人工電源網(wǎng)絡對電動汽車充電的電磁輻射測量影響評估

【摘" 要】電動汽車在連接電網(wǎng)進行補能時，可能會對外產(chǎn)生電磁輻射騷擾。相關標準規(guī)定，在進行電磁輻射騷擾測量時必須采用人工電源網(wǎng)絡，然而這一要求與其他用電設備的測量要求以及人工電源網(wǎng)絡的頻率適用范圍并不一致。文章構建車輛充電時的高頻電路模型，從差模干擾和共模干擾兩個方面深入分析引入人工電源網(wǎng)絡所帶來的影響。同時，設計比對驗證試驗，以證明在高頻情況下人工電源網(wǎng)絡對輻射發(fā)射測量的影響較小，且在某些測試場景中可以簡化試驗布置，進而提高試驗效率。

【關鍵詞】電動汽車;人工電源網(wǎng)絡;電磁輻射測量;高頻電路模型

中圖分類號：U469.72" " 文獻標識碼：A" " 文章編號：1003-8639（ 2024 ）12-0006-03

Evaluation of the Influence of Artificial Mains Network on Electromagnetic Radiation

Measurement of Electric Vehicle Charging

【Abstract】When electric vehicles are connected to the power grid for replenishment，electromagnetic radiation disturbance may occur. The relevant standards stipulate that the artificial mains network must be used in the measurement of electromagnetic radiation disturbance，but this requirement is not consistent with the measurement requirements of other electrical equipment and the frequency application range of the artificial mains network. In this paper，the high-frequency circuit model of vehicle charging is constructed，and the impact of introducing artificial mains network is analyzed from two aspects：differential mode interference and common mode interference. At the same time，the comparison test is designed to prove that the artificial power supply network has less influence on the radiation emission measurement under high frequency conditions，and the test arrangement can be simplified in some test scenarios，so as to improve the test efficiency.

【Key words】electric vehicle;artificial mains network;electromagnetic radiation measurement;high-frequency circuit model

0" 引言

電動汽車在充電過程中，車載電子模塊（如AC/DC等）進行整流變換會產(chǎn)生一定的電磁干擾。這種電磁干擾可能會沿著充電線纜向外輻射，進而對周邊的射頻系統(tǒng)及無線電裝置產(chǎn)生影響。因此，有必要對電動汽車充電時的輻射騷擾進行控制。國際標準ECE R10、IEC/CISPR 12雖已提出相關要求，但測試方法的細節(jié)仍有待完善。電動汽車交流傳導充電的EMC測量要求及方法在ECE R10第4版中被提出，并于2012年3月正式發(fā)布。該標準規(guī)定采用CISPR 16-1-2：2016中的人工電源網(wǎng)絡（Artificial Mains Network，AMN）進行射頻傳導發(fā)射測量，但在輻射發(fā)射測量中未明確規(guī)定AMN，僅在測試布置圖中有體現(xiàn)。ECE R10第5版和第6版明確規(guī)定應采用50μH/50Ω的AMN進行交流充電的輻射發(fā)射測量。

盡管ECE R10及IEC/CISPR 12已有相關要求，但據(jù)了解，國際標準起草工作組的專家們正在討論電動汽車充電的輻射發(fā)射測量中使用AMN的必要性。由于ECE R10允許采用戶外試驗場地（Outdoor Test Site，OTS）進行車輛檢驗，而在OTS進行電動汽車充電測試時，難以實現(xiàn)AMN的良好接地條件，因此，研究電動汽車充電的輻射發(fā)射測量是否一定要使用AMN顯得更為緊迫。

通過與其他電子電氣產(chǎn)品EMC測量標準進行橫向比較發(fā)現(xiàn)，只有汽車行業(yè)在進行電動汽車充電的輻射發(fā)射測量時要求使用AMN。并且，AMN的頻率范圍與輻射發(fā)射測量的頻率范圍不匹配，AMN的典型工作頻率范圍為150kHz～30MHz，而輻射發(fā)射測量范圍為30～1000MHz。因此，使用AMN對測量電動汽車充電電磁輻射的作用需要進一步研究。

1" 國內外研究現(xiàn)狀

AMN的電路原理圖在文獻[1]中給出，其中規(guī)定了其阻抗幅度的允差為±20%，相角的允差為±11.5°。文獻[1]的附錄A.8闡述了V型AMN分壓系數(shù)的測量方法。在附錄I中介紹了V型AMN輸入阻抗引入相角允差的原理，經(jīng)計算結果顯示，ΔφAMN=11.5°和ΔφAMN=23°引入的電平偏差最大值可達3.07dB。文獻[2]中詳細討論了輸入阻抗、衰減因子、騷擾源阻抗、參考平面位置變化（金屬板寄生電容差異）等因素對使用V型AMN測量EUT傳導騷擾的不確定度的影響。意大利的Carobbi博士[3]進一步深入研究了騷擾源阻抗的影響，運用“worst case”分析法和概率統(tǒng)計分析法研究了EUT阻抗對CE測量的不可重復性（Nonreproducibility）的差異，結果表明采用概率統(tǒng)計分析法的方式與CISPR標準具有非常好的一致性。文獻[4]和[5]均利用電磁仿真軟件分析了內部電感電容在高頻時的寄生參數(shù)對AMN隔離度、阻抗校準的影響，同時指出校準用適配器的寄生電感、接地電容對阻抗測量影響較大。韓玉坤[6]等人對3款不同的AMN進行了試驗對比，數(shù)據(jù)顯示向低頻擴展頻率使用AMN會導致阻抗的模和相角超過標準允差，進而使傳導騷擾測量結果產(chǎn)生較大偏差。何德業(yè)[7]等人采用試驗比對的方法驗證了在使用不同組合方案（如是否使用測量接收機內置衰減、限幅器、外置衰減器等）時傳導騷擾測量結果的差異，推薦在人工電源網(wǎng)絡和接收機之間增加50Ω阻抗匹配以確保測試結果的一致性。文獻[8]給出的試驗數(shù)據(jù)表明，AMN是否接地對整車輻射騷擾測量結果幾乎沒有影響。

雖然國內針對使用AMN進行電磁騷擾測量研究的文獻較多，但主要是針對傳導騷擾的測量及其不確定度或者AMN本身的校準、參數(shù)測量等，對于AMN用于輻射騷擾測量的研究則較少。

2" 理論分析

2.1" 建立高頻電路模型

結合標準規(guī)定的V型人工電源網(wǎng)絡的電路圖及參數(shù)，同時參考文獻[4]所建立的AMN高頻等效原理圖，可以推導出車輛充電測試的基本電路模型，如圖1所示。在該模型中，LC1為高頻時C1的寄生電感，CL1為高頻時L1的寄生電容，LC2為高頻時C2的寄生電感。Rcable和Lcable為整車充電線纜及接插頭的等效電阻和等效電感，CL-N、CL-PE、CN-PE分別為暗室內充電線纜L與N、L與PE以及N與PE之間的分布電容。CL-地、CN-地、CPE-地分別為暗室內充電線纜L與接地平面、N與接地平面以及PE與接地平面之間的分布電容。

根據(jù)傳輸線理論，對于雙線傳輸線的單位長度分布參數(shù)，可以近似用以下公式計算：

式中：s——導線之間的距離;r——導線的半徑，且s≥4r。

放置于無限大接地平面上的導線，其對地的單位長度分布電容可以近似用公式（3）計算：

式中：h——導線與地平面的高度;r——導線的半徑。

Lcable、CL-N、CL-PE、CN-PE與線纜的長度有關，近似值為線纜單位長度分布參數(shù)與線纜長度的乘積。由于線纜的導線長度、半徑、間距等參數(shù)基本一致，CL-N≈CL-PE≈CN-PE。

對于某單相三線電源線，內部單根導線直徑1.6mm，線-線間距5.0mm，導線之間以及整體有PVC絕緣層。當放置于金屬接地平面時，導線中心高度為12mm。線纜參數(shù)比較見表1。

2.2" 干擾耦合路徑分析

2.2.1" EUT差模干擾

對于EUT的差模干擾，其干擾電流存在2個流經(jīng)途徑。途徑1為：EUT L線端口→AMN L線端口→AMN PE線端口→AMN N線→EUT N線端口。途徑2為：EUT L線端口→CL-N或（CL-PE→CN-PE）→EUT N線端口。

根據(jù)文獻[9]給出的內容，平行雙線傳輸線的輻射發(fā)射可由公式（4）計算：

在相同干擾源（差模干擾電壓）作用下，使用AMN和不使用AMN的差異主要在于AMN阻抗的引入所導致的電路干擾電流ID的變化。

經(jīng)過計算得知，干擾路徑2的線路阻抗為：

在100MHz時，線纜長度為2m和15m時所對應的值分別為-j220Ω、-j29Ω。而干擾路徑1在100MHz、線纜長度2m時，其阻抗約為100+j294Ω;當線纜長度15m時，阻抗約為100+j2200Ω。此時，線路阻抗已大于線纜寄生參數(shù)形成的回路阻抗。隨著頻率逐步上升，阻抗的差異越來越大。由于射頻干擾電流總是沿著低阻抗的回路傳輸，故而差模干擾電流的傳輸已從傳統(tǒng)的物理線路轉變?yōu)橐愿蓴_路徑2為主要路徑。鑒于ID≈UDM / ZDM2，所以在高頻時，AMN阻抗的引入對差模電流產(chǎn)生的輻射發(fā)射強度貢獻度較小。

2.2.2" EUT共模干擾

對于EUT的共模干擾，其干擾電流也存在2個流經(jīng)途徑。途徑1為：EUT L/N/PE線端口→AMN L/N/PE線端口→AMN金屬外殼→暗室地平面。途徑2為：EUT L/N/PE線端口→CL-地、CN-地、CPE-地→暗室地平面。

通常情況下，AMN L/N/PE線與AMN金屬外殼的寄生電容較小，處于幾個pF級別，因此對應的射頻阻抗較大。同時，由于線纜寄生電感Lcable在高頻時起主要作用，所以隨著頻率的升高，干擾路徑1的阻抗會遠大于干擾路徑2。在這種情況下，共模電流以干擾路徑2作為主要傳輸途徑。

根據(jù)文獻[9]給出的平行雙線傳輸線的共模電流輻射發(fā)射可由公式（6）計算：

共模電流所導致的輻射發(fā)射的強度與共模電流IC以及雙線傳輸線等效長度l成正比，與距離d成反比。

傳輸線等效輻射發(fā)射的線長為從車輛充電接口垂直向下到地面的線纜部分。平鋪在接地平面的線纜部分與地面形成較大的寄生電容，因此對于使用AMN和不使用AMN的布置，雙線傳輸線等效長度l不變。

在相同的干擾源（共模干擾電壓）作用下，共模干擾所導致的輻射發(fā)射強度主要由共模干擾電流IC的變化決定。由于IC≈UCM/ZCM2，所以在高頻時，AMN阻抗的引入對共模電流產(chǎn)生的輻射發(fā)射強度貢獻度同樣較小。

3" 試驗對比驗證

選擇某一純電動車輛，運用車輛自配的模式2纜上充電盒進行充電的輻射發(fā)射測試。配置1嚴格依照UN ECE R10第6版的要求進行布置，采用某款V型人工電源網(wǎng)絡進行充電，同時用金屬接地帶將人工電源網(wǎng)絡外殼與電波暗室接地平面妥善搭接。從電波暗室轉臺上的供電接口取電，且電源線盡可能縮短。AMN與車輛充電接口之間的纜上充電盒及線纜按照標準規(guī)定的“Z”字型折疊布置。配置2為去除AMN的狀態(tài)。為盡可能模擬出試驗室的極端布置情形，假設電波暗室沒有轉臺，從電波暗室側壁附近的接口板取電。從接口板電源插座到車輛纜上充電盒的充電插頭的線纜長度超過15m。該電源線直接放置在電波暗室的地面并經(jīng)過天線與車輛之間的區(qū)域。纜上充電盒及線纜同樣按照標準規(guī)定的“Z”字型折疊布置。兩種試驗布置主要參數(shù)見表2，試驗布置照片如圖2所示。

試驗測試結果對比如圖3所示。圖中灰色曲線代表試驗室內有車輛和AMN但車輛未充電的輻射測量結果，用作數(shù)據(jù)參考;藍色曲線為試驗布置1情況下天線在水平極化和垂直極化測量的最大值;橙色曲線為試驗布置2情況下天線在水平極化和垂直極化測量的最大值;黃色曲線為試驗布置1與試驗布置2在對應頻率的幅度差值。

從測試對比結果可以看出，該樣車充電時的輻射發(fā)射電平主要集中在35～100MHz頻率范圍內;用AMN和不用AMN兩種測試布置下輻射發(fā)射測試結果的趨勢基本一致;兩種布置下對應頻點幅值的差異在±6dB范圍以內。在超過300MHz以上頻段，兩種配置的結果偏差趨向于±4dB以內。

由于試驗布置2代表了一種相對極端的情況——不采用AMN進行測試，車輛附近缺少電源插座，因而只能從暗室一側較遠的位置接電;電源線長度超過15m，并且還橫穿測量天線與車輛之間的區(qū)域，使得線纜的對外輻射更容易被測量天線接收。然而，即便處于這樣的極端情況，其測量結果與采用AMN的標準布置相比，也僅僅只有±6dB的差異。這個偏差范圍比CNAS-GL07：2006《電磁干擾測量中不確定度的評定指南》中所給出的在開闊場或替代場地上測得的輻射騷擾的擴展不確定度（5.2dB，95%的置信區(qū)間）略大一點。在對測量精度要求并非特別高的場景或者前期研發(fā)階段，可以不使用AMN進行輻射發(fā)射測量，簡化了操作布置，提升了效率。

4" 結論

通過建立電動汽車充電的輻射發(fā)射測量的高頻電路模型，從差模干擾和共模干擾兩方面分別對輻射發(fā)射測量的干擾耦合路徑及主要影響因素進行了分析。經(jīng)計算，在高頻時，線纜寄生參數(shù)形成的回路阻抗遠小于線纜經(jīng)過AMN內部電子元件形成的回路阻抗，由此可判斷AMN對輻射發(fā)射測量的影響較小。在開展的對比驗證試驗中，一組嚴格按照標準規(guī)范進行測量，對照組為試驗室去除AMN的相對極端試驗布置。即便如此，兩組對比數(shù)據(jù)的偏差僅有±6dB。兩組結果偏差范圍較小，與理論分析結果基本一致。在對測量精度要求不是特別高的場景或車輛前期研發(fā)階段，企業(yè)在進行車輛充電輻射測量時可以簡化操作布置，省去AMN的使用，從而提高試驗效率。

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