电池管理系统的电磁骚扰特性分析与优化研究

王云 杨伟东 陈英姝 柳海明 丁一夫

摘要 电池管理系统是典型的窄带电磁骚扰源，研究电池管理系统的电磁骚扰特性及对应抑制手段非常重要。针对电动汽车电池管理系统的电磁骚扰特点，从理论分析了其共模辐射和差模辐射特性。通过仿真和测试结合的方法找到了抑制谐振噪声的有效方法，仿真远场结果使得超标位置更加清楚，其中3 m场又能显示出频域的超标情况。同时结合谐振频点确定滤波器的参数，得到有效抑制超标频点的滤波器。最后通过实验验证了该方法用于电磁骚扰优化是可行的。

關 键 词 电池管理系统;电磁骚扰;仿真;滤波器;优化研究

中图分类号 U469.72     文献标志码 A

Abstract The battery management system is a typical narrow-band electromagnetic disturbance source. It is very important to study the electromagnetic disturbance characteristics of the battery management system and the corresponding suppression methods. According to the electromagnetic compatibility electromagnetic disturbance of battery management system for electric vehicles， the common mode radiation and differential mode radiation characteristics are analyzed from the theoretical point of view. An effective method for suppressing the resonance noise is found through a combination of simulation and testing， and the far-field result is made clearer. 3 meters of field can show the frequency domain exceeds the standard; combine the resonance frequency to determine the parameters of the filter， and get a filter that effectively suppresses the exceeding of the frequency， and verify that this method is feasible.

Key words BMS; EMI; simulation; filter; optimazation

电磁辐射是电磁兼容重点研究内容，也是电磁兼容整改优化的难点，在电池管理系统（BMS）电磁兼容设计中，电磁辐射相比电磁抗扰是比较容易被忽视的项目。BMS是新能源汽车能量保障，BMS内部线束复杂，本身的辐射使得线束之间的串扰不可忽视，提升BMS的电磁骚扰特性对电池管理系统的可靠工作至关重要[1]。

针对新能源高压管件部件BMS的电磁兼容性进行研究，日本学者Nobuyoshi Mutoh等人研究BMS的电磁骚扰特性，提出采用多层电路板设计抑制差模干扰，采用增加阻尼阻抗抑制共模干扰[2]。Masahito Shoyama等人在研究BMS系统的电磁骚扰时认为开关电源的开关频率是引起共模干扰的主要原因，根据共模电流产生的等效电路设计出抑制共模电流的开关电源，这种开关电源内置一个可以产生抵消共模噪声的源，可以在理论上实现对共模骚扰的完全抑制[3]。长安汽车工程研究总院李旭等人基于长安某型号混合动力汽车，分析了车内电磁环境及对电池管理系统的耦合干扰机理，并研究电磁骚扰抑制方法，实现电池管理系统的电磁兼容性设计[4]。吉林大学陈建从电池管理系统电磁兼容理论研究、电源线传导辐射骚扰仿真和实验分析3个方面进行研究[5]。中国计量学院的王常群在研究BMS电磁骚扰的时候发现电磁屏蔽是解决骚扰的关键技术，采用有限元的方法进行仿真，分析电磁骚扰的屏蔽技术，某种程度上抑制了电磁骚扰的传播[6]。

因此研究BMS的电磁骚扰具有重要意义，本文从电磁辐射原理出发，分析BMS的电磁兼容特性，并根据仿真和实验验证说明滤波器对谐振频点超标的抑制作用。

1 电池管理系统的骚扰分析

1.1 辐射发射骚扰原理

电磁兼容的三要素：骚扰源、耦合途径、敏感体。辐射发射是指骚扰源通过空间将电磁噪声耦合进敏感体的过程。以零部件的测试标准CISPR25中的规定为例，即GB/T18655-2010中规定的有关辐射的测试方法，被测EUT这里是电池系统，即骚扰源，在电波暗室内，骚扰源是决定测量结果的唯一因素，一般规定测试环境噪声应该低于限值线6 dB[7-8]。电池系统包括：电池管理系统及电芯构成的电池包、高压线束、低压线束以及CAN通讯线束等;测试环境三米法半电波暗室所形成的自由空间是耦合途径，接收天线是敏感体;即电池系统的骚扰信号向空间辐射，耦合进天线，EMI接收机读取辐射测试结果，如图1所示的是针对电池管理系统电磁骚扰的电磁兼容三要素分析。

电磁骚扰和电磁抗扰是电磁兼容领域重要两个研究方向。对汽车电子产品而言，为保证车载电子部件的稳定性，更多的电磁兼容设计是考虑电磁抗扰度，却忽略了电磁骚扰的设计;而抑制电磁骚扰可以减少车载电子部件之间的串扰，间接性的增强车载电子部件的抗扰性。另外，抑制车载电子部件的电磁骚扰，可以减少车辆本身对环境以及乘客随身携带的电子产品的干扰，研究电磁骚扰同样意义重大，不可忽视[9-10]。

1.2 BMS的电磁骚扰分析

电池管理系统的MCU工作需要时钟信号，同样电压采集等也需要时序，所以在以控制芯片为核心的电路板中，时序是保证电池管理系统正常工作的必要条件，这样电路中随着时钟信号上升沿越来越陡峭，电路中即使非常短的布线也有可能成为发射天线，产生电磁辐射。另外现在的车载电子器件，包括电池管理系统在内的硬件设计，很多电源设计都采用了线性电源和开关电源的设计。线性电源是采用整流、滤波、稳压得到的，在滤波的过程中由于滤波器的参数选择可能会忽略某些杂波，或者说某些杂波在经过滤波器之后仍然存在，这就产生噪声。而开关电源在开通和断开的瞬间会有一个电压的瞬态跳变，出现上升沿和下降沿，这种情况也会产生一个相对较强的辐射干扰。噪声在复杂的电池管理系统内部空间主要是通过辐射和传导两种形式向空间传播。电磁骚扰的信号类型包括共模噪声和差模噪声两种，区分共模和差模另一个方法是分析回路的电流方向和电流大小，习惯上称电流大小和方向均相同的是共模电流，只有大小相同和方向相反的电流被称为是差模电流[11-13]。

电池管理系统中产生电磁辐射的骚扰来源主要可分为以下几个方面：1）系统内部大量的电力电子开关部件，如IGBT、MOS等工作时产生的极强的EMI噪声;2）BUCK、BOOST等开关电源电路的脉冲电流和电压包含丰富的高频谐波，会产生严重的电磁辐射;3）动力电池内部连接有高压线束、低压线束以及各种信号采集线束，系统工作时各种线束之间会相互耦合，从而形成复杂的EMI噪声;4）系统内部高压线束的存在以及电池包庞大的体积，使得电磁耦合路径更加复杂多变。因此如何在狭小的电池包空间，减少系统电磁辐射，改善系统的电磁兼容性能，是目前电磁兼容行业的重点和难点。

2 仿真模型构建与仿真分析

2.1 仿真模型构建

电磁兼容仿真分析是研究电磁骚扰特性的重要方法，其中差模辐射原理和共模辐射原理是构建电磁兼容仿真的重要原理[14]。

差模辐射是由于差模噪声的存在产生的，而差模噪声一般存在非地线之间的线路回路上，这种线路回路形成一个小型的环天线，噪声通过该环路向空间辐射能量形成差模辐射，因此选用磁偶极子天线即小环天线模型可以分析差模辐射原理。理想状态的下磁偶极子天线由半径a<<λ的电流环构成，分析磁偶极子的电磁场分量如下：

式中：E是电场强度，单位V/m;H是磁场强度，单位A/m;η=120π 为自由空间的特征阻抗，单位Ω;λ为波长，单位是m;I是电流，单位是A;S是环路面积，单位是m2;r是空间某点到电流环路中心的距离;θ是矢量与z轴的夹角k = 2π/λ。一個磁偶极子在一定距离范围内分为近场区和远场区，以r=λ/2π为分界线;当r<λ/2π，该区域成为磁偶极子的近场区，通过对式（1）～（3）进行分析可以得到近场区的波阻抗，如式（4）所示：

从式（4）的结果可以看出，磁偶极子的近场区电场E和磁场H分别于距离r的2次方和3次方成反比，和差模电流、环天线的环路面积成正比，所以，差模辐射的强度随着距离r的增大、差模电流I的减小、环路面积S的减小而减小;而其波阻抗远远小于真空波阻抗η，为低阻抗区。

当r>λ/2π，该区域为磁偶极子的远场区，同样分析式（1）～（3）得到远场区的波阻抗，如式（5）所示：

式中：c为真空中的光速，单位是m/s;f是差模噪声的频率。从式（5）的结果可以看出，磁偶极子的近场区电场E和磁场H均与距离r的1次方成反比，和差模电流、环天线的环路面积成正比，和噪声的频率f的平方成正比，所以，差模辐射的强度随着距离r的增大、差模电流I的减小、环路面积S的减小、噪声频率的减小而减小;而其波阻抗等于真空波阻抗η。

共模辐射是共模电流向空间辐射能量产生的，而共模噪声一般存在地线路回路上，由在接地回路上产生的电压骤降使得具有高电位的点产生共模电压，外接电缆和此类型点连接并激励出共模噪声，并向空间辐射能量，因此选用短极子天线模型来表示共模辐射。对共模的数学模型进行推导得到式（6）和（7）的波阻抗。

其近场波阻抗：

远场波阻抗：

分析近场和远场的电磁场强度，在近场区，电场和磁场强度随着距离的增大、共模电流的减小和长度dl的减小而减小，其近场波阻抗为高阻抗区;在远场区，波阻抗等于真空波阻抗。

2.2 SIwave和Designer协同仿真分析

鉴于上述对辐射原理的分析，在对电池管理系统的PCB板进行电磁辐射仿真分析中，本文采用SIwave和Designer协同仿真分析远场辐射骚扰[15-17]。

图2所示为该PCB板的电磁仿真热图分析，远场仿真结果可以明显看出空间电磁场发射的强度的分布，可以明确判定电磁场在空间的强度。另外根据热图电磁发射强度大小的位置，寻找影响PCB电磁骚扰的电路。经过对比PCB电路，可以发现影响整块PCB骚扰特性的关键位置电源模块。

在汽车电磁兼容领域，很多测试辐射骚扰的标准规定了辐射骚扰测试都是1 m场和3 m场，即天线在1 m或3 m位置时测试的骚扰强度，但从电磁兼容测试标准角度分析仿真3 m场结果比仿真远场热图更具意义。

如图3是该PCB板频域的仿真结果，模拟了3 m场出辐射发射的结果。从图3可以看出，电路中存在一些尖峰点，分别是：49.9 MHz、75.1 MHz、115.0 MHz、142.3 MHz，这些尖峰点出的值明显高于其他频点的值。

对PCB板进行电磁兼容优化升级，根据远场仿真结果针对电源模块进行优化，主要方法是对电源进行滤波处理，采用LC滤波器进行处理，使用RFSim99软件计算得到C=318.31 pF，L=795 nH，如图4所示。

另外，其他芯片供电电源也添加旁路去耦电容来消除供电纹波影响。在电源电路添加滤波处理之后的3 m场辐射结果如图5所示，可以看出：经过滤波之后的电路板，高次谐波噪声被吸收，电源电路的骚扰减小。

3 辐射骚扰试验及优化分析

仿真软件在理想化模型的基础上设置需要的参数进行仿真试验，仿真环境相对试验环境更接近理想化。实际的试验环境相对复杂，包括：装置布置的误差、接地阻抗的影响、天线到接收机的线缆的衰减等各种复杂的因素影响了实际的结果。因此，仿真并不能代替实际的测试，通过仿真可以为优化提供方向。通过仿真结果的分析，可以通过设计滤波器吸收电源的高次谐波。为了验证滤波器在实际电路中的吸收效果，还需设计实验进行验证。

3.1 滤波器设计

上述仿真结果采用的π滤波器可以很好地吸收高次谐波[18-19]。该滤波器原理是通过电感和并联电容的阻抗差，使得电感具有很好的分压作用，从而达到消除干扰噪声的作用。其中Y电容对于共模信号有很好的吸收作用，X电容可以很好地滤除差模干扰信号，共模电感和磁环形成共模扼流圈吸收共模干扰信号，普通电感也可以吸收共模杂波信号。由于该滤波器用于高压线束，所以在选取电容值和电感值的时候需考虑电容电感的耐压值和限流值，保证所设计及的滤波器在滤除杂波信号的同时还能够可靠地工作，所设计的滤波器如图6所示。

确定π型滤波器谐振频率之后，通过RFSim99软件计算出了滤波器所需电子器件的参数值，文中选择400 kHz的谐振频率。考虑Y电容使用受漏电流的影响，Y电容不易过大，则计算结果为：CY1 = CY2 = CY3 = CY4 = 1 nF，LC1 = 26 μH，LD1 = LD2 = 15.915 μH，CX1 = 10.61 nF，CX2 = 6.366 nF。选取这些参数仿真测试滤波器，该滤波器的插入损耗如图7所示。

由图7可以得到该滤波器的插入损耗在400 kHz处存极大值点，该滤波器适用于谐振频率400 kHz的谐波。

滤波器是解决电磁骚扰的重要器件，滤波器在制作的过程应该尽可能的减小电容引脚长度，避免由于电容引脚过长引起寄生电感，滤波器的引脚直接在焊盘上，满足引脚最短的需求。另外滤波器的恰当安装是保障滤波器作用的前提。滤波器尽量安装在金属屏蔽材料的盒子里，滤波器里的接地点应该和外壳良好接触，并保证滤波器的外壳也良好接触地，以及接触阻抗小于100 mΩ。滤波器的输入输出端口应该和同轴电缆连接，同轴电缆的屏蔽层和滤波器的金属外壳连接。

3.2 辐射骚扰优化试验分析

动力电池系统具备高压系统和低压系统的双重性质，当电池管理系统控制电池系统继电器断开和吸合的瞬间，直流母线会有很大的du/dt和di/dt值，这个瞬间的辐射能量会很大，這个能量对车上的一些控制器带来严重的干扰。

开关电源引起的高次谐波、数字时钟瞬时工作对地产生的电压骤降，在地线上形成一个骚扰，这种类型的干扰就是共模干扰。任何的电路都存在高频的电流环路，在电池管理系统的PCB板上，CAN通讯、数字采样等功能电路形成的小环路，各种采样走线之间的小环路噪声形成环路噪声，就是差模辐射。电磁辐射骚扰多是电池管理系统的高频电流环路产生的，例如极端情况：开路—天线效应。这时候就应该减短走线，减小高频信号的回路面积，消除任何非正常工作需要的天线，将不需要的走线去掉。为了说明滤波器对谐波的抑制，下面通过实验进行验证。首先按照标准进行实验，测试频率为150 kHz～30 MHz，选用棒天线进行辐射发射的测试，如图8所示为棒天线的测试照片。

如图9所示MaxPeak-ClearWrite蓝色是峰值检波，Average-ClearWrite绿色是均值检波，Limit level 3-PK红色是峰值限值，Limit level 3-Average紫色是均值限值;500 kHz测试的峰值是67 dBμV，1 MHz测试的峰值是55 dBμV，1.5 MHz测试的峰值是37 dBμV。从这些超标频点可以看出尖峰每间隔500 kHz就会出现谐振点，谐振点处的窄带信号（如表1列出的峰值和均值的差小于6 dB，认为是窄带信号）较强，同时从图9可以看出，峰值和均值每隔500 kHz就会出一次相近点，这个谐振尖峰是由开关频率造成的。

由前面对PCB板级的仿真结果可知，通常这种高次谐波都是电源引起的。为了解决这个问题，对板级的电源进行优化，主要优化方法就是设计了针对500 kHz谐振频率的滤波器。该滤波器是π型低通滤波器，并将该滤波器应用到实际的电路中。

如图10所示是优化后的测试结果，从测试结果可以看出，谐振频点的尖峰和窄带噪声均已消除，通过RFsim99设计的滤波器针对500 kHz谐振噪声有很好的抑制作用，如表2所示是谐振频点优化前后的对比数据。

从优化测试的结果可以看出在1 MHz的时候峰值虽然比之前的下降了20 dBμV，但在1 MHz仍旧存在尖峰，而且在20～30 MHz的频率范围内，仍旧存在一些谐振信号。这是因为滤波器的结构电容引脚产生寄生电感参数的原因，使得滤波器在高频段的滤波作用减弱，图7设计的滤波器更适用与20 MHz一下频率较低的频段使用。试验的结果表明，所设计的滤波器对谐振频点超标的情况有明显的优化作用，使用π滤波器可以很好地吸收谐振点的杂波信号，解决了由于开关频率引起的谐振问题。

4 结论

针对电动汽车电池管理系统的电磁兼容EMI辐射特性，从理论角度分析了其共模辐射和差模辐射特性。目前EMC实验室都集中在一些检测机构，测试成本相对较高。本文采用仿真软件对PCB板进行仿真，找到谐波发射的频点，并在电路上通过添加滤波器得以解决。针对该谐波频点，进行电磁骚扰优化，通过仿真和测试结合的方法找到抑制EMI谐振噪声的方法。

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[责任编辑 杨 屹]