jìn)BMS。為此設(shè)計(jì)如圖3所示電源輸入電路。采用編號(hào)為V1的TVS抑制電源輸入中的瞬態(tài)干擾和提供ESD防護(hù)能力。采用編號(hào)為L(zhǎng)1和L2的大電流磁珠抑制電源輸入中的高頻干擾，同時(shí)也抑制BMS內(nèi)部向外發(fā)射高頻干擾。通過編號(hào)為L(zhǎng)3、C1、C8、C2和C7構(gòu)成的共模濾波器濾除電源輸入中的共模噪聲和諧波干擾。通過L1、C6、C4、C5和 C3組成的LC濾波電路濾除電源輸入中的差模干擾。

圖3 12V輸入電源電路Fig.3 12V power input circuit

BMS板內(nèi)的另外一個(gè)重要電源是+5V的主工作電源，如圖4該電源工作的穩(wěn)定性及抗干擾性能直接影響到系統(tǒng)的信號(hào)采集準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性。該電源抗干擾的重要措施是由L1、C4、C5組成的LC π型差模濾波電路，濾除電源線上的差模干擾，同時(shí)對(duì)板內(nèi)可能傳導(dǎo)到外部的差模干擾亦能起到有效的抑制作用。

圖4 +5V電源電路Fig.4 +5V power input circuit

模擬電源電路主要為BMS的模擬采集運(yùn)放電路提供穩(wěn)定的雙電源，如圖5所示。

由TS1和IC1構(gòu)成具有正負(fù)輸出電壓的單端反激型開關(guān)穩(wěn)壓電路。對(duì)該電路工作頻率的選取較為關(guān)鍵，工作基頻需要避開傳導(dǎo)及輻射抗擾度等測(cè)試較敏感的頻率段。

圖5 模擬電源電路Fig.5 Analog power supply circuit

3.1.2 關(guān)鍵敏感信號(hào)采集電路

BMS內(nèi)部的關(guān)鍵信號(hào)是動(dòng)力電池的工作電流信號(hào)，該信號(hào)的采集用于動(dòng)力電池的安時(shí)容量積分算法，計(jì)算動(dòng)力電池的SOC。該信號(hào)是mV級(jí)的弱信號(hào)，由精密錳銅合金電阻Shunt作為傳感器，因信號(hào)幅度小，極易受到干擾，造成采集電流不準(zhǔn)的問題。為此，在BMS的輸入端口處采用共模抑制電感和電容對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行了共模濾波處理，如圖6所示。

圖6 信號(hào)采集電路Fig.6 Signal collection circuit of BMS

3.1.3 接插口電路

BMS的每個(gè)引腳采用串聯(lián)磁珠和并聯(lián)去耦電容的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，以濾除外部高頻干擾的傳導(dǎo)耦合。磁珠和電容的選擇要考慮既要有效濾除高頻干擾，又要考慮到引腳信號(hào)的電平變化速度及需要通過電流的大小。電容的等效阻抗可以表示為

其中，RS為等效串聯(lián)電阻;L為等效串聯(lián)電感;C為電容。

由式(1)可以看出，要取得較好的濾波效果，需要綜合考慮電容的容值大小、封裝形式及寄生參數(shù)等的影響，針對(duì)每個(gè)信號(hào)引腳，選用不同的磁珠和旁路電容。

3.2 印刷電路板的EMC設(shè)計(jì)

BMS采用四層電路板，中間兩層分別為電源層和接地層，頂層和底層為信號(hào)層。電源層分為5V數(shù)字電路電源、12V和15V模擬電源，按功能將接地層分隔開，為模擬電路、數(shù)字電路和大電流功率輸出電路設(shè)計(jì)單獨(dú)的地。重點(diǎn)減小信號(hào)采集電路的走線長(zhǎng)度。經(jīng)布局和布線優(yōu)化后易受干擾的總電流信號(hào)走線長(zhǎng)度由2302.49mil減小到623.35mil。使得BMS系統(tǒng)的抗電磁干擾能力大幅增強(qiáng)。

還應(yīng)用EMC仿真軟件，對(duì)BMS板極的EMC問題進(jìn)行了建模仿真，以減少PCB上的各種輻射能量，并降低電源地平面諧振和電路回流路徑阻抗。

圖7中給出了應(yīng)用EMC仿真軟件對(duì)BMS地諧振問題進(jìn)行優(yōu)化前后的對(duì)比圖。通過仿真分析和優(yōu)化，地諧振幅度減小了10dB以上，有效地提升了BMS的電磁兼容性能。

圖7 BMS地諧振問題優(yōu)化Fig.7 Resonance problem optimization of BMS

3.3 結(jié)構(gòu)及其他EMC設(shè)計(jì)

BMS外殼采用鋁質(zhì)外殼，PCB的外邊四周采用覆銅設(shè)計(jì)，并良好接地，并在整車上采用如圖8所示的安裝和接地設(shè)計(jì)，獲得了較好的電磁屏蔽效果，提升了BMS的電磁兼容性能。

3.4 軟件濾波技術(shù)

除了采用上述的硬件EMC設(shè)計(jì)措施外，BMS還采用了一階滯后濾波等常用軟件濾波方法，瞬間脈沖干擾、隨即干擾和周期性干擾導(dǎo)致的數(shù)據(jù)采集異常等問題。

圖8 BMS在整車上的安裝Fig.8 BMS installation on vehicle

一階滯后濾波傳遞函數(shù)及濾波平滑系數(shù)基于RC一階低通濾波器的特性進(jìn)行推導(dǎo)。RC電路的傳遞函數(shù)為:

將式(2)寫成差分方程，經(jīng)整理得:

式中，X(k)為第k次采樣值;Y(k－1)為第k－1次濾波輸出值;Y(k)為第k次濾波輸出值;α為濾波平滑系數(shù)。

對(duì)式(3)兩端同時(shí)取自然對(duì)數(shù)有:

式中，T為采樣周期。

由 f0=1/(2πRC)、α =1 －及式(4)得到軟件濾波平滑系數(shù)為:

已知截止頻率f0，可通過式(5)確定出濾波平滑系數(shù)α。

長(zhǎng)安中混電動(dòng)車所用鎳氫H45型BMS系統(tǒng)信號(hào)采集周期T=10ms，截止頻率f0=5Hz，可得平滑系數(shù)α =0.0625，時(shí)間常數(shù)τ=160ms。

圖9中給出了BMS有無軟件濾波時(shí)，實(shí)車采集的總電壓信號(hào)。從圖中可以看到，經(jīng)濾波后的BMS采集的總電壓信號(hào)更為平穩(wěn)。說明軟件濾波能有效消除BMS采集數(shù)據(jù)過程中的瞬間脈沖干擾、隨機(jī)干擾，使信號(hào)更平滑，解決了由于受到外部電磁干擾導(dǎo)致的瞬間數(shù)據(jù)異常問題。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證BMS的抗電磁干擾性能，根據(jù)車內(nèi)電磁干擾對(duì)BMS耦合干擾的機(jī)理，重點(diǎn)參照《ISO 11452－4 Road vehicles-Component test methods for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy》標(biāo)準(zhǔn)，第4部分:Bulk current injection(BCI)的測(cè)試方法［8］對(duì)BMS的抗電磁干擾能力進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，共模電流大小為100mA，試驗(yàn)頻率范圍為20～400MHz。

圖9 有無軟件濾波的總電壓Fig.9 Total voltage with and without software filter

表1中給出了抗大電流注入測(cè)試過程中，經(jīng)EMC優(yōu)化設(shè)計(jì)前后，BMS采集的動(dòng)力電池總電壓、總電流和模塊電壓的最大偏差對(duì)比表。

表1 BCI測(cè)試過程中BMS采集偏差Tab.1 BMS collecting deviation in BCI test

經(jīng)優(yōu)化后，BMS采集偏差大幅減小，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。裝有本BMS的4輛混合動(dòng)力電動(dòng)汽車分別在江西南昌示范運(yùn)行了 76000km、99576km、70560km和61888km均未出現(xiàn)動(dòng)力電池參數(shù)采集錯(cuò)誤的問題，說明經(jīng)EMC優(yōu)化設(shè)計(jì)后的BMS能滿足電動(dòng)汽車復(fù)雜電磁環(huán)境的使用要求。

5 結(jié)論

電池管理系統(tǒng)(BMS)是電動(dòng)汽車能量管理的重要部分，它提供整車控制策略的重要參數(shù)，但BMS系統(tǒng)在電動(dòng)汽車強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中工作時(shí)易出現(xiàn)采集參數(shù)出現(xiàn)錯(cuò)誤的問題，影響電動(dòng)汽車的安全可靠運(yùn)行。為此，筆者基于長(zhǎng)安中混電動(dòng)車平臺(tái)，研究了車內(nèi)電磁環(huán)境及其對(duì)BMS耦合干擾機(jī)理，并通過BMS的有效電磁兼容性設(shè)計(jì)，重點(diǎn)提升了BMS的抗干擾性能，滿足了電動(dòng)汽車復(fù)雜電磁環(huán)境的使用要求。

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