基于暗室內整車多協議充電電磁兼容試驗的研究

【摘 要】隨著新能源車輛的發展和普及，新能源車輛充電狀態下的電磁兼容特性越來越受到整車企業、出口認證公司、最終用戶的重視。在最新版的出口認證標準ECE R10中，明確規定了整車充電狀態下的電磁兼容測試要求和方法，歐盟明確規定新能源車輛進入市場之前需要做此方面的電磁兼容測試。目前國家公告標準GB 34660中并沒有相關要求，但根據行業內標準發展，GB/T 40428—2021《電動汽車傳導充電電磁兼容性要求和試驗方法》將作為未來此類項目的公告標準，而且，各個國家甚至車企生產的新能源車輛所對應的充電類型以及充電協議都是不同的，因此，暗室內（電磁兼容試驗室）加裝整車多協議充電系統進行電磁兼容測試已成為趨勢。文章對直流充電（含超級直流充電）在特定SOC充電工況下，對不同功率充電下電磁兼容的輻射發射測試進行研究。

【關鍵詞】新能源車輛充電;電磁兼容;ECE R10;GB 34660;GB/T 40428—2021;充電協議;整車多協議充電系統

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）11-0075-07

Research on Electromagnetic Compatibility Test of Vehicle Multi-protocol Charging in Dark Room

【Abstract】With the development and popularization of new energy vehicles，the electromagnetic compatibility characteristics of new energy vehicles under the charging state are paid more and more attention by vehicle enterprises，export certification companies and end users. In the latest version of the export certification standard ECE R10，the requirements and methods of the electromagnetic compatibility test under the charging state of the vehicle are clearly stipulated，and the EU clearly stipulates that the new energy vehicles need to do the electromagnetic compatibility test in this aspect before entering the market. Current national announcement standard GB 34660 and no relevant requirements，but according to the industry standard development，GB/T 40428-2021 the electric vehicle conduction charging electromagnetic compatibility requirements and test methods will be the future of such project standards，and even the production of new energy vehicles corresponding to the charging type and charging protocol is different，therefore，the chamber（electromagnetic compatibility laboratory）with vehicle more protocol charging system for electromagnetic compatibility test has become a trend.In this paper，DC charging（including super DC charging）under specific SOC charging conditions，electromagnetic compatibility radiation emission test under different power charging is studied.

【Key words】New energy vehicle charging;electromagnetic compatibility;ECE R10;GB 34660;GB/T 40428—2021;charging protocol;vehicle multi-protocol charging system

隨著電動汽車的迅速發展，用戶不但對電動汽車的行駛性能提出高要求，對電動汽車的充電性能也提出更高的要求，希望電動汽車充電能像加油那樣方便、快捷。直流快充、超充技術和換電技術也隨之迅速發展起來，縮短了補能時間。充電過程中的電磁兼容問題也逐漸受到廣泛關注，2021年3月，國內首個汽車充電電磁兼容標準 GB/T 40428—2021《電動汽車傳導充電內容性要求和試驗方法》正式發布，對電動汽車傳導充電時發射類電磁兼容性能和試驗方法做了詳細要求，對交流充電抗擾性能也做了詳細要求，對直流充電抗擾性能只對輻射抗擾度提出了要求。相比于交流慢充，直流快充、超充技術能夠輸出高于交流慢充數倍的電流和功率。在2023版正式發布國家充電標準中，國充2015+系列發布的2項充電接口標準中，即GB/T 20234.1—2023和GB/T 20234.3—2023，主要是對現行2015年版國標方案進行升級，而2015+配套的控制導引及通信協議標準仍在修訂中。GB/T 18487.1—2023在2015版標準基礎上新增了超級直流充電的控制導引電路和相關的適配及安全要求，GB/T 27930—2023在2015版標準基礎上新增了超級直流充電的通信協議架構，GB/T 20234.4—2023則規定了超級直流充電接口及其適配器的技術要求，即其額定電壓不超過1500VDC，額定電流不超過800ADC。隨著電動汽車的普及，超級直流充電已成為日后用戶出行首選的充電方式。本文對直流充電（含超級直流充電）在特定SOC充電工況下，對不同功率充電下電磁兼容的輻射發射測試進行研究。

1 新能源整車充電原理

1.1 新能源整車充電類型、名稱及充電標準

隨著各國對電動汽車的支持力度越來越大，充電樁的建設也越來越多，充電類型包括交流充電和直流充電，充電標準目前主要集中于歐洲、美國、中國、日本等四大區域。而特斯拉由于電動車發展較早，也形成了一套單獨的充電標準。因此目前全球主要有五大充電標準。

目前五大充電標準接口分別是中國標準GB/T 20234、美國標準J1772、歐洲標準IEC 62196、日本標準CHAdeMO和特斯拉標準NACS，見表1。由于各地區的充電接口不一致，這也導致了在進行電動汽車充電接口的設計時需要滿足不同地區或市場充電標準的要求，否則無法進行充電且不滿足其標準法規的要求。

1.2 新能源國標整車充電模式及優缺點

電動汽車充電模式有直流充電和交流充電，直流充電根據充電電流以及功率大小有普通直流充電和超級直流充電。

1.2.1 直流充電

直流充電一般是直流充電樁安裝在固定場所進行充電，與交流輸入電源連接，充電樁輸出直流電壓，直流輸出的充電槍連接電動汽車充電接口，從而給電動汽車動力蓄電池進行直流充電。圖1為直流充電示意圖。

以中國國家標準GB/T 20234充電為例，直流充電系統由直流充電樁（圖2）、電纜組件、直流充電接口、電動汽車構成，電網接入380V電壓，經過直流充電樁的轉換裝置將380V交流電轉換為高壓直流電，通過車輛直流充電接口，直接進入電池包，充電期間直流充電樁的ECU單元與車輛的BMS進行通信，保證充電過程中的安全、可靠。

1.2.1.1 直流充電口定義及各觸頭作用

直流充電接口僅用于提供直流電，直流接口由3個電源觸頭DC+、DC-、PE，6個信號觸頭S+、S-、A+、A-、CC1、CC2組成，如圖3、圖4所示。直流接口各觸頭作用見表2。

當直流充電槍和樁連接成功后會通過低壓輔助電源12V喚醒車輛BMS;車輛BMS會通過通信信號向直流充電樁實時發送電池充電需求參數，直流充電樁根據電池充電需求參數實時調整充電電壓和充電電流;此外，直流充電樁和車輛BMS還會相互發送各自的狀態信息來實現充電的目的。

1.2.1.2 直流充電優缺點

直流充電是交流充電電流的十倍甚至幾十倍，其優點是短時間內可以充滿電池80%的容量，超過80%后，為保護電池安全，充電電流逐漸變小，直至充到100%。而缺點是由于充電電壓高、電流大的特點，會對電池造成一定的損壞，降低電池的使用壽命。

1.2.2 交流充電

交流充電系統中充電樁自帶充電槍或隨車槍與交流充電樁或220V家用交流插座連接，通過車載充電機OBC將220V交流電轉化為直流電，進行電動汽車動力電池的充電。

交流充電系統主要由充電樁、充電線束、車載充電器、高壓控制盒、動力電池、DC-DC轉換器、低壓蓄電池以及各種高壓線束和低壓控制線束等組成。如圖5所示。

1.2.2.1 交流充電口定義及各觸頭作用

交流充電接口由5個電源觸頭L1、L2、L3、N和PE，2個信號觸頭CC、CP 組成，如圖6、圖7所示。交流充電接口各觸頭作用見表3。

當車輛處于交流充電模式下，車載充電機檢測交流充電接口的通信信號并喚醒車輛BMS，車輛BMS喚醒車載充電機并發送指令充電，同時閉合主繼電器，動力電池開始充電。

1.2.2.2 交流充電優缺點

交流充電其優點是充電電流和功率小，保護并延長電池壽命以及用電低峰時充電成本低，缺點則是充電時間過長。

1.3 其他國家新能源整車充電交直流插頭及優缺點

美國和歐洲市場主要使用的是Combo充電插頭，而Combo充電插頭基于IEC 62196標準，主要用于純電動汽車和插電式混合動力汽車的充電插接系統，既支持交流充電，也支持直流充電，包括一個車輛充電接口和一個充電插頭（交流充電和直流充電的充電插頭集成于一體）。這種通用插接系統只需要具備一個車輛充電接口便可實現不同的交流電和直流電充電方式，即美國市場的型號Combo 1接口（圖8、圖10）和歐洲市場的型號Combo 2接口（圖9、圖11），這兩種型號的直流電接口觸頭相同。與交流充電相比，直流充電觸頭尺寸較大，可實現大電流充電。用于Combo充電接口的優點是客戶既可使用交流充電站，也可使用直流充電站給車輛動力蓄電池進行充電。缺點是在進行直流充電時，充電期間斷開充電插頭會產生電弧，為避免這種情況，充電期間采用電動機械方式鎖止充電插頭。

CHAdeMO是日本直流充電標準的車輛充電接口。CHAdeMO是CHArge de Move的縮寫，意為Charge for Moving（移動充電）。采用這種方式時，充電電流強度最高可達200A。日標車輛交流插頭與國標插頭一致，唯一的區別是交流充電所需的電壓和頻率與國內不一致;圖12、圖13為日標充電插頭的結構和接口定義。

美國通用的充電標準是J1772，而特斯拉作為早期發展電動汽車的車企，擁有專用的充電接口，即NACS，如圖14所示;其充電接口主要用于特斯拉電動汽車的充電。NACS插頭的優點是交直流一體的插頭，與Combo充電插頭一樣既可使用交流充電站，也可使用直流充電站給車輛動力蓄電池進行充電。而缺點是由于接口的限制，無法兼容交流三相電，這也導致在中國和歐洲等使用三相交流電的國家或地區無法使用。

2 暗室內整車多協議充電電磁兼容試驗

2.1 暗室內整車充電原理

目前國內外整車充電電磁兼容已制定相關標準，國內試驗室也根據標準將充電樁配套暗室進行國標歐標等車型在整車充電工況下的電磁兼容測試。圖15為本試驗室暗室交流布置圖，即交流充電樁通過園區供電經過交流濾波器到暗室內，暗室內接入到交流人工網絡，然后接入交流充電槍給車輛充電，但是在充電前需要通過光電轉換到協議轉換箱，進行各個需求協議的轉換。

圖16為暗室直流布置圖，直流充電樁通過園區供電經過直流濾波器到暗室內，暗室內接入到高壓人工網絡，然后接入直流充電槍給車輛充電，但是在充電前需要通過光電轉換到協議轉換箱進行各個需求協議的轉換。目前車輛直流充電功率越來越大，隨著具備大功率充電車輛的普及，試驗室也需要配備相應的充電樁試驗設備進行測試，因為需要配套于暗室，大功率充電設備需要有嚴苛的條件去進行相應的配套設備，所以較普通直流充電而言，大功率直流充電（超級充）需要在暗室內配置液冷系統來配合充電槍給車輛充電。而超級直流充電由于試驗場地的局限性、設備的便攜性以及安全性，采用液冷方式對充電槍線進行冷卻散熱。本試驗室采用油冷的方式對充電槍線進行冷卻散熱。

2.2 暗室內整車充電布置

以本試驗室為例進行介紹。本試驗室為3m法半電波暗室，暗室內滿足交流充電和直流充電（超級直流充電）的測試能力，按照GB/T 40428—2021以及ECE R10.06標準要求進行試驗環境的布置。圖17和圖18為某車型進行普通直流充電的布置圖。圖19為某車型進行超級直流充電的布置圖。

超級直流充電布置需要通過外部供電到暗室內，暗室內通過配備大功率線纜到屏蔽箱輸入端（內部為高壓人工網絡），屏蔽箱高壓人工網絡輸出端口接入雙槍（每把槍功率輸出250kW），然后雙槍接入到液冷系統設備（圖20）中，從而達到輸出500kW的充電功率。

2.3 暗室內整車充電測試

按照ECE R10 06版標準對某車型進行輻射發射測試，該車型具備交流直流（超級直流充）的充電工況，分別對該車型在特定SOC22%直流充電進行測試。圖21為該狀態下的超級直流充電實時界面。

2.3.1 暗室環境底噪測試

在進行測試時前，需要進行暗室環境底噪的測試，確認在液冷系統正常工作時，暗室環境底噪沒有問題，所測結果如圖22和圖23所示。

通過測試結果分析，該環境底噪滿足6dB以上，符合測試要求，可以進行車輛充電輻射發射的測試。

2.3.2 車輛輻射發射寬帶充電測試

以該車輛左側為測試面，分為4個工況分別進行測試。圖24～圖27為每個工況輻射發射測試寬帶結果。

2.3.3 4種充電工況測試結果分析

通過對4種充電工況天線水平極化測試對比（圖28），可以反映出在頻率范圍30～50MHz、550～750MHz有明顯的變化，其中750V、200A充電工況在30～50MHz時變化較大，測試結果較差;在750V、300A充電工況下，頻率范圍為550～750MHz變化較大，測試結果相對于其他3種充電工況較差，而通過各工況與750V、400A對比差值圖（圖29）可以看出在整個頻段范圍內，幾乎所有頻率點的測試差值在±5dB之間。

圖30、圖31中顯示頻率范圍30～50MHz、550～750MHz測試結果有明顯變化，通過對2個頻段各工況測試結果單獨比較，可以看出部分頻率點測試結果差值達到了-7～+5dB。

通過對4種充電工況天線垂直極化測試結果對比，從圖32中可以反映出在頻率范圍30～50MHz有明顯的變化，該頻率段所對應的充電工況為750V、400A，測試結果相對于其他3種充電工況較差;而通過各工況與750V、400A充電工況對比差值圖（圖33）可以看出在整個頻段范圍內，絕大部分頻率點的測試差值在±5dB之間。

圖34顯示在頻率范圍30～50MHz測試結果有明顯變化，通過對該頻段各工況測試結果單獨比較，可以看出部分頻率點測試結果差值達到了-3～+9dB，差值較大。

2.3.4 低功率充電與高功率（超級充電）充電測試結果分析

通過測試進行了對低功率與高功率充電工況測試結果的分析，如圖35～圖38所示。

由圖35和圖36可以分析出BB HL_SOC22%（750V 100A）與（750V 400A）測試結果趨勢幾乎一致，整個測試頻段內除部分頻率測試點差值大以外，其余結果差值均在±3dB以內。

由圖37和圖38可以分析出寬帶天線垂直極化測試結果差于天線水平極化測試結果，BB VL_SOC22%（750V 100A）與（750V 400A）測試結果除了在30～50MHz差值大以外，其余頻段趨勢幾乎一致，結果差值均在±3dB以內。

3 結語

在ECE R10關于電磁兼容性方面批準車輛的統一規定以及GB/T 40428—2021電動汽車傳導充電電磁兼容性要求和試驗方法的標準里，規定在全頻范圍內測量期間，動力蓄電池的充電狀態應保持在最大SOC的20%～80%。但是對于直流充電或超級直流充電測試，車輛在測試期間動力蓄電池SOC能否保持在20%～80%，取決于充電功率的大小，同一車輛類型的動力蓄電池，充電功率越大，充電電池電量飽和時間就越短，在該測試項目一定的時間里，無法按照標準要求中需要的測試電量范圍去測試，所以后續考慮到需要將車輛放電到標準規定的電量，但是這樣會導致試驗場地的占用率升高，從而導致測試任務的緊張以及試驗室成本的虧損。

通過對于該車輛4種不同充電工況在同一SOC情況下的測試結果研究分析，得出以下結論。

1）4種工況測試中，天線垂直與水平極化方向的測試結果除了30～50MHz以及550～750MHz外，其他測試頻段結果趨勢幾乎一致。

2）在最大充電電流的25%（750V、100A）與最大充電電流（750V、400A）兩種充電工況測試中，天線垂直與水平極化方向的測試結果除了30～50MHz外，其他測試頻段趨勢幾乎一致，測試結果差值較小。

3）隨著具備超級充電車輛的普及，電磁兼容測試也尤為重要。鑒于試驗室以及車輛狀態等原因，通過該車測試結果分析考慮到測試以及充電時間的問題，在進行直流充電試驗時，通過對不同充電工況進行對比，可以嘗試按照低功率充電狀態進行測試。

4）對于某些車輛具備超級充電即高功率充電結果與低功率充電在某些頻段結果的差異，可以對該頻段進行高功率充電復測，以保證結果的準確性與一致性。

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