電波暗室整車(chē)直流充電濾波系統(tǒng)研究

張榮，程泉，趙延華，曹興盛

（中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心（武漢）有限公司，湖北武漢，430056）

0 引言

新能源汽車(chē)是全球汽車(chē)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)、綠色發(fā)展的主要方向，也是我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。歐盟電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)ECE R10.05已明確提出了新能源汽車(chē)的充電試驗(yàn)要求，國(guó)標(biāo)GB/T 40428-2021《電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電電磁兼容性要求和試驗(yàn)方法》[1]標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)正式發(fā)布，而滿足這些試驗(yàn)的整車(chē)電磁兼容試驗(yàn)室還不多。本文對(duì)電波暗室整車(chē)直流充電濾波系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并介紹了現(xiàn)階段可行的濾波改造設(shè)計(jì)方案。

1 整車(chē)直流充電試驗(yàn)現(xiàn)狀

與傳統(tǒng)燃油車(chē)不同，新能源汽車(chē)多出了充電這一環(huán)，而往往涉及到高壓、功率變換、大電流等因素的功能都與強(qiáng)輻射、高騷擾相關(guān)，因此，車(chē)輛在充電狀態(tài)下的電磁兼容性能是未來(lái)會(huì)重點(diǎn)關(guān)注的方面。

通常，所有進(jìn)入暗室內(nèi)部的線纜（包括電源線、信號(hào)線、網(wǎng)線及電話線等）必須要進(jìn)行濾波處理，但是，與傳統(tǒng)線纜不同的是，新能源汽車(chē)的充電線不僅有電源線部分，還包括通信線、控制線和地線，這些線束在使用的過(guò)程當(dāng)中不僅會(huì)傳輸簡(jiǎn)單的電平信號(hào)，也會(huì)傳輸CAN報(bào)文信號(hào)、PWM波控制信號(hào)等，而這些信號(hào)在通過(guò)常規(guī)的暗室濾波器后，無(wú)法正常在車(chē)輛與充電樁之間進(jìn)行握手通信，導(dǎo)致試驗(yàn)無(wú)法進(jìn)行。

圖1 直流充電槍接口示意圖

現(xiàn)階段多數(shù)試驗(yàn)室在進(jìn)行充電試驗(yàn)時(shí)，只能采用臨時(shí)接線，從暗室波導(dǎo)口直接穿入的方式進(jìn)行。這樣的試驗(yàn)方式會(huì)帶來(lái)很多不利因素，如：（1）試驗(yàn)布置時(shí)間較長(zhǎng)；（2）線纜布置的不確定；（3）線纜自身的電磁干擾；（4）抗擾度試驗(yàn)時(shí)可能引起充電樁的損壞。

本文研究了一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)、與技術(shù)人員進(jìn)行了多次交流、并從標(biāo)準(zhǔn)和理論上進(jìn)行了一些研究。

2 現(xiàn)階段遇到的問(wèn)題

標(biāo)準(zhǔn) GB/T 18487.1-2015[2]和 GB/T 27930-2015[3]對(duì)充電過(guò)程進(jìn)行了較完整的描述，但是，在一些細(xì)節(jié)上，標(biāo)準(zhǔn)并沒(méi)有給出明確的說(shuō)明。針對(duì)濾波系統(tǒng)的問(wèn)題，結(jié)合上述直流充電過(guò)程，我們做了一些可能性的分析。

2.1 絕緣檢測(cè)問(wèn)題

由于直流充電時(shí)，電壓較高、電流較大，萬(wàn)一出現(xiàn)泄漏，將導(dǎo)致不可挽回的后果，因此整個(gè)充電過(guò)程中，系統(tǒng)的絕緣是否良好，關(guān)乎安全，切不可忽視。

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)的理解

（1）在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18487.1-2015，《電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電系統(tǒng)第1部分：通用要求》中給出了“絕緣電阻”的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)：

在供電設(shè)備非電氣連接的各帶電回路之間，各獨(dú)立帶電回路與地（金屬外殼）之間按規(guī)定施加直流電壓，絕緣電阻應(yīng)不小于10MΩ。

而對(duì)于一般的濾波器而言，其設(shè)計(jì)規(guī)范一般僅能滿足絕緣電阻不小于2MΩ，在這一點(diǎn)上，濾波器與充電樁的要求出現(xiàn)了差異。

（2）充電樁和電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)部均裝有絕緣檢測(cè)裝置。在充電過(guò)程中，前期由充電樁負(fù)責(zé)充電系統(tǒng)的絕緣檢測(cè)，后期由電動(dòng)汽車(chē)負(fù)責(zé)。而對(duì)于充電過(guò)程中的絕緣性能的檢測(cè)，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18487.1-2015并沒(méi)有給出詳細(xì)的說(shuō)明。但可以得知：

a.絕緣檢測(cè)所需要的高壓是由充電模塊產(chǎn)生的[4]。

b.分別檢測(cè)正、負(fù)對(duì)PE的絕緣電阻，取較小值作為判斷依據(jù)。

c.用來(lái)做絕緣檢測(cè)的高壓是不固定的。

2.1.2 導(dǎo)致絕緣檢測(cè)失效的原因分析

（1）濾波器Y電容容值過(guò)大

Y電容是較常見(jiàn)的干擾濾除器件，分別跨接在電源母線兩線和地之間，一般是成對(duì)出現(xiàn)。

圖2 Y電容連接方式

為了濾除線路中的騷擾，Y電容被廣泛的應(yīng)用在電源濾波器中，但它的存在容易使線間產(chǎn)生泄漏電流。因此，Y電容值不能太大（nF級(jí)），其參數(shù)設(shè)計(jì)要與使用環(huán)境相匹配，如果沒(méi)有進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，很有可能出現(xiàn)漏電流過(guò)大、跳閘等異?，F(xiàn)象。

（2）系統(tǒng)鏈路的連接使電源母線與地之間的等效電容偏大

標(biāo)準(zhǔn)中有要求，當(dāng)電壓不超過(guò)550V時(shí)，電源母線與PE線之間的等效電容應(yīng)小于0.5μF；當(dāng)電壓不超過(guò)750V時(shí)，電源母線與PE線之間的等效電容應(yīng)小于0.3μF；當(dāng)電壓不超過(guò)1000V時(shí)，電源母線與PE線之間的等效電容應(yīng)小于0.2μF。

2.2 CAN報(bào)文通信傳輸問(wèn)題

直流充電過(guò)程中，汽車(chē)與充電樁之間的通信由CAN總線傳輸，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27930-2015對(duì)充電整體流程及報(bào)文格式進(jìn)行了規(guī)定。

2.2.1 充電整體流程

根據(jù)GB/T 27930-2015中的第8節(jié)，充電過(guò)程有六大步驟,報(bào)文相關(guān)的有四個(gè)階段：

①低壓輔助電源上電及充電握手階段；②充電參數(shù)配置階段；③充電階段；④充電結(jié)束階段。

對(duì)于這四個(gè)階段，若在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)充電機(jī)和BMS沒(méi)有收到報(bào)文或收到的報(bào)文不正確，則判定超時(shí)。一般認(rèn)為超過(guò)5s即為超時(shí)。出現(xiàn)超時(shí)后，BMS和充電機(jī)會(huì)發(fā)送錯(cuò)誤報(bào)文，并進(jìn)入錯(cuò)誤處理狀態(tài)。在充電結(jié)束階段中，如果出現(xiàn)了故障，不必再進(jìn)行處理，直接結(jié)束充電流程。

2.2.2 可能導(dǎo)致異常的原因

（1）傳統(tǒng)的信號(hào)濾波器無(wú)法適配CAN信號(hào)，報(bào)文在經(jīng)過(guò)濾波器后產(chǎn)生了丟失、錯(cuò)誤等原因，導(dǎo)致充電無(wú)法繼續(xù)進(jìn)行。

（2）標(biāo)準(zhǔn)要求的最大通信等待時(shí)間為5s，而充電樁與汽車(chē)可能存在匹配度不良或內(nèi)部系統(tǒng)運(yùn)行模式差異大，因而導(dǎo)致了報(bào)文的傳輸時(shí)間超過(guò)了5s，此時(shí)也會(huì)判定超時(shí)，導(dǎo)致充電停止。

2.3 其他原因

（1）暗室空間較大，從外部引入的線纜長(zhǎng)度太長(zhǎng)，導(dǎo)致線阻過(guò)大，出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)；

（2）暗室地、充電樁地與車(chē)輛地并未良好搭接，在其中某處鏈路出現(xiàn)接地不連續(xù)，這同樣會(huì)導(dǎo)致前面的握手階段輔助電壓檢測(cè)值偏差，出現(xiàn)報(bào)錯(cuò)。

3 解決思路與方法

3.1 絕緣檢測(cè)

（1）Y電容問(wèn)題

①進(jìn)行濾波器的性能驗(yàn)證，斷開(kāi)進(jìn)出連接線，對(duì)其進(jìn)行絕緣電阻的測(cè)試驗(yàn)證，驗(yàn)證濾波器的絕緣性能是否滿足基礎(chǔ)要求；

②經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證后，嘗試改進(jìn)濾波器的Y電容，或與暗室建造商提出按要求進(jìn)行更換。

（2）等效電容問(wèn)題

使用檢測(cè)儀器（示波器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀）對(duì)端口、拐角和接頭等位置進(jìn)行檢測(cè)，在較明顯產(chǎn)生等效電容的位置進(jìn)行相應(yīng)處理[5]。

（3）試圖從絕緣檢測(cè)模塊出發(fā)，結(jié)合絕緣檢測(cè)方式，參考其他檢測(cè)方法，對(duì)檢測(cè)模塊進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

3.2 CAN報(bào)文傳輸

使用CAN光纖轉(zhuǎn)換器，代替信號(hào)濾波器進(jìn)行濾波。

3.3 電壓檢測(cè)

①保證充電樁、濾波器和汽車(chē)的地連續(xù)；

②在濾波器端設(shè)計(jì)人工模擬電路[6]，出現(xiàn)電壓檢測(cè)失敗時(shí)，介入該電路，使充電樁端能通過(guò)握手步驟，繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)動(dòng)作。

4 濾波系統(tǒng)方案

4.1 安裝要求

直流充電濾波器安裝于暗室殼體外，用于直流充電車(chē)/樁EMC測(cè)試時(shí)的充電線路濾波隔離。直流充電只有一種接口方式，即車(chē)輛處為插座，則濾波器在充電線路上的邏輯位置位于充電機(jī)和車(chē)輛插座之間。

4.2 濾波器框圖

如果體積允許，建議將光電轉(zhuǎn)換器的電源適配器放在濾波器盒子內(nèi)，仍須電源濾波器，并給電源適配器單獨(dú)增加屏蔽殼。

圖3 濾波器框圖

4.3 濾波及屏蔽要求

14kHz～40GHz ：插損大于 100dB。

14kHz～40GHz：屏蔽效能高于 IEC 50147-1：1997標(biāo)準(zhǔn)要求至少10dB。

4.4 CAN總線隔離要求

光電耦合器滿足ISO 11898和SAE J1939系列標(biāo)準(zhǔn)要求。（1MHz物理媒介）

滿足GB/T 27930-2015中CAN通信速率要求。（250kbps）

4.5 EMC要求

在 CISPR 25 測(cè)試頻段（150kHz～2.5GHz）內(nèi)，傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射低于 IEC CISPR 25-2016 Level 5 限值要求至少 10dB。

按照 ISO11452-4（BCI）方法測(cè)試，滿足 1MHz～400MHz/400mA。按照 GB/T 17626.3 方法測(cè)試，滿足 80MHz～1GHz/10V/m。以確保在按照ECE R10、ISO 11451、ISO11452標(biāo)準(zhǔn)以及車(chē)廠最新標(biāo)準(zhǔn)布置進(jìn)行抗擾度測(cè)試時(shí)，線纜感應(yīng)的射頻電磁場(chǎng)不影響濾波器使用。

在進(jìn)行NB/T 33008.1-2013標(biāo)準(zhǔn)中5.18節(jié)電磁兼容抗擾度測(cè)試時(shí)不影響濾波器工作。（充電線端子部分經(jīng)過(guò)GB/T 17626對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中CDN去耦后的干擾脈沖不應(yīng)影響濾波器工作）

滿足 GB/T 17626.4、GB/T 17626.5測(cè)試要求（EFT：電源2kV；信號(hào)線1kV。浪涌：充電線線-線1kV，線地2kV；信號(hào)線線-地，2kV）

在對(duì)光電轉(zhuǎn)換器電源端進(jìn)行GB/T 17626.11/29標(biāo)準(zhǔn)中電壓暫降測(cè)試時(shí)，不影響光電轉(zhuǎn)換器使用；在進(jìn)行電源中斷測(cè)試時(shí)，光電轉(zhuǎn)換器不損壞，無(wú)人工干預(yù)可恢復(fù)使用。

按照ISO 10605對(duì)濾波器外殼進(jìn)行15kV接觸放電測(cè)試，不影響濾波器使用。

5 總結(jié)

新能源汽車(chē)是未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的重要趨勢(shì)，充電狀態(tài)下的電磁兼容測(cè)試在不久的未來(lái)也一定會(huì)成為考核新能源車(chē)輛的重要試驗(yàn)方法。本文研究了目前整車(chē)充電試驗(yàn)的現(xiàn)狀，解決目前的充電問(wèn)題，需要從絕緣檢測(cè)、CAN信號(hào)傳輸、Y電容效應(yīng)等方面進(jìn)行研究。

本文提出的直流充電濾波器方案經(jīng)驗(yàn)證是較易實(shí)現(xiàn)的可行方案，可在電磁兼容試驗(yàn)室廣泛使用。