電波暗室整車直流充電濾波系統(tǒng)研究

張榮，程泉，趙延華，曹興盛

（中汽研汽車檢驗中心（武漢）有限公司，湖北武漢，430056）

0 引言

新能源汽車是全球汽車產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級、綠色發(fā)展的主要方向，也是我國汽車產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的戰(zhàn)略選擇。歐盟電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)ECE R10.05已明確提出了新能源汽車的充電試驗要求，國標(biāo)GB/T 40428-2021《電動汽車傳導(dǎo)充電電磁兼容性要求和試驗方法》[1]標(biāo)準(zhǔn)也已經(jīng)正式發(fā)布，而滿足這些試驗的整車電磁兼容試驗室還不多。本文對電波暗室整車直流充電濾波系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并介紹了現(xiàn)階段可行的濾波改造設(shè)計方案。

1 整車直流充電試驗現(xiàn)狀

與傳統(tǒng)燃油車不同，新能源汽車多出了充電這一環(huán)，而往往涉及到高壓、功率變換、大電流等因素的功能都與強(qiáng)輻射、高騷擾相關(guān)，因此，車輛在充電狀態(tài)下的電磁兼容性能是未來會重點(diǎn)關(guān)注的方面。

通常，所有進(jìn)入暗室內(nèi)部的線纜（包括電源線、信號線、網(wǎng)線及電話線等）必須要進(jìn)行濾波處理，但是，與傳統(tǒng)線纜不同的是，新能源汽車的充電線不僅有電源線部分，還包括通信線、控制線和地線，這些線束在使用的過程當(dāng)中不僅會傳輸簡單的電平信號，也會傳輸CAN報文信號、PWM波控制信號等，而這些信號在通過常規(guī)的暗室濾波器后，無法正常在車輛與充電樁之間進(jìn)行握手通信，導(dǎo)致試驗無法進(jìn)行。

圖1 直流充電槍接口示意圖

現(xiàn)階段多數(shù)試驗室在進(jìn)行充電試驗時，只能采用臨時接線，從暗室波導(dǎo)口直接穿入的方式進(jìn)行。這樣的試驗方式會帶來很多不利因素，如：（1）試驗布置時間較長；（2）線纜布置的不確定；（3）線纜自身的電磁干擾；（4）抗擾度試驗時可能引起充電樁的損壞。

本文研究了一些試驗數(shù)據(jù)、與技術(shù)人員進(jìn)行了多次交流、并從標(biāo)準(zhǔn)和理論上進(jìn)行了一些研究。

2 現(xiàn)階段遇到的問題

標(biāo)準(zhǔn) GB/T 18487.1-2015[2]和 GB/T 27930-2015[3]對充電過程進(jìn)行了較完整的描述，但是，在一些細(xì)節(jié)上，標(biāo)準(zhǔn)并沒有給出明確的說明。針對濾波系統(tǒng)的問題，結(jié)合上述直流充電過程，我們做了一些可能性的分析。

2.1 絕緣檢測問題

由于直流充電時，電壓較高、電流較大，萬一出現(xiàn)泄漏，將導(dǎo)致不可挽回的后果，因此整個充電過程中，系統(tǒng)的絕緣是否良好，關(guān)乎安全，切不可忽視。

2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)的理解

（1）在國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18487.1-2015，《電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)第1部分：通用要求》中給出了“絕緣電阻”的檢測標(biāo)準(zhǔn)：

在供電設(shè)備非電氣連接的各帶電回路之間，各獨(dú)立帶電回路與地（金屬外殼）之間按規(guī)定施加直流電壓，絕緣電阻應(yīng)不小于10MΩ。

而對于一般的濾波器而言，其設(shè)計規(guī)范一般僅能滿足絕緣電阻不小于2MΩ，在這一點(diǎn)上，濾波器與充電樁的要求出現(xiàn)了差異。

（2）充電樁和電動汽車內(nèi)部均裝有絕緣檢測裝置。在充電過程中，前期由充電樁負(fù)責(zé)充電系統(tǒng)的絕緣檢測，后期由電動汽車負(fù)責(zé)。而對于充電過程中的絕緣性能的檢測，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18487.1-2015并沒有給出詳細(xì)的說明。但可以得知：

a.絕緣檢測所需要的高壓是由充電模塊產(chǎn)生的[4]。

b.分別檢測正、負(fù)對PE的絕緣電阻，取較小值作為判斷依據(jù)。

c.用來做絕緣檢測的高壓是不固定的。

2.1.2 導(dǎo)致絕緣檢測失效的原因分析

（1）濾波器Y電容容值過大

Y電容是較常見的干擾濾除器件，分別跨接在電源母線兩線和地之間，一般是成對出現(xiàn)。

圖2 Y電容連接方式

為了濾除線路中的騷擾，Y電容被廣泛的應(yīng)用在電源濾波器中，但它的存在容易使線間產(chǎn)生泄漏電流。因此，Y電容值不能太大（nF級），其參數(shù)設(shè)計要與使用環(huán)境相匹配，如果沒有進(jìn)行試驗驗證，很有可能出現(xiàn)漏電流過大、跳閘等異常現(xiàn)象。

（2）系統(tǒng)鏈路的連接使電源母線與地之間的等效電容偏大

標(biāo)準(zhǔn)中有要求，當(dāng)電壓不超過550V時，電源母線與PE線之間的等效電容應(yīng)小于0.5μF；當(dāng)電壓不超過750V時，電源母線與PE線之間的等效電容應(yīng)小于0.3μF；當(dāng)電壓不超過1000V時，電源母線與PE線之間的等效電容應(yīng)小于0.2μF。

2.2 CAN報文通信傳輸問題

直流充電過程中，汽車與充電樁之間的通信由CAN總線傳輸，標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27930-2015對充電整體流程及報文格式進(jìn)行了規(guī)定。

2.2.1 充電整體流程

根據(jù)GB/T 27930-2015中的第8節(jié)，充電過程有六大步驟,報文相關(guān)的有四個階段：

①低壓輔助電源上電及充電握手階段；②充電參數(shù)配置階段；③充電階段；④充電結(jié)束階段。

對于這四個階段，若在規(guī)定的時間內(nèi)充電機(jī)和BMS沒有收到報文或收到的報文不正確，則判定超時。一般認(rèn)為超過5s即為超時。出現(xiàn)超時后，BMS和充電機(jī)會發(fā)送錯誤報文，并進(jìn)入錯誤處理狀態(tài)。在充電結(jié)束階段中，如果出現(xiàn)了故障，不必再進(jìn)行處理，直接結(jié)束充電流程。

2.2.2 可能導(dǎo)致異常的原因

（1）傳統(tǒng)的信號濾波器無法適配CAN信號，報文在經(jīng)過濾波器后產(chǎn)生了丟失、錯誤等原因，導(dǎo)致充電無法繼續(xù)進(jìn)行。

（2）標(biāo)準(zhǔn)要求的最大通信等待時間為5s，而充電樁與汽車可能存在匹配度不良或內(nèi)部系統(tǒng)運(yùn)行模式差異大，因而導(dǎo)致了報文的傳輸時間超過了5s，此時也會判定超時，導(dǎo)致充電停止。

2.3 其他原因

（1）暗室空間較大，從外部引入的線纜長度太長，導(dǎo)致線阻過大，出現(xiàn)報錯；

（2）暗室地、充電樁地與車輛地并未良好搭接，在其中某處鏈路出現(xiàn)接地不連續(xù)，這同樣會導(dǎo)致前面的握手階段輔助電壓檢測值偏差，出現(xiàn)報錯。

3 解決思路與方法

3.1 絕緣檢測

（1）Y電容問題

①進(jìn)行濾波器的性能驗證，斷開進(jìn)出連接線，對其進(jìn)行絕緣電阻的測試驗證，驗證濾波器的絕緣性能是否滿足基礎(chǔ)要求；

②經(jīng)試驗驗證后，嘗試改進(jìn)濾波器的Y電容，或與暗室建造商提出按要求進(jìn)行更換。

（2）等效電容問題

使用檢測儀器（示波器、矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀）對端口、拐角和接頭等位置進(jìn)行檢測，在較明顯產(chǎn)生等效電容的位置進(jìn)行相應(yīng)處理[5]。

（3）試圖從絕緣檢測模塊出發(fā)，結(jié)合絕緣檢測方式，參考其他檢測方法，對檢測模塊進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。

3.2 CAN報文傳輸

使用CAN光纖轉(zhuǎn)換器，代替信號濾波器進(jìn)行濾波。

3.3 電壓檢測

①保證充電樁、濾波器和汽車的地連續(xù)；

②在濾波器端設(shè)計人工模擬電路[6]，出現(xiàn)電壓檢測失敗時，介入該電路，使充電樁端能通過握手步驟，繼續(xù)進(jìn)行后續(xù)動作。

4 濾波系統(tǒng)方案

4.1 安裝要求

直流充電濾波器安裝于暗室殼體外，用于直流充電車/樁EMC測試時的充電線路濾波隔離。直流充電只有一種接口方式，即車輛處為插座，則濾波器在充電線路上的邏輯位置位于充電機(jī)和車輛插座之間。

4.2 濾波器框圖

如果體積允許，建議將光電轉(zhuǎn)換器的電源適配器放在濾波器盒子內(nèi)，仍須電源濾波器，并給電源適配器單獨(dú)增加屏蔽殼。

圖3 濾波器框圖

4.3 濾波及屏蔽要求

14kHz～40GHz ：插損大于 100dB。

14kHz～40GHz：屏蔽效能高于 IEC 50147-1：1997標(biāo)準(zhǔn)要求至少10dB。

4.4 CAN總線隔離要求

光電耦合器滿足ISO 11898和SAE J1939系列標(biāo)準(zhǔn)要求。（1MHz物理媒介）

滿足GB/T 27930-2015中CAN通信速率要求。（250kbps）

4.5 EMC要求

在 CISPR 25 測試頻段（150kHz～2.5GHz）內(nèi)，傳導(dǎo)發(fā)射和輻射發(fā)射低于 IEC CISPR 25-2016 Level 5 限值要求至少 10dB。

按照 ISO11452-4（BCI）方法測試，滿足 1MHz～400MHz/400mA。按照 GB/T 17626.3 方法測試，滿足 80MHz～1GHz/10V/m。以確保在按照ECE R10、ISO 11451、ISO11452標(biāo)準(zhǔn)以及車廠最新標(biāo)準(zhǔn)布置進(jìn)行抗擾度測試時，線纜感應(yīng)的射頻電磁場不影響濾波器使用。

在進(jìn)行NB/T 33008.1-2013標(biāo)準(zhǔn)中5.18節(jié)電磁兼容抗擾度測試時不影響濾波器工作。（充電線端子部分經(jīng)過GB/T 17626對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)中CDN去耦后的干擾脈沖不應(yīng)影響濾波器工作）

滿足 GB/T 17626.4、GB/T 17626.5測試要求（EFT：電源2kV；信號線1kV。浪涌：充電線線-線1kV，線地2kV；信號線線-地，2kV）

在對光電轉(zhuǎn)換器電源端進(jìn)行GB/T 17626.11/29標(biāo)準(zhǔn)中電壓暫降測試時，不影響光電轉(zhuǎn)換器使用；在進(jìn)行電源中斷測試時，光電轉(zhuǎn)換器不損壞，無人工干預(yù)可恢復(fù)使用。

按照ISO 10605對濾波器外殼進(jìn)行15kV接觸放電測試，不影響濾波器使用。

5 總結(jié)

新能源汽車是未來汽車發(fā)展的重要趨勢，充電狀態(tài)下的電磁兼容測試在不久的未來也一定會成為考核新能源車輛的重要試驗方法。本文研究了目前整車充電試驗的現(xiàn)狀，解決目前的充電問題，需要從絕緣檢測、CAN信號傳輸、Y電容效應(yīng)等方面進(jìn)行研究。

本文提出的直流充電濾波器方案經(jīng)驗證是較易實現(xiàn)的可行方案，可在電磁兼容試驗室廣泛使用。