電動汽車電池管理系統(tǒng)抗電磁干擾技術(shù)研究

李 旭，肖利華，王麗芳，何舉剛，汪泉弟

（1.中國長安汽車工程研究院，重慶 401120；2.重慶長安新能源汽車有限公司，重慶401120；3.中國科學(xué)院 電工研究所，北京 100190；4.重慶大學(xué) 輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400040）

電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）對動力電池的電壓、電流和溫度進(jìn)行檢測，估算荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC），并對動力電池提供有效保護(hù)，是電動汽車重要的電控單元，但是BMS所處的電動汽車整車電磁環(huán)境異常復(fù)雜。由驅(qū)動電機(jī)、電機(jī)控制器（通常包括PWM型DC/AC逆變和AC/DC整流電路）和DC/DC直流變換器等組成的整車動力系統(tǒng)工作電壓/電流高、功率大、開關(guān)頻率高，形成較強(qiáng)的電磁干擾[1-2]，它不僅制約著電動汽車整車電磁兼容的法規(guī)通過率，還會影響車內(nèi)BMS等敏感電器系統(tǒng)的正常工作，對整車的安全可靠運(yùn)行造成威脅。因此，對電動汽車整車及專用器件的電磁兼容性技術(shù)進(jìn)行研究[3-6]，具有重要的理論意義和工程價值。

結(jié)合長安公司中度混合電動汽車平臺中某型電動車在調(diào)試過程中，出現(xiàn)的BMS受電磁干擾，導(dǎo)致采集的動力電池電壓/電流出現(xiàn)錯誤的實(shí)際問題，筆者研究了電動汽車內(nèi)部主要電磁騷擾源及對BMS耦合干擾的機(jī)理，并通過BMS的有效電磁兼容性設(shè)計(jì)，重點(diǎn)提升了BMS的抗電磁干擾性能。臺架試驗(yàn)和整車驗(yàn)證結(jié)果表明，經(jīng)EMC優(yōu)化設(shè)計(jì)后的BMS能滿足電動汽車復(fù)雜電磁環(huán)境的使用要求。

1 車內(nèi)電磁環(huán)境及對BMS耦合機(jī)理

1.1 車內(nèi)電磁環(huán)境分析

長安公司某型中度混合電動汽車動力系統(tǒng)布置如圖1所示。整車動力系統(tǒng)由額定電壓為144 V的鎳氫動力電池及BMS、電機(jī)控制器（IPU）、直流變換器（DC/DC）及額定功率為13 kW的ISG電機(jī)與1.6 L汽油發(fā)動機(jī)并聯(lián)組成。

1.1.1 低壓電器系統(tǒng)的干擾

首先，電動汽車中12 V低壓電器系統(tǒng)中的各種開關(guān)、繼電器和直流電機(jī)等電感性部件在通斷過程中會在電路中形成很高的瞬變電壓，持續(xù)時間約為1 ms，最大幅值可超過-100 V。瞬變電壓的主要耦合方式為傳導(dǎo)耦合，通過共用的電源耦合進(jìn)車內(nèi)其它電子系統(tǒng)中。再則，車身控制器、空調(diào)控制器和DVD等部件的主芯片、時鐘電路、觸發(fā)電路、數(shù)據(jù)線和信號線等部分在工作過程中，會形成頻段覆蓋150 kHz～2.5 GHz的電磁干擾。最后，有刷直流電機(jī)、機(jī)械式電喇叭和點(diǎn)火系統(tǒng)等工作過程中產(chǎn)生的電火花，能形成頻譜很寬的輻射噪聲。

1.1.2 高壓動力系統(tǒng)的干擾

動力系統(tǒng)工作過程中，電機(jī)控制器IPU、直流變換器的開關(guān)器件IGBT和功率二級管工作在高速開關(guān)狀態(tài)，形成很高的du/dt和di/dt，導(dǎo)致較強(qiáng)的電磁干擾，并以傳導(dǎo)和輻射的形式影響B(tài)MS的正常工作。

1.2 對BMS耦合干擾機(jī)理

BMS及其硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。電路主要由電源模塊、傳感器模塊、保護(hù)模塊、MCU模塊和通訊模塊等部分組成。

由于BMS采用金屬鋁質(zhì)外殼，車內(nèi)電磁干擾對BMS的耦合有兩種主要途徑：車內(nèi)的低頻瞬態(tài)和各種干擾直接通過BMS的電源線以共?；虿钅８蓴_的形式耦合進(jìn)BMS，而車內(nèi)的各種輻射干擾場把能量耦合在BMS的連接線束上，形成共模干擾電流耦合進(jìn)BMS。

2 BMS的抗電磁干擾技術(shù)

針對上述BMS外部的電磁干擾源和耦合機(jī)理可在BMS的電路原理設(shè)計(jì)、印刷電路板設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面采取針對性的EMC設(shè)計(jì)方法[7]。重點(diǎn)對電源電路、敏感小信號采集電路、接口電路、PCB元器件布局和布線，并結(jié)合PCB的EMC仿真分析和軟件濾波技術(shù)，使BMS具有較好的抗電磁干擾性能。

2.1 BMS電路原理的EMC設(shè)計(jì)

2.1.1 供電電源電路

由于BMS的電源線與12 V蓄電池和DC/DC低壓輸出端、電機(jī)控制器低壓電源端并聯(lián)，并與車用其它電器設(shè)備共用電源系統(tǒng)，DC/DC和其它用電設(shè)備產(chǎn)生的各種低頻瞬態(tài)和高頻干擾、共模干擾可通過電源耦合進(jìn)BMS。為此設(shè)計(jì)如圖3（a）所示電源輸入電路，采用編號為V1的TVS抑制電源輸入中的瞬態(tài)干擾并提供ESD防護(hù)能力，采用編號為L1和L2的大電流磁珠抑制電源輸入中的高頻干擾，同時也抑制BMS內(nèi)部向外發(fā)射高頻干擾。通過編號為L3、C1、C8、C2和C7構(gòu)成的共模濾波器濾除電源輸入中的共模噪聲和諧波干擾。通過L1、C6、C4、C5和C3組成的LC濾波電路濾除電源輸入中的差模干擾。

BMS板內(nèi)的另外一個重要電源是+5 V的主工作電源，如圖3（b）所示。該電源工作的穩(wěn)定性及抗干擾性能直接影響到系統(tǒng)的信號采集準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性。該電源抗干擾的重要措施是由L1、C4、C5組成的LC π型差模濾波電路，濾除電源線上的差模干擾，同時對板內(nèi)可能傳導(dǎo)到外部的差模干擾亦能起到有效的抑制作用。

模擬電源電路主要為BMS的模擬采集運(yùn)放電路提供穩(wěn)定的雙電源，如圖3（c）所示。

由TS1和IC1構(gòu)成具有正負(fù)輸出電壓的單端反激型開關(guān)穩(wěn)壓電路。對該電路工作頻率的選取較為關(guān)鍵，工作基頻需要避開傳導(dǎo)及輻射抗擾度等測試較敏感的頻率段。

2.1.2 關(guān)鍵敏感信號采集電路

BMS內(nèi)部的關(guān)鍵信號是動力電池的工作電流信號，該信號的采集用于動力電池的安時容量積分算法，計(jì)算動力電池的SOC。該信號是mV級的弱信號，由精密錳銅合金電阻Shunt作為傳感器,因信號幅度小，極易受到干擾，造成采集電流不準(zhǔn)的問題。為此，在BMS的輸入端口處采用共模抑制電感和電容對采集的信號進(jìn)行了共模濾波處理，如圖4所示。

2.1.3 接插口電路

BMS的每個引腳采用串聯(lián)磁珠和并聯(lián)去耦電容的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，以濾除外部高頻干擾的傳導(dǎo)耦合。磁珠和電容的選擇既要考慮能有效濾除高頻干擾，又要考慮到引腳信號的電平變化速度，及需要通過電流的大小。電容的等效阻抗可以表示如式（1），其中RS為等效串聯(lián)電阻，L為等效串聯(lián)電感，C為電容。

由式（1）可以看出，要取得較好的濾波效果，需要綜合考慮電容的容值大小、封裝形式及寄生參數(shù)等的影響，針對每個信號引腳，選用不同的磁珠和旁路電容。

2.2 印刷電路板的EMC設(shè)計(jì)

2.2.1 元器件布局

BMS印刷電路板的布局和布線，對BMS的電磁兼容性及產(chǎn)品的可靠性等有重要影響。布局和布線是密不可分的，PCB設(shè)計(jì)中的布局是決定布線好壞的先決條件。布局技術(shù)主要考慮以下要點(diǎn)。

（1）PCB尺寸大小和形狀。PCB的形狀設(shè)計(jì)為矩形，長寬比3∶2左右，根據(jù)元器件布局和布線要求計(jì)算合理的PCB尺寸大小。

（2）使用相同電源的元器件集中布置在一起，以便電源分割。根據(jù)電路的功能單元，劃分為數(shù)字、模擬和地區(qū)域。對元器件按功能集中布置，各功能模塊分開，使相互間的干擾耦合最小，同時與電源配置的地腳也必須匹配。

（3）盡量縮短各元器件之間的引線和連接，特別是高頻元器件間的連線。去耦電容盡量靠近芯片的電源腳，晶振離MCU的距離不超過2 cm，周圍用地線包圍，并將晶振外殼接地。BMS外部輸入的信號濾波電路布置在信號引腳處。功率驅(qū)動電路靠近接線端子，布置在PCB板邊上，所有元器件距離PCB的邊緣大于3 mm。

2.2.2 布線設(shè)計(jì)

BMS采用4層電路板，中間兩層分別為電源層和接地層，頂層和底層為信號層。電源層分為5 V數(shù)字電路電源、12 V和15 V模擬電源。按功能將接地層分隔開，為模擬電路、數(shù)字電路和大電流功率輸出電路設(shè)計(jì)單獨(dú)的地。布線時綜合考慮了以下幾方面。

（1）相鄰導(dǎo)線間的串?dāng)_。SPI信號和晶振信號與低頻信號不混合布線，數(shù)字信號與模擬信號分開布線，頂層與底層信號布線轉(zhuǎn)角走圓弧狀，避免平行走線，相鄰層的布線相互垂直。

（2）減小關(guān)鍵信號線的走線長度和回路面積。使電路中電流環(huán)路保持最小，信號線和回線盡可能靠近。使用較大的地平面以減小地線阻抗。

（3）選擇合理的導(dǎo)線寬度，并避免布線不連續(xù)。對于數(shù)字電路，可選0.2～0.3 mm導(dǎo)線寬度，電源線和地線應(yīng)盡量加寬，以減小寄生電感，地線＞電源＞信號線。電源線為1.2～2.5 mm。

圖5中給出了BMS在進(jìn)行EMC優(yōu)化布局前后，PCB元器件的布局和關(guān)鍵信號的流向圖。經(jīng)優(yōu)化后元器件的布局更為合理，電源布局更為緊湊，并消除了數(shù)字電源和模擬電源之間的電源交叉問題。優(yōu)化后易受干擾的總電流信號走線長度由58.48 mm（2 302.49 mil）減小到15.83 mm（623.35 mil），使BMS系統(tǒng)的抗電磁干擾能力大幅增強(qiáng)。

2.2.3 PCB仿真設(shè)計(jì)

為了更好地優(yōu)化BMS的電磁兼容性能，應(yīng)用EMC仿真軟件對BMS板極的EMC問題進(jìn)行了建模仿真，以減少PCB上的各種輻射能量，并降低電源地平面諧振和電路回流路徑阻抗。

圖6中給出了應(yīng)用EMC仿真軟件對BMS地諧振問題進(jìn)行優(yōu)化前后的對比圖。通過仿真分析和優(yōu)化，地諧振幅度減小了10 dB以上，有效提升了BMS的電磁兼容性能。

2.3 結(jié)構(gòu)及其它EMC設(shè)計(jì)

BMS外殼采用鋁質(zhì)外殼，PCB的外邊四周采用覆銅設(shè)計(jì)，并良好接地。在整車上采用如圖7所示的安裝和接地設(shè)計(jì)，獲得了較好的電磁屏蔽效果，提升了BMS的電磁兼容性能。

2.4 軟件濾波技術(shù)

除了采用上述的硬件EMC設(shè)計(jì)措施外，BMS還采用了一階滯后濾波等常用軟件濾波方法，解決了瞬間脈沖干擾、隨即干擾和周期性干擾導(dǎo)致的數(shù)據(jù)采集異常等問題。

一階滯后濾波傳遞函數(shù)及濾波平滑系數(shù)基于RC一階低通濾波器的特性進(jìn)行推導(dǎo)。RC電路的傳遞函數(shù)為

將式（2）寫成差分方程，經(jīng)整理得

式中：X(k)為第k次采樣值；Y(k-1)為第k-1次濾波輸出值；Y(k)為第k次濾波輸出值；a為濾波平滑系數(shù)。

對式（3）兩端同時取自然對數(shù)有

式中：T為采樣周期。

已知截止頻率f0，可通過式（5）即確定出濾波平滑系數(shù)a。

長安公司中度混合電動車所用鎳氫H45型BMS系統(tǒng)信號采集周期T=10 ms，截止頻率f0=5 Hz，可得平滑系數(shù)a=0.062 5，時間常數(shù) τ=160 ms。其階躍響應(yīng)曲線如圖8所示，從中可以看到，經(jīng)濾波后的信號與真實(shí)信號間有一定的延時，但完全能滿足BMS系統(tǒng)對實(shí)時性的要求。

圖9中給出了BMS有無軟件濾波時，實(shí)車采集的總電壓信號。

從圖9可知，經(jīng)濾波后的BMS采集的總電壓信號更為平穩(wěn)。說明軟件濾波能有效消除BMS采集數(shù)據(jù)過程中的瞬間脈沖干擾、隨機(jī)干擾，使信號更平滑，解決了由于受到外部電磁干擾導(dǎo)致的瞬間數(shù)據(jù)異常問題。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

按上述EMC方法設(shè)計(jì)的BMS，具有較好的電磁干擾發(fā)射和抗電磁干擾能力。根據(jù)車內(nèi)電磁干擾對BMS耦合干擾的機(jī)理，及對BMS采集電壓/電流出現(xiàn)錯誤實(shí)際問題的分析，重點(diǎn)參照《ISO 11452-4 Road Vehicles-Component Test Methods for Electrical Disturbances from Narrowband Radiated Electromagnetic Energy》標(biāo)準(zhǔn)，第4部分：Bulk Current Injection（BCI）的測試方法[8]對BMS的抗電磁干擾能力進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，共模電流大小為100 mA，試驗(yàn)頻率范圍為20～400 MHz。試驗(yàn)布置照片如圖10所示。

表1 BCI測試過程中BMS采集偏差

表1中給出了在抗大電流注入測試過程中，經(jīng)EMC優(yōu)化設(shè)計(jì)前后，BMS采集的動力電池總電壓、總電流和模塊電壓的最大偏差對比。

經(jīng)優(yōu)化后，BMS采集偏差大幅減小，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。裝有該BMS的4輛混合動力電動汽車分別在江西南昌示范運(yùn)行了76 000 km、99 576 km、701 560 km和61 888 km，均未出現(xiàn)動力電池參數(shù)采集錯誤的問題，說明經(jīng)EMC優(yōu)化設(shè)計(jì)后的BMS能滿足電動汽車復(fù)雜電磁環(huán)境的使用要求。

4 結(jié)論

電池管理系統(tǒng)（BMS）是電動汽車能量管理的重要部分，它提供整車控制策略的重要參數(shù)，但BMS系統(tǒng)在電動汽車強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中工作時易出現(xiàn)采集參數(shù)錯誤的問題，影響電動汽車的安全可靠運(yùn)行。為此，筆者基于長安公司中度混合電動車平臺，研究了車內(nèi)電磁環(huán)境及其對BMS耦合干擾機(jī)理，并通過BMS的有效電磁兼容性設(shè)計(jì)，重點(diǎn)提升了BMS的抗干擾性能，滿足了電動汽車復(fù)雜電磁環(huán)境的使用要求。

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