新能源汽車(chē)充電端口的脈沖群試驗(yàn)強(qiáng)度研究

陳 火

(上海電器設(shè)備檢測(cè)所有限公司, 上海 200063)

0 引 言

隨著新能源汽車(chē)的迅速發(fā)展,汽車(chē)直流充電端口的電磁兼容問(wèn)題逐漸被大家廣泛關(guān)注。根據(jù)現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)歐盟車(chē)輛認(rèn)證法規(guī)ECE_R10要求,可知汽車(chē)直流充電端口的快速脈沖群試驗(yàn)強(qiáng)度,應(yīng)按照峰值電壓為2 kV、上升時(shí)間為5 ns、脈沖寬度為50 ns和重復(fù)速率為5 kHz的參數(shù)下至少持續(xù)注入1 min;可知試驗(yàn)強(qiáng)度的等級(jí)過(guò)高會(huì)增加社會(huì)的邊際成本,過(guò)低可能會(huì)引起產(chǎn)品失效,誘發(fā)不安全的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生。本文將探討新能源汽車(chē)直流充電端口快速脈沖群試驗(yàn)強(qiáng)度的問(wèn)題。

1 理論分析

快速脈沖群的干擾來(lái)源是電網(wǎng)在供配電過(guò)程中繼電器觸點(diǎn)在閉合狀態(tài)下會(huì)不斷地?fù)舸┛諝膺M(jìn)行放電和感性負(fù)載瞬間切斷的情況下產(chǎn)生。這類(lèi)脈沖的主要特點(diǎn):上升時(shí)間快,持續(xù)時(shí)間短,具有較高重復(fù)頻率;脈沖波形的上升時(shí)間約是5 ns,所以包含的騷擾頻譜比較寬,一般達(dá)100 MHz,其脈沖特性易受線束分布電容和分布電感的影響。

快速脈沖群試驗(yàn)屬于典型的共?？箶_度測(cè)試,以共模電壓的形式把干擾疊加到被測(cè)產(chǎn)品的電源端口和信號(hào)端口。而直流充電樁的受試線纜通過(guò)耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)被施加快速脈沖群干擾時(shí),脈沖群發(fā)生器輸出的一端通過(guò)電容直接注入到線路上,另外一端通過(guò)耦合單元的接地端子與GND地線相連。脈沖群干擾會(huì)沿著受試線纜進(jìn)入到直流充電樁內(nèi)部,并以共模電流的形式在直流充電樁的內(nèi)部進(jìn)行傳輸,直流充電樁的內(nèi)部能產(chǎn)生高達(dá)數(shù)千伏的共模脈沖噪聲,即便通過(guò)接口濾波器,干擾會(huì)有所衰減,但依然有較高的干擾電壓通過(guò)傳導(dǎo)的方式進(jìn)入敏感設(shè)備電路,或者通過(guò)內(nèi)部干擾線輻射到相鄰的干擾線上,再?gòu)母蓴_線進(jìn)入敏感的設(shè)備電路,因此要求設(shè)備具有一定的抗干擾能力。由于端口地線上的阻抗不一樣,共模干擾信號(hào)在產(chǎn)品內(nèi)部的傳輸過(guò)程中,最終會(huì)轉(zhuǎn)化成差模信號(hào)并干擾內(nèi)部電路正常工作電壓,同樣的差模干擾信號(hào)也會(huì)通過(guò)充電樁輸出線纜流向汽車(chē)直流充電端口。本文將在充電樁進(jìn)行脈沖群試驗(yàn)時(shí),檢測(cè)有多少干擾信號(hào)可通過(guò)充電樁輸出線傳輸給汽車(chē)直流充電端口,來(lái)評(píng)估新能源汽車(chē)直流充電端口快速脈沖群試驗(yàn)強(qiáng)度的要求。

在直流充電樁初期的使用過(guò)程中,單個(gè)脈沖的能量較小,不會(huì)瞬間對(duì)設(shè)備造成故障,但由于脈沖群的持續(xù)注入,會(huì)對(duì)線路結(jié)電容充電,經(jīng)過(guò)積累,最后達(dá)到并超過(guò)IC芯片的抗擾度電平,將出現(xiàn)顯示屏熄滅、主控制器誤動(dòng)作失效的現(xiàn)象。如果說(shuō)在沒(méi)有合適的EMI對(duì)策下,汽車(chē)在充電的過(guò)程中,快速脈沖群干擾是很容易從充電樁上耦合到汽車(chē)直流充電端口的?？焖倜}沖群干擾傳輸環(huán)路示意圖如圖1所示。

圖1 快速脈沖群干擾傳輸環(huán)路示意圖

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

快速瞬變脈沖群抗擾度試驗(yàn)是一種由許多快速脈沖組成的脈沖群耦合到電氣和電子設(shè)備的電源端口、控制端口、信號(hào)端口和接地端口的試驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)方法

本文將以某知名充電樁品牌為例,通過(guò)電容直接注入法進(jìn)行快速脈沖群抗擾度試驗(yàn),試驗(yàn)過(guò)程中使用了一種新型的改良設(shè)備,該設(shè)備是將脈沖發(fā)生器、電容和耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)組合成一體,只需要把直流充電樁的受試線纜連接在設(shè)備上,并可與電網(wǎng)進(jìn)行連接。試驗(yàn)過(guò)程中通過(guò)示波器分別使用兩個(gè)高壓差分探頭在直流充電樁的輸入和輸出端采集干擾波形。試驗(yàn)原理圖如圖2所示,實(shí)際測(cè)試布置圖如圖3所示。

圖2 試驗(yàn)原理圖

圖3 實(shí)際測(cè)試布置圖

在不同條件下進(jìn)行測(cè)試試驗(yàn)。

測(cè)試內(nèi)容1:脈沖發(fā)生器在不同相位參數(shù)下對(duì)直流充電樁施加脈沖干擾,從模擬負(fù)載處采集其耦合情況。

測(cè)試內(nèi)容2:脈沖發(fā)生器在不同電壓等級(jí)參數(shù)下對(duì)直流充電樁施加脈沖干擾,從模擬負(fù)載處采集其耦合情況。

測(cè)試內(nèi)容3:直流充電樁在不同工況下的脈沖注入試驗(yàn),從模擬負(fù)載處采集其耦合情況。

2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

(1)脈沖發(fā)生器在不同相位參數(shù)下對(duì)直流充電樁施加脈沖試驗(yàn)分析:通過(guò)示波器,采集在充電樁輸入端的0°、90°、180°和270°共4個(gè)相位參數(shù)的注入波形。注入波形如圖4所示。

圖4 注入波形

試驗(yàn)中從直流充電樁輸出端口采集波形,不同相位間的耦合波形如圖5所示。由圖5可見(jiàn),在0°、90°、180°和270°相位的耦合程度分別為120 V、100 V、126 V、98 V,可知不同的相位都能耦合到汽車(chē)直流充電端口上,耦合的程度與相位并沒(méi)有直接的關(guān)聯(lián)。

圖5 不同相位間的耦合波形

(2)脈沖發(fā)生器在不同電壓等級(jí)下對(duì)直流充電樁施加脈沖試驗(yàn)分析,在直流充電樁的輸入端和輸出端通過(guò)示波器采集到500 V、1 000 V和2 000 V共3個(gè)電壓參數(shù)的干擾波形。干擾波形1如圖6所示。

圖6 干擾波形1

經(jīng)比對(duì)直流充電樁輸出端的耦合波形,不同電壓等級(jí)的耦合波形如圖7所示。由圖7可見(jiàn)測(cè)試電壓與最大干擾電壓比例關(guān)系,當(dāng)測(cè)試電壓等級(jí)為2 000 V時(shí)采集到最大干擾為120 V,1 000 V時(shí)采集到最大干擾為60 V,500 V時(shí)采集到最大干擾為30 V。該設(shè)備在進(jìn)行脈沖群干擾試驗(yàn)時(shí),會(huì)經(jīng)過(guò)約7 dB的衰減耦合到汽車(chē)直流端口上。

圖7 不同電壓等級(jí)的耦合波形

(3)充電樁在不同工況下施加試驗(yàn)分析,在直流充電樁的輸入和輸出端采集到空載和5 A、10 A、20 A共4種工況下干擾波形。干擾波形2如圖8所示。

圖8 干擾波形2

考慮到汽車(chē)充電過(guò)程中存在快速充電和普通充電的多種狀態(tài),便進(jìn)一步對(duì)比不同帶載的波形,在5 A和10 A工作狀態(tài)下耦合波形如圖9所示。由圖9可見(jiàn),直流充電樁在5 A的工況下從輸出端采集到的幅值為120 V,而在10 A的工況下采集到的幅值為118 V,由此可認(rèn)為不同帶載情況并不會(huì)影響脈沖群的干擾。

圖9 在5 A和10 A工作狀態(tài)下耦合波形

根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)直流充電樁的快速脈沖群測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)IEC 61851-21-2:2018和GB/T 18487.2—2017中對(duì)快速脈沖群的測(cè)試強(qiáng)度都是2 kV[1];試驗(yàn)等級(jí)是按照最真實(shí)的安裝和環(huán)境條件來(lái)選擇,因充電樁的安裝方式是固定在地面,帶有保護(hù)接地系統(tǒng),且采用專(zhuān)用的電纜與電網(wǎng)相連的環(huán)境來(lái)考慮,可滿足GB/T 17626.4—2018[2]附錄B的第3等級(jí)條件。因此,直流充電樁的快速脈沖群最大強(qiáng)度為2 kV,從試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得到汽車(chē)直流充電端口處能耦合到的脈沖群干擾不會(huì)超過(guò)120 V。

3 結(jié) 語(yǔ)

(1)直流充電樁在脈沖發(fā)生器不同相位參數(shù)下進(jìn)行試驗(yàn),表明直流充電樁輸出端口的耦合強(qiáng)度與相位沒(méi)有直接的關(guān)聯(lián)。

(2)直流充電樁在脈沖發(fā)生器不同電壓等級(jí)下進(jìn)行試驗(yàn),表明直流充電樁輸出端口的耦合強(qiáng)度與電壓等級(jí)有一定的關(guān)聯(lián),會(huì)經(jīng)過(guò)約7 dB的衰減耦合到汽車(chē)直流充電端口上。

(3)直流充電樁在不同負(fù)載工況下進(jìn)行試驗(yàn),表明直流充電樁輸出端口的耦合強(qiáng)度與不同工況沒(méi)有直接的關(guān)聯(lián)。

(4)直流充電樁的快速脈沖群試驗(yàn)的最大強(qiáng)度為2 kV,從模擬負(fù)載采集到的差模耦合干擾不會(huì)超過(guò)120 V。但其研究未能夠全面比較共模耦合干擾的情況,為進(jìn)一步確定汽車(chē)直流充電端口的實(shí)際耦合情況,這方面還有待后續(xù)研究補(bǔ)充。