电动汽车充电设施现场电磁兼容特性及防护技术研究

孙学武，吴 昊，景凯凯，张 勇，胡小东

(许继电源有限公司，河南 许昌 461000)

电动汽车充电设施现场电磁兼容特性及防护技术研究

孙学武，吴 昊，景凯凯，张 勇，胡小东

(许继电源有限公司，河南 许昌 461000)

随着电动汽车快速发展，电动汽车充电设施的市场规模及需求日益扩大，充电设施的安全可靠性越来越受到重视；可靠的电磁兼容性能是电动汽车充电设施现场安全可靠运行的必备条件，研究充电设施现场电磁兼容特性及防护技术，做好充电设施现场电磁兼容防护，保证充电设施的安全可靠性，对推动电动汽车发展具有重要意义；根据电动汽车充电设施现行电磁兼容标准，研究充电设施现场电磁兼容测试方法，选择典型充电站进行现场测试，分析充电设施现场电磁干扰特性，并提出电磁干扰抑制与防护措施；充电机产生的谐波干扰是现场主要的电磁兼容问题，采用集中治理与分散治理相结合的方式或者选用具备APFC功能的充电机,能有效解决现场谐波干扰问题；在充电设施开发建设过程中，充分重视充电设施的电磁干扰抑制与防护，提高充电设施电磁兼容性能，是充电设施安全运行的根本保证。

电动汽车；充电设施；现场测试；电磁兼容；电磁干扰

0 引言

电动汽车充电设施现场运行时，充电设施承受来自现场环境中的电磁干扰，同时也因为充电设施中含有大量大功率电力电子设备，工作时也会产生大量谐波及电磁干扰，影响其他设备正常工作[1-2]。为了保证充电设施正常运行，这就要求充电设施需要具有较强的电磁抗扰度性能(EMS)和较低的电磁干扰(EMI)，即具有可靠的电磁兼容(EMC)性能[3-4]。

目前，行业内对充电设施的EMC性能研究，主要在实验室中进行，供电电源和试验负载与现场实际运行环境相比存在较大差异，实验室条件下测得的EMC性能并不能完全反映现场运行时充电设施的EMC性能。因此，充电设施现场电磁兼容测试及其特性研究是十分必要的[5-7]。

1 充电设施电磁兼容标准现状

电动汽车充电设施涉及到电力、电动汽车、电池等多个领域，在产品认证检测和充电设施验收试验中，EMC性能测试往往需要参考不同行业的相关标准。目前，充电设施还没有专门的EMC标准[8-10]，相关要求一般体现在充电设施相关标准中的技术部分。我国充电设施现行国家标准和行业标准中共规定了11个EMC试验项目，如表1所示，其中明确提出EMC要求的标准较少，不同充电设施标准的适用范围及EMC要求存在差异。EMC要求基于实验室测试条件，对工频磁场抗扰度、射频共模抗扰重视不够，对充电设施现场电磁兼容测试及要求还缺少规定。

2 充电设施现场电磁兼容测试

2.1 测试对象

本文在选择测试对象时，遵循以下原则：

表1 充电设施标准中EMC试验

1)充电站已经投入运行，并具有一定规模；

2)充电站的系统构成及应用模式具有代表性和规模化推广应用的前景。

此次现场测试，共选择了3个典型充电站作为测试对象：

1)周口西华充电站(一体式直流充电站，共有20台充电桩，为电动公交提供充电服务)；

2)长沙汽车东站充电站(分体式直流充电站，共有50台充电桩，为电动公交提供充电服务)；

3)合肥江淮汽车本部充电站(交流充电站，共有76台充电桩，为电动轿车提供充电服务)。

2.2 测试项目

依据《GB/T 18487.3-2001电动车辆传导充电系统电动车辆交流/直流充电机(站)》，EMC试验共9项，包括6项EMS试验和3项EMI试验。考虑到EMS试验具有破坏性，可能会造成现场设备故障甚至损坏，影响充电站正常安全运行。现场只进行EMI测试，测试项目包括谐波电流、传导发射和辐射发射。

2.2.1 现场谐波测试

现场谐波测试依据标准GB/T14549、GB17625.1、GB/T17625.6、GB/T17625.8，测试2-33次谐波。测试仪器应符合GB/T 17626.7要求。选用电能质量分析仪FLUKE 435II，参考GB17625.1中的试验配置搭建测试环境。

现场谐波测试时，将FLUKE 435II电流探头接在交流进线端，如图1所示。谐波电流测试点选择在充电站电源进线端和充电机设备输入端。现场充电机设备较多时，可采取抽样测试。

图1 现场谐波测试接线图

标准谐波测试要求较为纯净电压源和阻性负载。现场谐波测试，电压源及负载由现场条件决定，测试结果更符合现场实际运行情况。

2.2.2 现场传导发射测试

现场传导发射测试依据标准GB 4824、GB9254、GB/T6113.103，测量150～30 MHz传导发射。测试仪器应符合GB/T6113.101、GB/T6113.102要求。选用EMI测试接收机R&S ESCI3、高压探头SchwarzbeckTK9421，参考GB4824中的试验配置搭建测试环境。

现场传导发射测试时，将TK 9421测量端直接接触被测端口，如图2所示。传导发射测试点选择在充电站电源进线端和充电机设备输入/输出端。现场充电机设备较多时，可采取抽样测试。

图2 现场传导发射测试示意图

标准传导发射测试要求在屏蔽室进行背景噪声低，电源经过滤波，干扰小。现场传导发射测试未排除背景噪声和电源网络干扰对测试结果的影响，测试结果更符合实际情况。

2.2.3 现场辐射发射测试

现场辐射发射测试依据标准GB 4824、GB9254、GB/T6113.103，测量30 MHz～1 GHz辐射干扰。测试仪器应符合GB/T6113.101、GB/T6113.104。选用EMI测试接收机R&S ESCI3、双锥对数周期复合天线Schwarzbeck VULB 9163、天线支架Schwarzbeck AM9104，参考GB4824中的试验配置搭建测试环境。

现场辐射发射测试时，将天线放置在测试点，如图3所示，改变天线的高度、方向、极化方式进行多次测试。为了更全面测量充电站内辐射发射，根据充电站的平面分布，同时考虑天线尺寸及测试对现场运行的影响，选择多个测试点进行测试。

图3 现场辐射发射测试示意图

标准辐射发射测试在电波暗室中进行，背景噪声低，空间反射小。现场辐射发射测试未排除背景噪声对测试结果的影响，测试结果反映充电站实际运行时的空间干扰，包含背景噪声和充电设施产生的辐射干扰。

3 充电设施电磁干扰特性

3.1 谐波电流特性

充电站谐波电流含量(THDi)随负载电流变化关系如图4～图6所示，THDi随负载电流增大而减小,空载时THDi最大。由于空载和轻载时谐波电流太小，产生的谐波干扰也相对较小，因此本项目重点研究充电设施20%～100%负载条件下的谐波特性。

图4 一体式直流充电站THDi随输入电流变化关系

图5 分体式直流充电站THDi随输入电流变化关系

图6 交流充电站THDi随输入电流变化关系

额定负载条件下，一体式直流充电站谐波电流分布情况如图7所示。交流母线负载侧THDi为32%；5、7、11、13、17、19、23、25次谐波含量较高，5次谐波含量为27.8%。交流母线电网侧THDi为6.92%，各次谐波均未超过5%。

图7 一体式直流充电站谐波含量

额定负载条件下，一体式直流充电站谐波电流分布情况如图8所示。交流母线负载侧THDi为30.3%，5、7、11、13、17、19次谐波含量较高，5次谐波含量为27.3%。交流母线电网侧THDi为6.07%，各次谐波均未超过5%。

图8 分体式直流充电站谐波含量

额定负载条件下，交流充电站谐波电流分布情况如图9示，THDi为6.28%，各次谐波含量均未超过6%。

图9 交流充电站谐波含量

充电站配电变压器低压侧安装有APF，进行谐波集中补偿。与负载侧相比，交流母线电网侧谐波电流含量明显降低。经APF补偿后，充电站交流母线电网侧THDi最大为6.92%，符合《GB/T 29316-2012电动汽车充换电设施电能质量技术要求》。

充电站APF集中补偿点负载侧交流电网内的谐波依然存在，负载侧THDi高达32%，谐波增加充电设备无功损耗，同时也影响计量仪表(特别是感应式)的计量精度，导致计量不准确[11-13]。

3.2 传导干扰特性

充电站交流电源网络的传导干扰情况如图10～图12所示(深色为峰值，浅色为平均值)。

图10 一体式直流充电站交流电源网络传导干扰

图11 分体式直流充电站交流电源网络传导干扰

图12 交流充电站交流电源网络传导干扰

一体式直流充电站、分体式直流充电站、交流充电站的传导干扰存在较大差异，频谱分布不具备相似性。一体式直流充电站传导干扰峰值主要集中在150 kHz～2 MHz频段内，干扰幅值范围为30～120 dBuV，最大为114 dBuV。分体式直流充电站传导干扰峰值主要集中在300 kHz～5 MHz频段内，干扰幅值范围为65～120 dBuV，最大为117 dBuV。交流充电站传导干扰峰值主要集中在1～4 MHz频段内，干扰幅值范围为30～100 dBuV，最大为96 dBuV。

充电站传导干扰最大为117 dBuV，不超过1 V(120 dBuV)。根据《GB/T 17799.1-1999电磁兼容通用标准居住、商业和轻工业环境中的抗扰度试验》要求，现场设备射频共模(150～80 MHz)抗扰度至少为3 V，现场传导干扰未超过现场设备的射频共模抗扰度限值，150 kHz～30 MHz传导干扰不会造成现场设备工作异常。

3.3 辐射干扰特性

充电站的辐射干扰情况如图13～图15所示。一体式直流充电站、分体式直流充电站、交流充电站的辐射干扰频谱分布具有很高的相似性，较大值集中在100 MHz、1 GHz附近。辐射干扰幅值范围为10～100 dBuV/m，一体式直流充电站、分体式直流充电站、交流充电站的辐射干扰最大值分别为98 dBuV/m、96 dBuV/m、91 dBuV/m，不超过0.1 V/m(100 dBuV/m)。

图13 一体式直流充电站辐射干扰

图14 一体式直流充电站辐射干扰

图15 交流充电站辐射干扰

根据《GB/T 17799.1-1999电磁兼容通用标准居住、商业和轻工业环境中的抗扰度试验》要求，现场设备射频电磁场辐射抗扰度(80 MHz～1 GHz)至少为3 V/m，现场辐射干扰未超过现场设备的射频电磁场辐射抗扰度限值，30 MHz～1 GHz辐射干扰不会造成现场设备工作异常。

4 现场电磁干扰抑制与防护

4.1 谐波治理

根据现场测试结果发现，三个典型充电站低压交流电网中均存在谐波电流严重的问题，也是充电设施现场主要的电磁干扰源。因此，采取合理的谐波治理措施，是消除充电设施现场电磁干扰源最有效的手段。

目前充电站谐波治理措施主要有3种：1)主动治理，即充电机采用有源功率因数校正技术(APFC)，减少对交流电网的谐波干扰；2)分散治理，即每台充电机输入端加装APF装置；3)集中治理，即通过在配电变压器低压侧集中安装APF装置，阻止谐波进入电网[14-16]。

集中安装APF对充电站进行谐波治理的措施虽然能够有效解决充电站负载谐波对电网的“谐波”和“无功”污染，但站内交流母线依然存在较严重的谐波干扰，对站内充电机的计量和通信产生影响。

因此，要彻底改善充电站现场的EMC特性，应采用集中治理与分散治理相结合的方式，或者选用具备APFC功能的充电机产品，彻底消除充电站内交流电网中存在的谐波干扰。

4.2 电磁干扰抑制与防护

在充电设施相关产品的设计过程中，对电磁干扰抑制与防护措施也应有充分的重视，以提高充电设施现场运行的可靠性。主要从以下几个方面考虑：

1)充电设施产品的EMI电路设计。在充电设施产品的输入/输出端增加EMI电路，降低充电设施产品的EMI噪声。在EMI电路中加入瞬态吸收与抑制器件(如压敏电路、TVS管等)，吸收瞬态干扰，提高充电设施产品的EMS能力。但EMI电路中的Y电容过大，会降低充电设施的绝缘性能，影响电动汽车的绝缘检测，在设计EMI电路时，需要合理选择Y电容，一般不超过9400pF。

2)充电设施产品的机箱设计。在保证散热的同时，减少机箱开孔，增强机箱的屏蔽性能，从而降低充电设施产品的辐射EMI，提高充电设施产品的辐射EMS能力。

3)综合考虑安全接地、信号接地、防雷接地，合理设计充电设施产品和充电站的接地系统。接地系统应具有较低的公共阻抗，避免出现“地电流”和“地回路”，同时保证人身和设备的安全[17]。

5 总结

本次测试选择了比较有代表性的已投运充电站作为测试对象，进行了EMI测试，受限于现场条件未进行EMS测试，而是结合单设备实验室条件下的EMS测试结果进行分析评估。根据现场测试结果分析，充电机产生的谐波电流是充电站最主要的骚扰源，选用对电网谐波干扰小的充电机产品是解决现场电磁兼容问题最有效的措施。

目前，充电设施建设相关标准中对充电设备的EMC性能和充电站电磁防护措施的规定还不够完善，为保证充电站设施的稳定可靠运行，应加快相关标准的研究。

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Research on Electromagnetic Compatibility Characteristics and Protective Technology of on-site Electric Vehicle Charging Facility

Sun Xuewu,Wu Hao,Jing Kaikai,Zhang Yong,Hu Xiaodong

(XJ Power Co., Ltd, Xuchang 461000, China)

With the rapid development of EV, market scale and demand of EV charging facilities is increasing. Safety and reliability of EV charging facilities is considered more and more important. Reliable performance of EMC is essential to the safe and reliable operation of the on-site EV Charging facilities. Studying the on-site EMC feature and protection technology of charging facilities, completing the EMC protection of on-site charging facilities and guaranteeing the safety and reliability of the on-site charging facilities are of great significance to promote the development of EV. According to the current EMC standards of EV charging facilities, on-site EMC test methods of EV charging facilities are studied. Typical EV charging stations are chosen to conduct on-site tests, at the same time, on-site EMI characteristics of EV charging facilities are analyzed, then, EMI suppression and protection measures for EV charging facilities are proposed. Harmonic interference generated by EV chargers is a major on-site EMC problem，using a combined approach of centralized control and decentralized control or choosing to use EV chargers with APFC function can effectively solve the problem of on-site harmonic interference. In development and construction process of EV charging facilities, giving adequate attention to EMI suppression and protection of EV charging facilities and promoting EMC characteristics of EV charging facilities is a fundamental guarantee of the safe operation of EV charging facilities.

EV;charging facilities;on-site test;EMC; EMI

2016-11-16；

2016-12-01。

电动汽车充换电设施现场试验及运维评价技术研究(5292C0140105)。

孙学武(1976-)，男，内蒙古通辽人，大学，工程师，主要从事电动汽车充换电系统试验检测技术方向的研究。

1671-4598(2017)02-0208-05

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.02.057

TM937.3

A