船用動(dòng)力電池組管理系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)

李霞林，李 圍，趙 勝，劉云峰，彭 昂

應(yīng)用研究

船用動(dòng)力電池組管理系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)

李霞林，李 圍，趙 勝，劉云峰，彭 昂

（武漢船用電力推進(jìn)及化學(xué)電源研究所，武漢 430064）

本文對(duì)船用動(dòng)力電池組管理系統(tǒng)從機(jī)械架構(gòu)的EMC設(shè)計(jì)、電路原理的EMC設(shè)計(jì)、PCB的EMC設(shè)計(jì)三個(gè)方面進(jìn)行了電磁兼容性設(shè)計(jì)。根據(jù)搭建的電磁兼容模型，計(jì)算EMC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估較低。通過(guò)電磁兼容試驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)電磁兼容性滿足設(shè)計(jì)要求。

電池管理系統(tǒng) 電磁兼容性 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

0 引言

隨著新能源廣泛應(yīng)用，以電池組為動(dòng)力的船舶越來(lái)越多運(yùn)行在內(nèi)河及近海。為了安全、可控，動(dòng)力電池組需要電池管理系統(tǒng)監(jiān)測(cè)電池組狀態(tài)，控制電池組充放電和安全保護(hù)。鑒于儲(chǔ)波電磁環(huán)境復(fù)雜，對(duì)電池管理系統(tǒng)電磁兼容性提出來(lái)較大的挑戰(zhàn)。因此，船用動(dòng)力電池組管理系統(tǒng)電磁兼容性設(shè)計(jì)非常必要。

1 電池管理系統(tǒng)電磁兼容性分析

電池管理系統(tǒng)采用模塊設(shè)計(jì)，可以根據(jù)電池組成組方式擴(kuò)展。本文以最小系統(tǒng)，一塊BMU搭載一塊BCU模塊進(jìn)行分析。

1.1 機(jī)械架構(gòu)的EMC分析

根據(jù)BMS原理圖繪制EMC設(shè)計(jì)分析圖[1]，見(jiàn)圖3、圖4。

電路板需要在電源接口、485通訊線按照中國(guó)船級(jí)社發(fā)布《電氣電子產(chǎn)品型式認(rèn)可試驗(yàn)指南》進(jìn)行EFT/B測(cè)試。

圖1 動(dòng)力電池組管理系統(tǒng)拓?fù)鋱D

圖3 485通訊線EFT/B測(cè)試機(jī)械架構(gòu)EMC分析圖

圖4 電源上EFT/B測(cè)試機(jī)械架構(gòu)EMC分析圖

通過(guò)圖3、圖4分析，存在4條共模電流路徑。

EFT/B干擾從485通訊線注入，流向電路板的接地點(diǎn)。共模電流為：

式中，C為回路中等效電容，包括寄生電容和實(shí)際電容，dU為電快速瞬變脈沖群測(cè)試電壓等級(jí)，dt為電快速瞬變脈沖信號(hào)的上升時(shí)間。

1）圖3-1回路分析

回路中485通訊線預(yù)設(shè)2 m，CAN通訊線預(yù)設(shè)3 m；回路中等效電容為：

回路電流:

2）圖3-2回路分析

回路電流:

3）圖4-1回路分析

電源線上干擾是一條接地路徑，回路中電阻和電容構(gòu)成等效阻抗。

該回路上電流為：

基于上述計(jì)算，共模電流對(duì)電路板干擾較大。

1.2 電路原理圖分析

對(duì)原理圖進(jìn)行分析，電路原理圖“臟”區(qū)域?yàn)?、2、3、4，濾波，隔離或去耦區(qū)域?yàn)?，特殊處理信號(hào)區(qū)域（噪聲電路，敏感電路）6、7，其他區(qū)域?yàn)楦蓛魠^(qū)域。劃分區(qū)域見(jiàn)圖5。

圖5 進(jìn)行EMC區(qū)域劃分后的電路原理圖

1.3 PCB共模電流分析

PCB板采用分層設(shè)計(jì)，在PCB板上注入EFT/B干擾，共模電流流向見(jiàn)圖6。

圖6 共模電流在各層分布圖

信號(hào)及元件面（1）位于PCB頂面，沒(méi)有共模電流流過(guò)；GND層、電源層、信號(hào)及元器件層2）存在共模電流。

2 電池管理系統(tǒng)電磁兼容設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械架構(gòu)EMC設(shè)計(jì)

機(jī)械架構(gòu)EMC設(shè)計(jì)使產(chǎn)生的共模電流不流向產(chǎn)品內(nèi)部電路的數(shù)字工作地（GND）或模擬工作地（AGND）部分，而使其流向結(jié)構(gòu)地，從而使內(nèi)部電路得到保護(hù)。

1）接地

電路設(shè)計(jì)通過(guò)X電容和Y電容實(shí)現(xiàn)工作地與金屬外殼之間連接，將金屬外殼接地。接地線選用長(zhǎng)度至少10 cm，長(zhǎng)寬比小于5的低阻抗金屬,具備較寬接地線能力[2]。

2）I/O口連接器位置設(shè)計(jì)

連接器集中放置在電路板的同一側(cè)，同一電路板的同一側(cè)位置放置承載不同信號(hào)特性的連接器，注意各信號(hào)間的串?dāng)_與濾波。

3）屏蔽

屏蔽電纜的屏蔽層必須在連接器入口處與接地的金屬板或金屬連接器外殼相連，做360°搭接或與浮地系統(tǒng)中的GND相連。

4）散熱器處理

散熱器需要將散熱器進(jìn)行接地或變壓器初級(jí)的0V或GND處理；防止散熱器形成一懸空金屬片，形成單極發(fā)射天線。

5）隔離

其外部接口如模擬量輸入/輸出接口、通訊接口采用隔離。485接口采用光耦隔離，電源采用隔離變壓器。

2.2 電路原理的EMC設(shè)計(jì)

在圖5中，區(qū)域1電路上需要根據(jù)頻率設(shè)置設(shè)置濾波器，隔離型變壓器對(duì)特定頻率的干擾進(jìn)行濾除。

區(qū)域2區(qū)域需要采用電容濾波，同時(shí)光耦隔離。

區(qū)域3中CAN總線和485總線采用帶隔離的收發(fā)器，同時(shí)在電路上采用電容和ESD抑制器TVS二極管進(jìn)行濾波和尖峰抑制。

區(qū)域4中在A/D轉(zhuǎn)換前設(shè)置多重濾波電容，同時(shí)做好接地。

區(qū)域5對(duì)信號(hào)線進(jìn)行包地和去耦處理。常見(jiàn)的去耦措施有：不同電容組合，電容和電感、磁珠混用。

區(qū)域6和7電路進(jìn)行濾波處理外，還要進(jìn)行屏蔽和包地處理。還可以在IRQ和RESET引腳使用TVS管等瞬態(tài)抑制器件。

2.3 PCB的EMC設(shè)計(jì)

1）PCB層數(shù)及層分配

依據(jù)圖6共模電流流向圖，PCB板層數(shù)及定義見(jiàn)表1。

2）敏感器件在PCB中的位置

敏感器件放置在電路板當(dāng)中位置，在PCB沒(méi)有耦合層上。濾波電容放在被濾波器件的相應(yīng)引腳附件，或在共模電流泄放的路徑中。

表1 PCB層定義表

3）地平面和模擬電路地平面的設(shè)計(jì)

地平面要求沒(méi)有任何過(guò)孔，開槽，裂縫且長(zhǎng)寬比小于3的PCB銅箔。

模擬電路地（AGND）平面設(shè)計(jì)在既沒(méi)有共模耦合，也沒(méi)有共模電流流過(guò)的位置上[3]。

4）電源平面設(shè)計(jì)

電源平面在保證沒(méi)有串?dāng)_發(fā)生的情況下盡可能的大，電源平面盡量做到與地平面鄰近，增加電源平面與地平面之間的層間電容，這對(duì)去高頻耦有效。

5）串?dāng)_防止設(shè)計(jì)

臟的信號(hào)線、特殊處理的時(shí)鐘信號(hào)線、高速信號(hào)線與“干凈”的信號(hào)線之間考慮串?dāng)_問(wèn)題。

6）特殊信號(hào)線設(shè)計(jì)

時(shí)鐘信號(hào)線、高速信號(hào)線、敏感信號(hào)線等布線注意方法。

所有的空置區(qū)域都要鋪銅處理，并將其通過(guò)適量過(guò)孔與相應(yīng)區(qū)域的地平面相連[4]。

3 電池管理系統(tǒng)電磁兼容性驗(yàn)證

3.1 電池管理系統(tǒng)EMC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

根據(jù)電池管理系統(tǒng)EMC設(shè)計(jì)方案，列出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估要素。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估要素見(jiàn)表2。

表2 電池管理系統(tǒng)評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)要素信息表

其中：按產(chǎn)品中單個(gè)EMC風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估要素的影響程度等級(jí)進(jìn)行劃分

Ⅰ：風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)為0.4；Ⅱ：風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)為0.3；Ⅲ：風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)為0.2；Ⅳ：風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)為0.1[4]。

風(fēng)險(xiǎn)要素代號(hào)表示風(fēng)險(xiǎn)值，是以10為單位的一個(gè)0-100之間的數(shù)值，由產(chǎn)品實(shí)際模型與實(shí)際模型對(duì)比，進(jìn)行確定[5]。

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估計(jì)算公式：

式中K1、K2、K3、K4為風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，分別對(duì)應(yīng)0.4、0.3、0.2、0.1；

參考GB/Z18039.1-2019規(guī)定產(chǎn)品整機(jī)EMS風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)（工業(yè)級(jí)），見(jiàn)表3。

表3 EMC風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)表

動(dòng)力電池組管理系統(tǒng)經(jīng)電磁兼容性設(shè)計(jì)后，進(jìn)行評(píng)估為稍有風(fēng)險(xiǎn)級(jí)。

3.2 電池管理系統(tǒng)EMC試驗(yàn)

根據(jù)中國(guó)船級(jí)社規(guī)定進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖7及圖8，試驗(yàn)結(jié)果滿足船級(jí)社要求。

4 結(jié)語(yǔ)

本文動(dòng)力電池組管理系統(tǒng)電磁兼容進(jìn)行深入分析，就電池管理系統(tǒng)進(jìn)行了電磁兼容設(shè)計(jì)，對(duì)設(shè)計(jì)優(yōu)化后的電池管理系統(tǒng)進(jìn)行了電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。評(píng)估及試驗(yàn)結(jié)果表明，電池管理系統(tǒng)電磁兼容風(fēng)險(xiǎn)較低，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 電源正極傳導(dǎo)發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果

圖8 外殼端口輻射發(fā)射試驗(yàn)結(jié)果

[1] 鄭軍奇. EMC設(shè)計(jì)分析方法與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估技術(shù). 中國(guó)工信出版集團(tuán). 電子工業(yè)出版社: 296-297.

[2] 成志東. 高速數(shù)字系統(tǒng)印刷電路板電磁兼容設(shè)計(jì)[J]. 長(zhǎng)江大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）, 2009, 6(04): 275-276.

[3] 劉鳳秋, 徐征輝, 劉勝劍. 雙電源管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子設(shè)計(jì)工程, 2015, 23(02): 106.

[4] 陳健. 電動(dòng)汽車電池管理系統(tǒng)電磁兼容性分析與設(shè)計(jì)[D]. 吉林大學(xué), 2019, 3(7): 38.

[5] 李富同. 高速PCB板的電磁兼容性設(shè)計(jì)及仿真分析[D]. 東南大學(xué), 2021: 47.

Marine power battery pack BMS EMC design

Li Xialin, Li Wei, Zhao Sheng，Liu Yunfeng，Peng Ang

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM612

A

1003-4862（2022）03-0125-04

2022-03-17

李霞林（1985-），男，工程師。研究方向：電源管理系統(tǒng)及設(shè)計(jì)研發(fā)。E-mail: lixinnan0407@163.com