電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)電磁兼容特性及防護(hù)技術(shù)研究

孫學(xué)武，吳 昊，景凱凱，張 勇，胡小東

(許繼電源有限公司，河南 許昌 461000)

電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)電磁兼容特性及防護(hù)技術(shù)研究

孫學(xué)武，吳 昊，景凱凱，張 勇，胡小東

(許繼電源有限公司，河南 許昌 461000)

隨著電動(dòng)汽車(chē)快速發(fā)展，電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施的市場(chǎng)規(guī)模及需求日益擴(kuò)大，充電設(shè)施的安全可靠性越來(lái)越受到重視；可靠的電磁兼容性能是電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)安全可靠運(yùn)行的必備條件，研究充電設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)電磁兼容特性及防護(hù)技術(shù)，做好充電設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)電磁兼容防護(hù)，保證充電設(shè)施的安全可靠性，對(duì)推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展具有重要意義；根據(jù)電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施現(xiàn)行電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，研究充電設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)電磁兼容測(cè)試方法，選擇典型充電站進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，分析充電設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾特性，并提出電磁干擾抑制與防護(hù)措施；充電機(jī)產(chǎn)生的諧波干擾是現(xiàn)場(chǎng)主要的電磁兼容問(wèn)題，采用集中治理與分散治理相結(jié)合的方式或者選用具備APFC功能的充電機(jī),能有效解決現(xiàn)場(chǎng)諧波干擾問(wèn)題；在充電設(shè)施開(kāi)發(fā)建設(shè)過(guò)程中，充分重視充電設(shè)施的電磁干擾抑制與防護(hù)，提高充電設(shè)施電磁兼容性能，是充電設(shè)施安全運(yùn)行的根本保證。

電動(dòng)汽車(chē)；充電設(shè)施；現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試；電磁兼容；電磁干擾

0 引言

電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，充電設(shè)施承受來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中的電磁干擾，同時(shí)也因?yàn)槌潆娫O(shè)施中含有大量大功率電力電子設(shè)備，工作時(shí)也會(huì)產(chǎn)生大量諧波及電磁干擾，影響其他設(shè)備正常工作[1-2]。為了保證充電設(shè)施正常運(yùn)行，這就要求充電設(shè)施需要具有較強(qiáng)的電磁抗擾度性能(EMS)和較低的電磁干擾(EMI)，即具有可靠的電磁兼容(EMC)性能[3-4]。

目前，行業(yè)內(nèi)對(duì)充電設(shè)施的EMC性能研究，主要在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，供電電源和試驗(yàn)負(fù)載與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行環(huán)境相比存在較大差異，實(shí)驗(yàn)室條件下測(cè)得的EMC性能并不能完全反映現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)充電設(shè)施的EMC性能。因此，充電設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)電磁兼容測(cè)試及其特性研究是十分必要的[5-7]。

1 充電設(shè)施電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀

電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施涉及到電力、電動(dòng)汽車(chē)、電池等多個(gè)領(lǐng)域，在產(chǎn)品認(rèn)證檢測(cè)和充電設(shè)施驗(yàn)收試驗(yàn)中，EMC性能測(cè)試往往需要參考不同行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。目前，充電設(shè)施還沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的EMC標(biāo)準(zhǔn)[8-10]，相關(guān)要求一般體現(xiàn)在充電設(shè)施相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中的技術(shù)部分。我國(guó)充電設(shè)施現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中共規(guī)定了11個(gè)EMC試驗(yàn)項(xiàng)目，如表1所示，其中明確提出EMC要求的標(biāo)準(zhǔn)較少，不同充電設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍及EMC要求存在差異。EMC要求基于實(shí)驗(yàn)室測(cè)試條件，對(duì)工頻磁場(chǎng)抗擾度、射頻共?？箶_重視不夠，對(duì)充電設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)電磁兼容測(cè)試及要求還缺少規(guī)定。

2 充電設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)電磁兼容測(cè)試

2.1 測(cè)試對(duì)象

本文在選擇測(cè)試對(duì)象時(shí)，遵循以下原則：

表1 充電設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)中EMC試驗(yàn)

1)充電站已經(jīng)投入運(yùn)行，并具有一定規(guī)模；

2)充電站的系統(tǒng)構(gòu)成及應(yīng)用模式具有代表性和規(guī)?；茝V應(yīng)用的前景。

此次現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，共選擇了3個(gè)典型充電站作為測(cè)試對(duì)象：

1)周口西華充電站(一體式直流充電站，共有20臺(tái)充電樁，為電動(dòng)公交提供充電服務(wù))；

2)長(zhǎng)沙汽車(chē)東站充電站(分體式直流充電站，共有50臺(tái)充電樁，為電動(dòng)公交提供充電服務(wù))；

3)合肥江淮汽車(chē)本部充電站(交流充電站，共有76臺(tái)充電樁，為電動(dòng)轎車(chē)提供充電服務(wù))。

2.2 測(cè)試項(xiàng)目

依據(jù)《GB/T 18487.3-2001電動(dòng)車(chē)輛傳導(dǎo)充電系統(tǒng)電動(dòng)車(chē)輛交流/直流充電機(jī)(站)》，EMC試驗(yàn)共9項(xiàng)，包括6項(xiàng)EMS試驗(yàn)和3項(xiàng)EMI試驗(yàn)?？紤]到EMS試驗(yàn)具有破壞性，可能會(huì)造成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備故障甚至損壞，影響充電站正常安全運(yùn)行。現(xiàn)場(chǎng)只進(jìn)行EMI測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目包括諧波電流、傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射。

2.2.1 現(xiàn)場(chǎng)諧波測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)諧波測(cè)試依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T14549、GB17625.1、GB/T17625.6、GB/T17625.8，測(cè)試2-33次諧波。測(cè)試儀器應(yīng)符合GB/T 17626.7要求。選用電能質(zhì)量分析儀FLUKE 435II，參考GB17625.1中的試驗(yàn)配置搭建測(cè)試環(huán)境。

現(xiàn)場(chǎng)諧波測(cè)試時(shí)，將FLUKE 435II電流探頭接在交流進(jìn)線端，如圖1所示。諧波電流測(cè)試點(diǎn)選擇在充電站電源進(jìn)線端和充電機(jī)設(shè)備輸入端。現(xiàn)場(chǎng)充電機(jī)設(shè)備較多時(shí)，可采取抽樣測(cè)試。

圖1 現(xiàn)場(chǎng)諧波測(cè)試接線圖

標(biāo)準(zhǔn)諧波測(cè)試要求較為純凈電壓源和阻性負(fù)載。現(xiàn)場(chǎng)諧波測(cè)試，電壓源及負(fù)載由現(xiàn)場(chǎng)條件決定，測(cè)試結(jié)果更符合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行情況。

2.2.2 現(xiàn)場(chǎng)傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 4824、GB9254、GB/T6113.103，測(cè)量150～30 MHz傳導(dǎo)發(fā)射。測(cè)試儀器應(yīng)符合GB/T6113.101、GB/T6113.102要求。選用EMI測(cè)試接收機(jī)R&S ESCI3、高壓探頭SchwarzbeckTK9421，參考GB4824中的試驗(yàn)配置搭建測(cè)試環(huán)境。

現(xiàn)場(chǎng)傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試時(shí)，將TK 9421測(cè)量端直接接觸被測(cè)端口，如圖2所示。傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試點(diǎn)選擇在充電站電源進(jìn)線端和充電機(jī)設(shè)備輸入/輸出端?，F(xiàn)場(chǎng)充電機(jī)設(shè)備較多時(shí)，可采取抽樣測(cè)試。

圖2 現(xiàn)場(chǎng)傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試示意圖

標(biāo)準(zhǔn)傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試要求在屏蔽室進(jìn)行背景噪聲低，電源經(jīng)過(guò)濾波，干擾小?，F(xiàn)場(chǎng)傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試未排除背景噪聲和電源網(wǎng)絡(luò)干擾對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，測(cè)試結(jié)果更符合實(shí)際情況。

2.2.3 現(xiàn)場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試

現(xiàn)場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 4824、GB9254、GB/T6113.103，測(cè)量30 MHz～1 GHz輻射干擾。測(cè)試儀器應(yīng)符合GB/T6113.101、GB/T6113.104。選用EMI測(cè)試接收機(jī)R&S ESCI3、雙錐對(duì)數(shù)周期復(fù)合天線Schwarzbeck VULB 9163、天線支架Schwarzbeck AM9104，參考GB4824中的試驗(yàn)配置搭建測(cè)試環(huán)境。

現(xiàn)場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試時(shí)，將天線放置在測(cè)試點(diǎn)，如圖3所示，改變天線的高度、方向、極化方式進(jìn)行多次測(cè)試。為了更全面測(cè)量充電站內(nèi)輻射發(fā)射，根據(jù)充電站的平面分布，同時(shí)考慮天線尺寸及測(cè)試對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的影響，選擇多個(gè)測(cè)試點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試。

圖3 現(xiàn)場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試示意圖

標(biāo)準(zhǔn)輻射發(fā)射測(cè)試在電波暗室中進(jìn)行，背景噪聲低，空間反射小?，F(xiàn)場(chǎng)輻射發(fā)射測(cè)試未排除背景噪聲對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，測(cè)試結(jié)果反映充電站實(shí)際運(yùn)行時(shí)的空間干擾，包含背景噪聲和充電設(shè)施產(chǎn)生的輻射干擾。

3 充電設(shè)施電磁干擾特性

3.1 諧波電流特性

充電站諧波電流含量(THDi)隨負(fù)載電流變化關(guān)系如圖4～圖6所示，THDi隨負(fù)載電流增大而減小,空載時(shí)THDi最大。由于空載和輕載時(shí)諧波電流太小，產(chǎn)生的諧波干擾也相對(duì)較小，因此本項(xiàng)目重點(diǎn)研究充電設(shè)施20%～100%負(fù)載條件下的諧波特性。

圖4 一體式直流充電站THDi隨輸入電流變化關(guān)系

圖5 分體式直流充電站THDi隨輸入電流變化關(guān)系

圖6 交流充電站THDi隨輸入電流變化關(guān)系

額定負(fù)載條件下，一體式直流充電站諧波電流分布情況如圖7所示。交流母線負(fù)載側(cè)THDi為32%；5、7、11、13、17、19、23、25次諧波含量較高，5次諧波含量為27.8%。交流母線電網(wǎng)側(cè)THDi為6.92%，各次諧波均未超過(guò)5%。

圖7 一體式直流充電站諧波含量

額定負(fù)載條件下，一體式直流充電站諧波電流分布情況如圖8所示。交流母線負(fù)載側(cè)THDi為30.3%，5、7、11、13、17、19次諧波含量較高，5次諧波含量為27.3%。交流母線電網(wǎng)側(cè)THDi為6.07%，各次諧波均未超過(guò)5%。

圖8 分體式直流充電站諧波含量

額定負(fù)載條件下，交流充電站諧波電流分布情況如圖9示，THDi為6.28%，各次諧波含量均未超過(guò)6%。

圖9 交流充電站諧波含量

充電站配電變壓器低壓側(cè)安裝有APF，進(jìn)行諧波集中補(bǔ)償。與負(fù)載側(cè)相比，交流母線電網(wǎng)側(cè)諧波電流含量明顯降低。經(jīng)APF補(bǔ)償后，充電站交流母線電網(wǎng)側(cè)THDi最大為6.92%，符合《GB/T 29316-2012電動(dòng)汽車(chē)充換電設(shè)施電能質(zhì)量技術(shù)要求》。

充電站APF集中補(bǔ)償點(diǎn)負(fù)載側(cè)交流電網(wǎng)內(nèi)的諧波依然存在，負(fù)載側(cè)THDi高達(dá)32%，諧波增加充電設(shè)備無(wú)功損耗，同時(shí)也影響計(jì)量?jī)x表(特別是感應(yīng)式)的計(jì)量精度，導(dǎo)致計(jì)量不準(zhǔn)確[11-13]。

3.2 傳導(dǎo)干擾特性

充電站交流電源網(wǎng)絡(luò)的傳導(dǎo)干擾情況如圖10～圖12所示(深色為峰值，淺色為平均值)。

圖10 一體式直流充電站交流電源網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)干擾

圖11 分體式直流充電站交流電源網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)干擾

圖12 交流充電站交流電源網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)干擾

一體式直流充電站、分體式直流充電站、交流充電站的傳導(dǎo)干擾存在較大差異，頻譜分布不具備相似性。一體式直流充電站傳導(dǎo)干擾峰值主要集中在150 kHz～2 MHz頻段內(nèi)，干擾幅值范圍為30～120 dBuV，最大為114 dBuV。分體式直流充電站傳導(dǎo)干擾峰值主要集中在300 kHz～5 MHz頻段內(nèi)，干擾幅值范圍為65～120 dBuV，最大為117 dBuV。交流充電站傳導(dǎo)干擾峰值主要集中在1～4 MHz頻段內(nèi)，干擾幅值范圍為30～100 dBuV，最大為96 dBuV。

充電站傳導(dǎo)干擾最大為117 dBuV，不超過(guò)1 V(120 dBuV)。根據(jù)《GB/T 17799.1-1999電磁兼容通用標(biāo)準(zhǔn)居住、商業(yè)和輕工業(yè)環(huán)境中的抗擾度試驗(yàn)》要求，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備射頻共模(150～80 MHz)抗擾度至少為3 V，現(xiàn)場(chǎng)傳導(dǎo)干擾未超過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的射頻共?？箶_度限值，150 kHz～30 MHz傳導(dǎo)干擾不會(huì)造成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工作異常。

3.3 輻射干擾特性

充電站的輻射干擾情況如圖13～圖15所示。一體式直流充電站、分體式直流充電站、交流充電站的輻射干擾頻譜分布具有很高的相似性，較大值集中在100 MHz、1 GHz附近。輻射干擾幅值范圍為10～100 dBuV/m，一體式直流充電站、分體式直流充電站、交流充電站的輻射干擾最大值分別為98 dBuV/m、96 dBuV/m、91 dBuV/m，不超過(guò)0.1 V/m(100 dBuV/m)。

圖13 一體式直流充電站輻射干擾

圖14 一體式直流充電站輻射干擾

圖15 交流充電站輻射干擾

根據(jù)《GB/T 17799.1-1999電磁兼容通用標(biāo)準(zhǔn)居住、商業(yè)和輕工業(yè)環(huán)境中的抗擾度試驗(yàn)》要求，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度(80 MHz～1 GHz)至少為3 V/m，現(xiàn)場(chǎng)輻射干擾未超過(guò)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的射頻電磁場(chǎng)輻射抗擾度限值，30 MHz～1 GHz輻射干擾不會(huì)造成現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備工作異常。

4 現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾抑制與防護(hù)

4.1 諧波治理

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，三個(gè)典型充電站低壓交流電網(wǎng)中均存在諧波電流嚴(yán)重的問(wèn)題，也是充電設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)主要的電磁干擾源。因此，采取合理的諧波治理措施，是消除充電設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)電磁干擾源最有效的手段。

目前充電站諧波治理措施主要有3種：1)主動(dòng)治理，即充電機(jī)采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)(APFC)，減少對(duì)交流電網(wǎng)的諧波干擾；2)分散治理，即每臺(tái)充電機(jī)輸入端加裝APF裝置；3)集中治理，即通過(guò)在配電變壓器低壓側(cè)集中安裝APF裝置，阻止諧波進(jìn)入電網(wǎng)[14-16]。

集中安裝APF對(duì)充電站進(jìn)行諧波治理的措施雖然能夠有效解決充電站負(fù)載諧波對(duì)電網(wǎng)的“諧波”和“無(wú)功”污染，但站內(nèi)交流母線依然存在較嚴(yán)重的諧波干擾，對(duì)站內(nèi)充電機(jī)的計(jì)量和通信產(chǎn)生影響。

因此，要徹底改善充電站現(xiàn)場(chǎng)的EMC特性，應(yīng)采用集中治理與分散治理相結(jié)合的方式，或者選用具備APFC功能的充電機(jī)產(chǎn)品，徹底消除充電站內(nèi)交流電網(wǎng)中存在的諧波干擾。

4.2 電磁干擾抑制與防護(hù)

在充電設(shè)施相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)電磁干擾抑制與防護(hù)措施也應(yīng)有充分的重視，以提高充電設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行的可靠性。主要從以下幾個(gè)方面考慮：

1)充電設(shè)施產(chǎn)品的EMI電路設(shè)計(jì)。在充電設(shè)施產(chǎn)品的輸入/輸出端增加EMI電路，降低充電設(shè)施產(chǎn)品的EMI噪聲。在EMI電路中加入瞬態(tài)吸收與抑制器件(如壓敏電路、TVS管等)，吸收瞬態(tài)干擾，提高充電設(shè)施產(chǎn)品的EMS能力。但EMI電路中的Y電容過(guò)大，會(huì)降低充電設(shè)施的絕緣性能，影響電動(dòng)汽車(chē)的絕緣檢測(cè)，在設(shè)計(jì)EMI電路時(shí)，需要合理選擇Y電容，一般不超過(guò)9400pF。

2)充電設(shè)施產(chǎn)品的機(jī)箱設(shè)計(jì)。在保證散熱的同時(shí)，減少機(jī)箱開(kāi)孔，增強(qiáng)機(jī)箱的屏蔽性能，從而降低充電設(shè)施產(chǎn)品的輻射EMI，提高充電設(shè)施產(chǎn)品的輻射EMS能力。

3)綜合考慮安全接地、信號(hào)接地、防雷接地，合理設(shè)計(jì)充電設(shè)施產(chǎn)品和充電站的接地系統(tǒng)。接地系統(tǒng)應(yīng)具有較低的公共阻抗，避免出現(xiàn)“地電流”和“地回路”，同時(shí)保證人身和設(shè)備的安全[17]。

5 總結(jié)

本次測(cè)試選擇了比較有代表性的已投運(yùn)充電站作為測(cè)試對(duì)象，進(jìn)行了EMI測(cè)試，受限于現(xiàn)場(chǎng)條件未進(jìn)行EMS測(cè)試，而是結(jié)合單設(shè)備實(shí)驗(yàn)室條件下的EMS測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析評(píng)估。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試結(jié)果分析，充電機(jī)產(chǎn)生的諧波電流是充電站最主要的騷擾源，選用對(duì)電網(wǎng)諧波干擾小的充電機(jī)產(chǎn)品是解決現(xiàn)場(chǎng)電磁兼容問(wèn)題最有效的措施。

目前，充電設(shè)施建設(shè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)充電設(shè)備的EMC性能和充電站電磁防護(hù)措施的規(guī)定還不夠完善，為保證充電站設(shè)施的穩(wěn)定可靠運(yùn)行，應(yīng)加快相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的研究。

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Research on Electromagnetic Compatibility Characteristics and Protective Technology of on-site Electric Vehicle Charging Facility

Sun Xuewu,Wu Hao,Jing Kaikai,Zhang Yong,Hu Xiaodong

(XJ Power Co., Ltd, Xuchang 461000, China)

With the rapid development of EV, market scale and demand of EV charging facilities is increasing. Safety and reliability of EV charging facilities is considered more and more important. Reliable performance of EMC is essential to the safe and reliable operation of the on-site EV Charging facilities. Studying the on-site EMC feature and protection technology of charging facilities, completing the EMC protection of on-site charging facilities and guaranteeing the safety and reliability of the on-site charging facilities are of great significance to promote the development of EV. According to the current EMC standards of EV charging facilities, on-site EMC test methods of EV charging facilities are studied. Typical EV charging stations are chosen to conduct on-site tests, at the same time, on-site EMI characteristics of EV charging facilities are analyzed, then, EMI suppression and protection measures for EV charging facilities are proposed. Harmonic interference generated by EV chargers is a major on-site EMC problem，using a combined approach of centralized control and decentralized control or choosing to use EV chargers with APFC function can effectively solve the problem of on-site harmonic interference. In development and construction process of EV charging facilities, giving adequate attention to EMI suppression and protection of EV charging facilities and promoting EMC characteristics of EV charging facilities is a fundamental guarantee of the safe operation of EV charging facilities.

EV;charging facilities;on-site test;EMC; EMI

2016-11-16；

2016-12-01。

電動(dòng)汽車(chē)充換電設(shè)施現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及運(yùn)維評(píng)價(jià)技術(shù)研究(5292C0140105)。

孫學(xué)武(1976-)，男，內(nèi)蒙古通遼人，大學(xué)，工程師，主要從事電動(dòng)汽車(chē)充換電系統(tǒng)試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)方向的研究。

1671-4598(2017)02-0208-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.057

TM937.3

A