動(dòng)力電池管理系統(tǒng)抗電磁干擾問題研究

符興鋒，王曼莉，賴吉健，余祥松，周斯加

(1.廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州511434；2.溫州大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，浙江溫州325035；3.溫州大學(xué)激光與光電智能制造研究院，浙江溫州325035)

科技的飛速發(fā)展推動(dòng)了社會(huì)信息化的進(jìn)程，電子設(shè)備在社會(huì)經(jīng)濟(jì)和日常生活中的各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。在現(xiàn)代汽車產(chǎn)業(yè)中，電子技術(shù)的應(yīng)用程度被認(rèn)為是汽車技術(shù)開發(fā)水平提升的一個(gè)重要標(biāo)志。電子技術(shù)在汽車上的大量應(yīng)用，不僅提高了汽車的安全性和舒適性，同時(shí)也使得汽車上的電子設(shè)備和微控單元越來越多。大量的電子元器件被安裝在汽車內(nèi)部有限的空間中，它們一起工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生很多的電磁干擾，汽車電磁干擾問題已經(jīng)成為繼汽車噪聲和尾氣排放后的第三大污染問題。研究汽車電子產(chǎn)品的電磁兼容性和干擾問題已經(jīng)成為汽車設(shè)計(jì)過程中必須要考慮的問題，汽車電磁兼容問題的改善和提高對(duì)于提高汽車安全性和可靠性意義重大[1-4]。

電動(dòng)汽車是汽車產(chǎn)業(yè)中快速發(fā)展的一個(gè)產(chǎn)業(yè)，電動(dòng)汽車的電磁兼容性問題要比傳統(tǒng)的常規(guī)汽車要苛刻得多。電動(dòng)汽車使用了高壓電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率從幾十千瓦到幾百千瓦都有，驅(qū)動(dòng)電壓也有超過500 V 的高壓，高電壓和大功率電機(jī)的存在，使得電動(dòng)機(jī)工作時(shí)給電動(dòng)汽車帶來了較強(qiáng)的電磁輻射，同時(shí)電源電壓波動(dòng)也比較劇烈，這些因素都加大了電動(dòng)汽車的電磁干擾現(xiàn)象，因此研究電動(dòng)汽車的電磁干擾問題尤其重要[5-8]。

動(dòng)力電池管理系統(tǒng)(battery management system, BMS)是電動(dòng)汽車上最重要的控制單元之一，是高壓電存儲(chǔ)單元的控制裝置。充電和放電是動(dòng)力電池的基本功能，該過程中BMS需要和其他控制單元進(jìn)行通訊交互和電流傳播，最容易出現(xiàn)電磁干擾，嚴(yán)重情況下有可能使BMS 正常功能喪失，影響到電動(dòng)汽車的正常安全使用[9-10]。本文主要是針對(duì)動(dòng)力電池管理系統(tǒng)的電磁干擾問題展開研究。

1 動(dòng)力電池管理系統(tǒng)充電過程中的問題

本文針對(duì)某款EV 車輛上使用的動(dòng)力電池管理系統(tǒng)在快充、慢充和行車過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行了研究。

1.1 直流快充

以該款EV 汽車在使用中有一定市場占有率的直流充電樁進(jìn)行充電過程中的數(shù)據(jù)為例，進(jìn)行分析說明。實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)該規(guī)格的直流快充樁在給該款EV 汽車充電時(shí)有時(shí)可正常充電，有時(shí)不能充電，頻繁上報(bào)充電故障。

1.2 慢充過程

以該款EV 汽車上安裝的某品牌車載充電機(jī)為例，裝備了該款充電機(jī)的電動(dòng)汽車有時(shí)刷卡可正常充電，有時(shí)又上報(bào)“充電繼電器粘連”故障，充電不能進(jìn)行。上報(bào)故障有時(shí)確實(shí)發(fā)生了繼電器粘連現(xiàn)象，需要更換慢充繼電器，有時(shí)又屬于誤報(bào)故障，繼電器沒有損壞的情況下報(bào)故障。

1.3 行車過程中出現(xiàn)的問題

該款EV 車型的某些車輛在行車過程中，如果啟動(dòng)空調(diào)或者PTC 工作時(shí)，BMS 有一定的概率會(huì)上報(bào)繼電器粘連故障。這些上報(bào)繼電器粘連故障案例中，有些是BMS 誤報(bào)故障，有些確實(shí)是發(fā)生了繼電器粘連故障，嚴(yán)重情況下有可能會(huì)損壞高壓元器件，導(dǎo)致車輛不能正常行駛甚至緊急掉電，引發(fā)危險(xiǎn)。

2 故障分析

2.1 快充過程故障查詢和分析

仔細(xì)分析充電過程中的故障數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在正常連接直流快充槍以后，充電樁和BMS 之間通訊交互確認(rèn)通過，進(jìn)入充電流程，但是快充約20 多秒后，快充樁充電界面顯示報(bào)錯(cuò)，提示“充電槍未能正常連接，退出充電”。

測量充電過程中的直流快充插座觸頭電壓發(fā)現(xiàn)，在該款電動(dòng)汽車快充過程中，剛開始正常充電時(shí)，隨著空調(diào)壓縮機(jī)被自動(dòng)喚醒，快充插座CC2 端口電壓發(fā)生了劇烈的波動(dòng)，呈現(xiàn)3～18 V 來回跳動(dòng)，A+/A-端口電壓呈現(xiàn)0～23 V 劇烈波動(dòng)。由于CC2 端口電壓是用來判斷快充槍是否正確連接的重要判斷依據(jù)，因此BMS 上報(bào)“快充槍未能正確連接，退出充電流程”故障信息，主動(dòng)退出了快充過程。很明顯，在快充過程中，隨著空調(diào)壓縮機(jī)的啟動(dòng)，直流快充電路出現(xiàn)了強(qiáng)烈的電磁耦合干擾現(xiàn)象，使得充電過程無法繼續(xù)進(jìn)行。這種情況的出現(xiàn)，使得快充繼電器和電池包的主正/主負(fù)繼電器工作狀態(tài)受到嚴(yán)重干擾，供電電源的不穩(wěn)定造成繼電器容易帶載切斷高壓電路，繼電器的損壞概率迅速增大。多次反復(fù)測試后，快充繼電器和電池包的主正繼電器發(fā)生粘連損壞，證實(shí)了分析結(jié)果。圖1 為充電過程中CC2 端口電壓波動(dòng)；圖2 為充電過程中測量得到的A+/A-端口電壓波動(dòng)。

圖1 充電過程中CC2端口電壓波動(dòng)

圖2 充電過程中測量得到的A+/A-端口電壓波動(dòng)

2.2 慢充過程故障查詢和分析

該款EV 汽車在慢充過程中，有時(shí)會(huì)上報(bào)慢充繼電器粘連故障導(dǎo)致慢充過程不能進(jìn)行。測量發(fā)現(xiàn)慢充過程中，慢充繼電器控制端出現(xiàn)電壓波動(dòng)，波動(dòng)頻率約50 μs，最低波動(dòng)電壓值低于3 V。在該低電壓下，慢充繼電器有可能自動(dòng)斷開，終止慢充。圖3 是用示波器采集到的慢充過程中，慢充繼電器控制端的電壓(A 通道)波動(dòng)情況。

圖3 慢充過程中的慢充繼電器控制端電壓波動(dòng)

對(duì)BMS 在慢充過程中的接地電阻進(jìn)行測量可以發(fā)現(xiàn)，接地電阻的阻值接近于無窮大，正常值應(yīng)該為盡可能接近于0，由此可以推測，BMS 電路板電源模塊接地不良有可能導(dǎo)致了鏡像電流干擾。為了抑制終端的鏡像反射干擾，需在傳輸線路的末端對(duì)地和電源端增加相同阻值的匹配電阻，或者是改善接地情況。

式中：Rs為串聯(lián)電阻值；Z0為傳輸線路特性阻抗；Zs為電源驅(qū)動(dòng)器的輸出阻抗。

臨界參數(shù)是：

串聯(lián)終端電阻可以提供較慢的上升時(shí)間，引起更小的剩余反射及更小的電磁干擾，可以減少過充，增強(qiáng)信號(hào)質(zhì)量和信號(hào)的完整性，也可以極小化功率耗散。

2.3 行車過程中的故障查詢與分析

該款電動(dòng)汽車行車中，在空調(diào)或者PTC 啟動(dòng)工作的過程中，大概會(huì)出現(xiàn)BMS 上報(bào)“主正繼電器粘連”或者“慢充繼電器粘連”故障。分析測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在空調(diào)或者PTC 啟動(dòng)工作過程中，在沒有接到VCU 閉合繼電器指令的情況下，慢充繼電器的控制端出現(xiàn)了較大的波動(dòng)電壓，波動(dòng)頻率約50 μs，最高波動(dòng)電壓值約為10 V 左右。在該電壓下，慢充繼電器會(huì)出現(xiàn)自動(dòng)閉合現(xiàn)象，見圖4 所示。很明顯，在空調(diào)或PTC 等外圍負(fù)載工作的情況下，電池包內(nèi)部的慢充繼電器控制端的控制電壓受到了干擾。

圖4 行車過程中的慢充繼電器控制端電壓波動(dòng)

3 故障解決措施分析

3.1 直流快充干擾問題處理措施

國標(biāo)GB/T 18487 并沒有對(duì)于快充樁的電磁抗干擾設(shè)計(jì)有明確的要求，但是直流快充樁在工作過程中，不僅時(shí)刻保持著低壓信號(hào)的通信，同時(shí)還有大電流給動(dòng)力電池充電，很容易造成較強(qiáng)的電磁干擾。同時(shí)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在直流快充過程中，如果電動(dòng)空調(diào)或者PTC 等高壓負(fù)載設(shè)備啟動(dòng)工作時(shí)，會(huì)對(duì)直流快充的CC2 和CC1 的端口電壓和絕緣監(jiān)測阻值產(chǎn)生干擾，容易造成誤判導(dǎo)致快充終止。

對(duì)于電動(dòng)汽車來講，當(dāng)快充槍和電動(dòng)汽車接通并且要求進(jìn)行直流充電時(shí)，需要通過快充樁端的A+和A-提供的低壓12 V 電源來喚醒車輛的BMS 或者其他控制單元。BMS 通過檢測快充插座端的CC2 端口電壓來確認(rèn)快充槍的連接狀態(tài)，只有在滿足國標(biāo)規(guī)定的連接確認(rèn)狀態(tài)并且符合充電要求的情況下，才允許電動(dòng)汽車充電，否則退出充電模式并且上報(bào)相應(yīng)的故障模式。其中測量得的A+/A-端口電壓即為U1a電壓，CC2 端口電壓即為U2bb電壓。A+/A-是直流快充樁給電動(dòng)汽車的喚醒電源，即可以被用作電動(dòng)汽車BMS 正常工作的供電電源，也可以被用作電池管理系統(tǒng)的繼電器控制電源，國標(biāo)并沒有明確的定義。零部件控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)可以根據(jù)不同的設(shè)計(jì)思路靈活選擇BMS 快充過程中的供電電源和快充繼電器的控制電源模式。表1 為國標(biāo)規(guī)定的直流快充樁控制導(dǎo)引確認(rèn)參數(shù)。

表1 國標(biāo)規(guī)定的直流快充樁控制導(dǎo)引確認(rèn)參數(shù) V

由此可知，該款動(dòng)力電池的BMS 主板在快充過程中，受到了快充樁喚醒電源電路的電壓波動(dòng)影響較大，電源電路和通信電路明顯受到了傳導(dǎo)干擾。抑制傳導(dǎo)干擾的方法主要是增加濾波電路，這樣可以有效地防止電網(wǎng)的干擾進(jìn)入BMS系統(tǒng)內(nèi)部，也可以防止BMS 系統(tǒng)本身產(chǎn)生干擾進(jìn)入電網(wǎng)。同時(shí)可以考慮增加光電耦合器來提高BMS 系統(tǒng)的抗干擾能力，減少傳輸損耗及干擾。因此BMS 的直流快充CAN 接口通訊電路部分增加抗干擾電路設(shè)計(jì)是有必要的。圖5 為BMS 快充通訊端口增加的隔離電路圖。

圖5 BMS快充通訊端口增加隔離電路圖

采取的優(yōu)化措施有：

(1)A+/A-引入的12 V 電源僅僅作為BMS 的喚醒電源，在BMS 被快充喚醒后，不再判斷A+/A-端口電壓值；

(2) 將BMS 內(nèi)部的上拉電源VCC 由KL15 線修改為KL30 線，減少上拉電源對(duì)CC2 端口電壓的影響；

(3) BMS 快充CAN 端口增加隔離電路，將充電樁引入到BMS 內(nèi)部的干擾信號(hào)隔離處理；

(4)BMS 隔離電路芯片的供電電源也改為KL30 線提供，減少快充繼電器閉合和斷開對(duì)隔離芯片電源的沖擊和干擾。

這些優(yōu)化措施帶來的好處是，將快充樁這邊引入的喚醒電源的干擾消除。通訊干擾通過隔離芯片濾掉，一方面有利于保護(hù)BMS 硬件，另外一方面也有利于減少快充過程中的電磁干擾，保障充電過程的順利進(jìn)行。

3.2 慢充干擾問題處理措施

圖6 BMS 慢充繼電器控制電路圖

該款BMS 的繼電器驅(qū)動(dòng)電路如圖6 所示。BMS 的控制端只有幾個(gè)不同的接地點(diǎn)，當(dāng)某個(gè)接地點(diǎn)接地不良會(huì)造成控制電路的電壓波動(dòng)，從而有可能造成慢充繼電器的誤動(dòng)作，因此加強(qiáng)接地性能，有效降低接地電阻很重要。如果可能，盡可能讓BMS 整體繼電器驅(qū)動(dòng)控制電路有單獨(dú)的低阻抗接地。

為此目的，對(duì)于BMS 硬件做了如下的優(yōu)化更改：

(1) 將BMS 的電源端口和信號(hào)通訊端口調(diào)整，加大兩個(gè)端口之間的距離，防止信號(hào)線和電源線之間的耦合傳導(dǎo)騷擾發(fā)射干擾；

(2) 接入12 V 電源入口端部分增加高性能的濾波電路，濾波器的外殼與BMS 主板的接地點(diǎn)串聯(lián)，保證良好的接地效果；

(3) BMS 的外殼接地點(diǎn)和電池包外殼做好等電位處理，電池包外殼與車身也做好等電位處理，避免接地點(diǎn)可能的電壓浮動(dòng)對(duì)繼電器底邊驅(qū)動(dòng)造成的影響；

(4) BMS 殼體的內(nèi)部接地腳并聯(lián)，外部安裝腳取消電泳工藝，保證可靠接地。

通過這些優(yōu)化措施，來降低BMS 主板接地電阻，降低電源端口和通信端口之間的耦合傳導(dǎo)干擾。

3.3 行車過程中的繼電器故障處理措施

該款BMS 的繼電器驅(qū)動(dòng)電路如圖7 所示。如圖所示，該款BMS 的繼電器驅(qū)動(dòng)電源來自于被VCU 控制的緊急下電回路。這種方案的好處是，在緊急情況下，VCU 在無法讓BMS正常下電的情況下，通過控制緊急下電回路直接強(qiáng)行拉開繼電器，從而實(shí)現(xiàn)緊急情況下的快速斷電。但是當(dāng)行車過程中，如果繼電器的驅(qū)動(dòng)電源受到干擾，整個(gè)繼電器的控制回路就會(huì)串入干擾電壓，干擾電壓的波動(dòng)有可能會(huì)導(dǎo)致繼電器突然吸合或者斷開，串入電壓回路如圖7 所示。串入電壓的來源方式較復(fù)雜，有可能是VCU 自己的控制器品質(zhì)不良導(dǎo)致，也有可能是外部的引入電源在經(jīng)過元器件時(shí)產(chǎn)生了干擾電壓所致，加上行車過程中，電機(jī)控制器中存在有大電容，這種容性負(fù)載或者感性負(fù)載的存在，在電路通斷的瞬間會(huì)在繼電器的控制端產(chǎn)生非正常的高壓或者瞬態(tài)的大電流，不但會(huì)對(duì)電網(wǎng)形成沖擊，同樣對(duì)于功率半導(dǎo)體元器件也可能造成損害。消除潛在串?dāng)_電壓的方法可以考慮引入更加穩(wěn)定的電源，比如車載12 V 鉛酸電池電壓，即K30。消除瞬態(tài)大電流方式是采用更加穩(wěn)定和良好的接地模式。

圖7 BMS繼電器驅(qū)動(dòng)電路圖

于是優(yōu)化更改設(shè)計(jì)后的BMS 繼電器控制電路修改為如圖8 所示的電路，取消VCU 直接控制BMS 繼電器的控制電路，改為發(fā)送下電指令給BMS，由BMS 執(zhí)行下電操作，同時(shí)BMS 的繼電器控制電源直接連接到更加穩(wěn)定的K30，相當(dāng)于增加了濾波電路的效果，這樣驅(qū)動(dòng)電路電壓不會(huì)再產(chǎn)生波動(dòng)，同時(shí)在緊急下電控制電路上增加了穩(wěn)壓二極管，控制電路的電壓波動(dòng)也得到了有效的抑制。完成優(yōu)化更改措施實(shí)施的BMS 主板重新裝入電池包進(jìn)行實(shí)測驗(yàn)證，對(duì)比驗(yàn)證優(yōu)化更改的效果。

圖8 BMS繼電器驅(qū)動(dòng)電路優(yōu)化更改

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 直流快充結(jié)果驗(yàn)證

將增加了隔離電路的BMS 安裝在電池包中，裝到電動(dòng)汽車上，和不同的快充樁連接，進(jìn)行充電過程測試，觀察改善后的快充效果進(jìn)行對(duì)比測試。充電端口的電壓信號(hào)通過示波器采集。

圖9 是BMS 增加隔離電路前在某品牌快充樁上快充過程中示波器測量得到的CC2 和A+/A-端口電壓波動(dòng)情況。由示波器截圖可知，在快充過程中，CC2 和A+/A-端口電壓波動(dòng)較大，供電電源干擾較多，其中A+/A-端口電壓波動(dòng)最大可以達(dá)到30 V，快充過程中充電電流也受到較大干擾，在超過國標(biāo)要求的電壓閾值(12.8 V)后，充電樁上報(bào)充電故障，快充終止。整個(gè)快充過程的反應(yīng)符合國標(biāo)定義。

圖9 BMS增加隔離電路前的CC2和A+/A-端口電壓波動(dòng)情況

圖10 所示為BMS 增加隔離電路后在同一個(gè)快充樁的快充過程中示波器記錄的CC2 和A+/A-端口電壓波動(dòng)情況。由圖10 可知，增加了隔離電路后的BMS 快充過程中CC2 和A+/A-端口電壓波動(dòng)很小，整個(gè)快充過程平穩(wěn)，幾乎沒有影響，快充持續(xù)進(jìn)行，充電電流穩(wěn)定直至充滿退出快充流程。反復(fù)測試過程中快充和主正/主負(fù)繼電器工作狀態(tài)穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)帶載切斷的意外情況，快充過程中沒有異常退出情況?？斐溥^程中對(duì)于繼電器的保護(hù)是非常有效的。

圖10 BMS增加隔離電路后的CC2和A+/A-端口電壓波動(dòng)情況

4.2 慢充和行車過程中的結(jié)果驗(yàn)證

將優(yōu)化方案后的BMS 慢充繼電器控制電路引出，進(jìn)行慢充測試。在整個(gè)慢充過程中，慢充繼電器的接地腳電壓非常穩(wěn)定，沒有波動(dòng)現(xiàn)象，接地電阻值測量為0.2 Ω，接地效果良好，測試結(jié)果見圖11。行車過程測試結(jié)果與慢充過程類似，慢充繼電器控制端電壓很穩(wěn)定，沒有波動(dòng)現(xiàn)象發(fā)生。

圖11 優(yōu)化電路和接地方案后充電過程結(jié)果

表2 是搭載整車進(jìn)行的典型工況測試。模擬了電池包放電電流最大、充電電流最大和勻速行駛工作三種最典型的模式進(jìn)行耐久性測試，總測試?yán)锍碳s3 萬km。

表2 的測試結(jié)果表明，經(jīng)過優(yōu)化更改后的BMS 行車過程中無電磁干擾現(xiàn)象，整體運(yùn)行情況良好，優(yōu)化措施對(duì)于繼電器的保護(hù)很有效果，滿足使用要求。

4.3 電池包整體EMC 測試結(jié)果

為了避免BMS 優(yōu)化更改硬件以后，影響到整個(gè)電池包的EMC/EMI 測試結(jié)果，將優(yōu)化更改以后的電池包樣件進(jìn)行了完整的EMC/EMI 測試。由于測試項(xiàng)目較多，僅選取測試項(xiàng)目中的輻射抗擾度實(shí)驗(yàn)進(jìn)行分析說明，如圖12 所示。電池包輻射發(fā)射測試低頻0.15～0.3 MHz 頻段實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果見圖13 所示。由圖測試結(jié)果可知，實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果值均在限值以內(nèi)，沒有超標(biāo)現(xiàn)象，輻射發(fā)射低頻測試結(jié)果為通過。整理全部的電池包EMC 測試結(jié)果見表3，限于篇幅，不再一一分析。圖13 電池包輻射發(fā)射測試結(jié)果(低頻0.15～0.3 MHz)

圖12 電池包EMC測試照片(輻射抗擾度)

表3 電池包優(yōu)化設(shè)計(jì)后的EMC/EMI 測試結(jié)果

對(duì)比BMS 硬件更改前后的測試結(jié)果可知，優(yōu)化措施有效，增加了BMS 快充端口的隔離電路后，電池包快充過程中的抗干擾能力大大提高，有效保護(hù)了高壓繼電器。BMS 內(nèi)部繼電器控制電路和接地電路優(yōu)化整改以后，繼電器的誤報(bào)故障和誤動(dòng)作現(xiàn)象消失，繼電器得到了有效保護(hù)，充電和行車過程中無異?，F(xiàn)象發(fā)生，同時(shí)完整的電池包EMC/EMI 測試結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的電池包EMC/EMI 性能滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

本文針對(duì)動(dòng)力電池管理系統(tǒng)在快充過程中容易受到電磁干擾的問題，從BMS 硬件電路分析入手，結(jié)合測量的結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計(jì)了BMS 的硬件隔離電路，隔離快充樁的干擾信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了消除來自于快充樁的電磁干擾，實(shí)現(xiàn)保護(hù)繼電器，穩(wěn)定充電的目的。優(yōu)化了BMS 內(nèi)部繼電器驅(qū)動(dòng)電路、接地電路方案，有效消除了BMS 慢充和行車過程中的電磁干擾。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和完整的EMC 測試結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的電池包依然具有良好的整包抗電磁干擾性能。

實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)后動(dòng)力電池的BMS 主板具備了良好的抗電磁干擾能力，有效保護(hù)了電池高壓繼電器，保證了動(dòng)力電池在使用過程中不受電磁干擾，滿足使用要求。本文的研究成果對(duì)于研究解決BMS 使用過程中的電磁干擾問題研究具有一定的參考意義。