直流充電樁的電磁噪聲研究

許向國(guó)，竇滿義，張棟

（1.中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司，重慶 401122； 2.重慶德新機(jī)器人檢測(cè)中心有限公司，重慶 400714）

引言

在政策保障和市場(chǎng)需求的雙重驅(qū)動(dòng)下，中國(guó)純電動(dòng)汽車在數(shù)量和質(zhì)量上均已取得顯著的成果，逐漸步入穩(wěn)定發(fā)展階段。近年，隨著大功率直流快充等技術(shù)的發(fā)展，正催化著充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，并促進(jìn)能源領(lǐng)域與交通領(lǐng)域的深度融合。為推進(jìn)電動(dòng)汽車充電樁事業(yè)的健康發(fā)展，國(guó)家、行業(yè)組織、國(guó)家電網(wǎng)等企業(yè)發(fā)布一系列電動(dòng)汽車充換電設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)，不僅在電動(dòng)汽車充電設(shè)施充電設(shè)定方式、保護(hù)功能、絕緣性能、充電輸入輸出、防護(hù)要求、環(huán)境要求、電磁兼容等方面做出了規(guī)定，而且對(duì)充電設(shè)施的充電接口兼容性、充電控制兼容性和充電通信兼容性等方面檢測(cè)也提出了一定要求。

直流充電樁的測(cè)試項(xiàng)目包括電氣性能測(cè)試、機(jī)械性能測(cè)試、安全性能測(cè)試、環(huán)境性能測(cè)試、電磁兼容性能測(cè)試、互操作性測(cè)試等。本文重點(diǎn)研究大功率直流充電樁的電磁兼容性能。

直流充電裝的電磁兼容測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)包括國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18487.2-2017[1]、能源局的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 33001-2018[2]、國(guó)家電網(wǎng)企標(biāo)Q/GDW 1591-2014[3]等標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了直流充電樁必須滿足電磁騷擾和抗騷擾的要求，其中抗騷擾評(píng)估包含射頻輻射抗擾度、電快速瞬變脈沖群抗擾度、浪涌抗擾度、靜電放電抗擾度、射頻場(chǎng)感應(yīng)的傳導(dǎo)抗擾度、電壓暫降和短時(shí)中斷抗擾度和工頻磁場(chǎng)抗擾度；電磁騷擾包含射頻騷擾和和低頻現(xiàn)象，本文重點(diǎn)研究諧波發(fā)射、射頻傳導(dǎo)發(fā)射和射頻輻射發(fā)射。

1 正文

1.1 直流充電樁的原理

直流充電樁（或稱非車載充電機(jī)）是固定安裝在電動(dòng)汽車外、與交流電網(wǎng)連接，直接輸出可調(diào)直流電給車載動(dòng)力電池進(jìn)行充電，輸出的電壓和電流調(diào)整范圍大，功率較大，充電速度快，俗稱“快充”。直流充電樁的輸出電壓是直流電的就是直流充電樁。主要是有電能變換器、充電控制器，計(jì)費(fèi)控制單元、高壓絕緣檢測(cè)單元顯示屏等部件組成，另外還有鈑金件、熔斷器、繼電器和防雷裝置等。

電動(dòng)汽車充電樁是一種電能變換裝置[4]，直流充電樁的電路原理如圖1 所示，直流充電樁是通過(guò)內(nèi)置的電能變換器將三相380 V 轉(zhuǎn)換成直流電，為電動(dòng)汽車的動(dòng)力電池充電。充電樁內(nèi)置的電能變換器也包括雙向AC/DC 和雙向DC/DC 兩個(gè)裝置，雙向AC/DC 將三相交流380 V 直接轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，再?jīng)過(guò)雙向DC-DC 升壓，為車載動(dòng)力電池充電。直流充電樁能夠提供足夠的功率，輸出電壓和電流調(diào)整范圍較大，充電速度快。常見(jiàn)的目前市面上主流的快充充電樁功率有： 60 kW、90 kW、120 kW、180 kW。

圖1 直流充電樁的電路原理

1.2 直流充電樁的電磁發(fā)射要求

GB/T 18487.2 中規(guī)定了低頻現(xiàn)象的評(píng)估要求以及射頻騷擾的評(píng)估要求，如表1 和表2 所示。

表1 低頻現(xiàn)象的評(píng)估要求

表2 射頻騷擾的評(píng)估要求

1.3 輻射發(fā)射

1.3.1 輻射騷擾（2～185 kHz）

為了保護(hù)車輛無(wú)鑰匙進(jìn)入系統(tǒng)能正常工作，要求對(duì)充電樁的外殼進(jìn)行2～185 kHz 的輻射騷擾測(cè)試，參考軍標(biāo)GJB 151B-2013 進(jìn)行磁場(chǎng)測(cè)試，將環(huán)形天線置于直流充電樁的表面，環(huán)平面分別垂直于和平行于被測(cè)樣品。樣品的每個(gè)面都要進(jìn)行測(cè)試。本實(shí)驗(yàn)在3 kW 、7.5 kW、12 kW 的負(fù)載條件下，前后左右面分別進(jìn)行了測(cè)試，部分測(cè)試結(jié)果如圖2（a）、圖2（b）、圖2（c）所示。從測(cè)試結(jié)果看，均未出現(xiàn)超標(biāo)的現(xiàn)象。

2.3.2 輻射發(fā)射（30～1 000 MHz）

在各種負(fù)載條件下進(jìn)行輻射發(fā)射測(cè)試，測(cè)試頻段30～1 000 MHz，采用十米測(cè)距。直流充電樁屬于A 類設(shè)備，使用相應(yīng)的限值。分別在3 kW、7.5 kW、12 kW 的負(fù)載條件下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖3（a）、圖3（b）、圖3（c）所示。從測(cè)試結(jié)果可以看出在負(fù)載越大，輻射發(fā)射超標(biāo)越嚴(yán)重，基于3 kW 負(fù)載進(jìn)行整改，整改后的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖3（d），整改以后低頻段有所改善，高頻段任然超標(biāo)。這種內(nèi)部含有大功率切換電路的產(chǎn)品，必須在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段考慮電磁兼容措施，否則后期整改成本太高，并且效果不理想。

圖3 輻射發(fā)射測(cè)試結(jié)果（30～1 000 MHz）

1.4 傳導(dǎo)發(fā)射

2.4.1 諧波發(fā)射

設(shè)置充電機(jī)的輸入電流8A，分別測(cè)得電源線L1，L2 和L3 上的諧波電流如圖4（a）、圖4（b）和圖4（c），從測(cè)試結(jié)果可見(jiàn)，L1 線上第35 次和第37 次諧波超標(biāo)，L2 線上第35 次諧波超標(biāo)，L3 線上第35 次諧波超標(biāo)。諧波超標(biāo)直接影響電網(wǎng)。

圖4 諧波電流發(fā)射（輸入電流8 A）

2.4.2 射頻傳導(dǎo)發(fā)射（150Hz-30MHz）

分別在3kW、7.5kW、12kW 的負(fù)載條件下進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試頻段為150kHz-30MhHz，在3kW 負(fù)載下的電源輸入段的LI 線、L2 線、L3 線和N 線上產(chǎn)生的射頻傳導(dǎo)騷擾如圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）和圖5（d），從圖中可以看出，所有的狀態(tài)下的測(cè)試結(jié)果的騷擾信號(hào)豐富，并且準(zhǔn)峰值和峰值均超標(biāo)。

圖5 射頻傳導(dǎo)騷擾測(cè)試結(jié)果

2 結(jié)論

本文通過(guò)直流充電樁的實(shí)際測(cè)試，展示了諧波發(fā)射、射頻傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射結(jié)果，從測(cè)試曲線可以下結(jié)論：

1）直流充電樁在充電過(guò)程中電能變換器的開(kāi)關(guān)管通斷狀態(tài)高速切換，會(huì)產(chǎn)生很高的電流峰值，而逆變器的載波頻率可達(dá)到20 kHz，母線電壓上百伏，故產(chǎn)生很高的電壓峰值，這將必然帶來(lái)嚴(yán)重的電磁噪聲，會(huì)產(chǎn)生大量的電磁騷擾，并通過(guò)電源線傳輸?shù)诫娋W(wǎng)，切換瞬間電流上升沿和下降沿較為陡峭，通過(guò)傅里葉變換會(huì)產(chǎn)生高頻電磁噪聲，高頻噪聲不僅會(huì)沿著線纜或?qū)Φ丶纳娙輦鬏敚€會(huì)通過(guò)電路板中的等效偶極子天線向周圍空間輻射電磁波，從而形成電磁輻射騷擾；以上原因?qū)е轮绷鞒潆姌兜闹C波發(fā)射很容易超標(biāo)，對(duì)電網(wǎng)及其電源質(zhì)量會(huì)造成較大的影響。

2）雖然可以通過(guò)增加濾波器、增加屏蔽或者改善接地等整改措施來(lái)實(shí)現(xiàn)直流充電機(jī)的電磁發(fā)射抑制，但是效果不明顯，而且極少能實(shí)現(xiàn)工程化和產(chǎn)業(yè)化；既然相關(guān)監(jiān)管部門及行業(yè)內(nèi)部已經(jīng)出臺(tái)了直流充電樁的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)直流充電樁所滿足的電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了嚴(yán)格規(guī)定，建議相關(guān)制造商加強(qiáng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和行業(yè)自律，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段引入電磁兼容措施，全面提升直流充電樁的電磁兼容性能。