電動(dòng)汽車在EFT-B測(cè)試中非預(yù)期充電失效問題的解決方案

李順

福建奔馳汽車有限公司 福建省福州市 350108

1 背景

從2012年到2021年，我國(guó)新能源汽車銷量由1.3萬輛增長(zhǎng)至352.1萬輛[1]，連續(xù)多年位列世界第一，隨著“碳中和”在世界范圍內(nèi)達(dá)成共識(shí)，全面電動(dòng)化已經(jīng)成為各主要汽車廠商面向未來的核心產(chǎn)品戰(zhàn)略，可以預(yù)見，電動(dòng)汽車將逐漸成為汽車消費(fèi)的主流。

電動(dòng)汽車涉及的電氣和電子設(shè)備非常的多，電池、電控和電機(jī)取代發(fā)動(dòng)機(jī)變速箱成為關(guān)鍵零部件，充電替代加油成為用車生活的日常，而傳導(dǎo)充電過程中會(huì)受到環(huán)境和公共電網(wǎng)中的多種電磁現(xiàn)象的干擾，導(dǎo)致充電故障和車輛安全風(fēng)險(xiǎn)，因此，對(duì)電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電過程的電磁兼容測(cè)試是充電過程安全的基本性保障。

電動(dòng)汽車的電磁兼容相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)近年來快速發(fā)展，2011年UN ECE R10.4第一次將整車充電的EMC性能納入法規(guī)考察，2019年UN ECE R10.6完善了整車充電狀態(tài)的電磁兼容性能要求。2021年8月，我國(guó)針對(duì)電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電的電磁兼容性能要求和試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)GB/T 40428-2021出臺(tái)，對(duì)電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電過程中的電磁兼容性包括發(fā)射特性和抗擾特性給出了要求及相應(yīng)的試驗(yàn)方法，確保電動(dòng)汽車的電磁兼容功能和安全。與此同時(shí)，行業(yè)內(nèi)也在不斷的探索電動(dòng)汽車的EMC相關(guān)測(cè)試方法，完善電動(dòng)汽車的EMC測(cè)試體系。

2 電動(dòng)汽車傳導(dǎo)抗擾度測(cè)試過程中的充電失效問題

2.1 電動(dòng)汽車傳導(dǎo)抗擾度測(cè)試項(xiàng)目

在電磁兼容相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)UN ECE R10和GB/T 40428-2021中，電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電過程中的典型抗擾度測(cè)試主要包含兩項(xiàng)：1，沿電源線的電快速瞬變脈沖群（EFT-B）抗擾性；2，沿電源線的浪涌（Surge）抗擾性。[2]

EFT-B測(cè)試的目的是要模擬（仿真）由一普通電網(wǎng)電源開關(guān)或繼電器觸點(diǎn)在切斷瞬間的電弧所引起的騷擾[3]。電動(dòng)汽車的傳導(dǎo)充電EFT-B測(cè)試是為了評(píng)估車輛通過電纜線接入電網(wǎng)充電過程中受到電快速瞬變脈沖群干擾時(shí)的性能。

Surge測(cè)試是為了模擬出現(xiàn)在電網(wǎng)電纜以及其電源和任何長(zhǎng)電纜上的遭遇雷閃所引起的騷擾[3]。電動(dòng)汽車的傳導(dǎo)充電Surge測(cè)試是為了評(píng)估電動(dòng)車輛通過電纜線接入電網(wǎng)充電過程

中受到由開關(guān)和雷電瞬變電壓引起的單極性浪涌（沖擊）時(shí)的性能。

2.2 電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電EFT-B抗擾度測(cè)試過程中的充電失效問題

以最常見的EFT-B測(cè)試為例，在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行傳導(dǎo)充電測(cè)試項(xiàng)目搭建及測(cè)試過程中，經(jīng)常性的出現(xiàn)充電過程失效的問題，具體表現(xiàn)為在進(jìn)行EFT-B干擾時(shí)，電動(dòng)汽車充電指示燈顯示故障，充電樁繼電器斷開，正常的充電過程停止。

日常實(shí)際的充電過程中主要包含充電樁和電動(dòng)汽車兩個(gè)對(duì)象（圖1a），在充電樁-電動(dòng)汽車組成的系統(tǒng)中，對(duì)于針對(duì)電動(dòng)汽車的EFT-B測(cè)試，無可避免的會(huì)對(duì)充電樁造成影響，當(dāng)充電樁無法正常供電時(shí)，充電過程也無法正常建立，這會(huì)對(duì)電動(dòng)汽車的傳導(dǎo)充電EFT-B測(cè)試結(jié)果判定帶來嚴(yán)重干擾。通過對(duì)實(shí)際測(cè)試過程不斷地的研究和分析，我們得出的結(jié)論：充電樁和電動(dòng)汽車之間的控制信號(hào)受到了干擾，導(dǎo)致充電過程無法正常建立。

圖1 電動(dòng)汽車典型狀態(tài)a)／測(cè)試狀態(tài)b)充電示意圖

3 傳導(dǎo)充電EFT-B測(cè)試過程失效問題的研究與分析

3.1 電動(dòng)汽車的交流充電機(jī)制

以交流220V單相充電為例，除220V主電源之外，電動(dòng)汽車與供電設(shè)備之間通過控制導(dǎo)引電路（圖2）來進(jìn)行包括充電請(qǐng)求，充電電流大小等一系列信息交互，從而來實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)到車輛之間的電能傳輸過程。

圖2 充電模式3連接方式C的控制導(dǎo)引電路原理圖

供電控制裝置和車輛控制裝置之間通過CP信號(hào)進(jìn)行通訊，該CP信號(hào)的制式為PWM（Pulse width modulation wave脈 沖寬度調(diào)制）波，通過PWM波的電壓大小和占空比來控制充電過程及充電電流大小。當(dāng)充電樁的充電槍與電動(dòng)汽車充電接口連接，經(jīng)過一系列自檢測(cè)正常后，供電設(shè)備控制裝置的開關(guān)S1從+12V連接狀態(tài)切換至PWM連接狀態(tài)并發(fā)出9V的PWM信號(hào)，車輛控制裝置接收到9V信號(hào)時(shí)，表示供電設(shè)備與車輛已通過電纜正確連接，可以進(jìn)行充電。當(dāng)對(duì)供電設(shè)備發(fā)出充電指令（充電電流大小）后，PWM信號(hào)變成6V，車輛端檢測(cè)點(diǎn)2檢測(cè)到該P(yáng)WM信號(hào)（包括峰值電壓和占空比），開關(guān)S2閉合，220V主電源開關(guān)K1，K2接通，開始進(jìn)行充電。[4]

3.2 電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電EFT-B測(cè)試的鏈路設(shè)置及配置

在電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電的EFT-B測(cè)試中，需要引入耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)CDN和EFT-B信號(hào)發(fā)生器(圖1b)。其中CDN是串接在充電樁-電動(dòng)車輛充電系統(tǒng)中的，它的作用是隔離公共電網(wǎng)噪聲，同時(shí)將EFT-B信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的電快速瞬變脈沖群干擾信號(hào)耦合到被測(cè)試車輛上。

由測(cè)試鏈路圖可以看出，測(cè)試過程實(shí)際是將充電樁和電動(dòng)汽車之間連接的線纜斷開，在L、N、PE之間分別串入去耦設(shè)備，然后通過EFT-B信號(hào)發(fā)生器經(jīng)L、N、PE分別注入群脈沖騷擾電壓到被測(cè)車輛，考察被測(cè)車輛在傳導(dǎo)充電過程中的抗干擾能力。（表1）

表1 EFT-B測(cè)試參數(shù)[5]

3.3 EFT-B測(cè)試過程CP信號(hào)受干擾過程的研究

在正常使用的由充電樁-電動(dòng)汽車組成的傳導(dǎo)充電系統(tǒng)中，車身地與設(shè)備地是通過線纜直接連接的，他們之間是等電位的，CP信號(hào)也正是基于這一等電位作為參考傳輸PWM波。

在充電樁-耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)-EFT-B信號(hào)發(fā)生器-電動(dòng)汽車組成的測(cè)試系統(tǒng)中（圖3），由于CDN中地線上的電感和信號(hào)發(fā)生器地線上電容的存在，EFT-B脈沖群在PE線上的耦合路徑可以簡(jiǎn)化成如圖4的等效電路圖：

圖3 電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電EFT-B測(cè)試系統(tǒng)電路圖

圖4 情境3布置示意圖

圖4 PE線的等效電路圖

根據(jù)相關(guān)的設(shè)備參數(shù)我們可知L=100μH,CC=33nF，當(dāng)施加重復(fù)頻率為5kHz的2kV干擾電壓信號(hào)時(shí)，上圖中的LC電路會(huì)形成阻抗，致使PE和PE′間形成電位差，具體計(jì)算如下：

當(dāng)f=5kHz時(shí)：

通過上述①～⑤式的計(jì)算可以得出當(dāng)信號(hào)發(fā)生器發(fā)出頻率為5kHz,峰值電壓為2kV的群脈沖干擾時(shí)，車身地與充電樁設(shè)備地之間由于測(cè)試設(shè)備的加入形成了約6.5V的電位差。所以在進(jìn)行EFT-B測(cè)試過程中，由于該電位差的存在，使得正常充電過程中峰值電壓為6V的CP信號(hào)PWM波被覆蓋，車輛與充電樁之間無法正常建立通訊。

在EFT-B測(cè)試過程中，由于測(cè)試設(shè)備的引入改變了測(cè)試車輛和充電樁組成的穩(wěn)定系統(tǒng)，致使控制電路無法正常工作，這并不符合測(cè)試的預(yù)期，同時(shí)按照標(biāo)準(zhǔn)要求，PE線又必須作為測(cè)試對(duì)象之一，因此，如何搭建一個(gè)穩(wěn)定的測(cè)試系統(tǒng)是正確進(jìn)行該項(xiàng)測(cè)試的重要因素。

4 針對(duì)EFT-B測(cè)試過程充電失效問題的解決方案及驗(yàn)證

4.1 傳導(dǎo)充電EFT-B測(cè)試鏈路的改進(jìn)模型

根據(jù)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 40428-2021中關(guān)于測(cè)試對(duì)象的描述和理解，對(duì)于EFT-B測(cè)試，測(cè)試對(duì)象不必為電動(dòng)汽車與供電設(shè)備組成的系統(tǒng)。那么，如何實(shí)現(xiàn)將充電樁排除在外的僅針對(duì)電動(dòng)汽車充電過程的EFT-B測(cè)試呢？

通過前述對(duì)電動(dòng)汽車交流充電的充電機(jī)制和傳導(dǎo)充電EFT-B抗擾測(cè)試鏈路圖的分析，同時(shí)結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)提到的交流模擬供電設(shè)備，實(shí)驗(yàn)室對(duì)原有的測(cè)試設(shè)備進(jìn)行改造，自制一套充電控制裝置和交流供電電源接線盒組成的模擬交流充電樁，以實(shí)現(xiàn)交流220V交流電源與控制裝置的完全隔離，以期解決相應(yīng)的問題。

新的測(cè)試鏈路（圖5）將CP信號(hào)置于CDN的耦合端后端，CP信號(hào)參考地接入CDN的去耦部分PE′（也即車身地），這樣使得EFT-B脈沖電壓信號(hào)同時(shí)施加到了CP信號(hào)和PE′上，由于PWM電壓取的是兩者的差值，影響相互抵消，PWM電壓信號(hào)仍然是穩(wěn)定的，充電過程不會(huì)因?yàn)镋FT-B脈沖的施加而有任何影響。這樣就實(shí)現(xiàn)了只針對(duì)電動(dòng)汽車充電過程交流220V主電路的群脈沖干擾測(cè)試，只有當(dāng)群脈沖干擾真正對(duì)車輛本身功能造成影響時(shí)才會(huì)表現(xiàn)出來，符合該項(xiàng)試驗(yàn)的預(yù)期。

圖5 改進(jìn)后的傳導(dǎo)充電EFT-B抗擾測(cè)試鏈路示意圖

4.2 解決方案的實(shí)施

EVSE是一個(gè)提供PWM信號(hào)的可編程控制板，它由220V市電供電，可以串接在充電電纜中，也可以獨(dú)立供電。EVSE的AC-DC微型轉(zhuǎn)換器將交流電轉(zhuǎn)換成低壓直流PWM信號(hào)，通過改變Rpp電阻值改變PWM的占空比，實(shí)現(xiàn)不同的充電電流大小。經(jīng)過計(jì)算，確定了如表2所示常用的充電電流及對(duì)應(yīng)的Rpp值：

表2 充電電流對(duì)應(yīng)的Rpp值

以EVSE為基礎(chǔ)，根據(jù)圖6的電路連接示意圖制作成如圖7所示具有3個(gè)電流擋位的交流220V充電控制裝置，使用該控制裝置接入改進(jìn)后的傳導(dǎo)充電EFT-B抗擾測(cè)試鏈路，其輸入接耦合/去耦CDN的輸出端，輸出接充電槍至電動(dòng)汽車充電口，EVSE發(fā)出的CP信號(hào)直接與充電槍相連，與車輛控制裝置通訊，實(shí)現(xiàn)充電控制，同時(shí)還支持將CP信號(hào)單獨(dú)引出接入示波器進(jìn)行監(jiān)控和分析。

圖6 EVSE控制板及電路連接示意圖

圖7 交流220V充電控制裝置

4.3 解決方案的測(cè)試驗(yàn)證

通過對(duì)不同車輛進(jìn)行多輪的測(cè)試驗(yàn)證，該EVSE設(shè)備的CP信號(hào)能與按國(guó)標(biāo)要求設(shè)計(jì)的車輛實(shí)現(xiàn)正常連接，充電電流大小均能滿足正常充電要求，同時(shí)在在EFT-B測(cè)試過程中沒有帶入其它變量，能有效反應(yīng)被測(cè)車輛在傳導(dǎo)充電EFT-B測(cè)試過程中的狀況表現(xiàn)。

同時(shí)，該設(shè)備同樣適用于浪涌（Surge）等其它同類型的電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電抗擾類測(cè)試，不僅可使用該控制裝置組成的模擬交流充電樁進(jìn)行測(cè)試鏈路的快速搭建，還可避免不同的充電樁在測(cè)試過程中帶來的額外影響。

5 結(jié)束語

通過對(duì)電動(dòng)汽車在典型的電磁兼容傳導(dǎo)抗擾度EFT-B測(cè)試過程中的非預(yù)期充電失效問題進(jìn)行原因分析，結(jié)合測(cè)試過程的鏈路搭建，相應(yīng)測(cè)試設(shè)備的電路原理以及國(guó)標(biāo)的充電機(jī)制，本實(shí)驗(yàn)室自主設(shè)計(jì)了一套可用于電動(dòng)汽車傳導(dǎo)抗擾度測(cè)試的模擬交流充電設(shè)備，并運(yùn)用于實(shí)際測(cè)試過程中，取得了良好的實(shí)際效果。其它同類型實(shí)驗(yàn)室均可參照該方法進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)設(shè)置，解決電動(dòng)汽車在傳導(dǎo)抗擾度測(cè)試過程中的遇到的非預(yù)期充電失效問題。