新能源汽车充电端口的脉冲群试验强度研究

2022-04-28陈火

电器与能效管理技术 2022年3期

陈火

(上海电器设备检测所有限公司, 上海 200063)

0 引言

随着新能源汽车的迅速发展,汽车直流充电端口的电磁兼容问题逐渐被大家广泛关注。根据现行的标准欧盟车辆认证法规ECE_R10要求,可知汽车直流充电端口的快速脉冲群试验强度,应按照峰值电压为2 kV、上升时间为5 ns、脉冲宽度为50 ns和重复速率为5 kHz的参数下至少持续注入1 min;可知试验强度的等级过高会增加社会的边际成本,过低可能会引起产品失效,诱发不安全的风险发生。本文将探讨新能源汽车直流充电端口快速脉冲群试验强度的问题。

1 理论分析

快速脉冲群的干扰来源是电网在供配电过程中继电器触点在闭合状态下会不断地击穿空气进行放电和感性负载瞬间切断的情况下产生。这类脉冲的主要特点:上升时间快,持续时间短,具有较高重复频率;脉冲波形的上升时间约是5 ns,所以包含的骚扰频谱比较宽,一般达100 MHz,其脉冲特性易受线束分布电容和分布电感的影响。

快速脉冲群试验属于典型的共模抗扰度测试,以共模电压的形式把干扰叠加到被测产品的电源端口和信号端口。而直流充电桩的受试线缆通过耦合/去耦网络被施加快速脉冲群干扰时,脉冲群发生器输出的一端通过电容直接注入到线路上,另外一端通过耦合单元的接地端子与GND地线相连。脉冲群干扰会沿着受试线缆进入到直流充电桩内部,并以共模电流的形式在直流充电桩的内部进行传输,直流充电桩的内部能产生高达数千伏的共模脉冲噪声,即便通过接口滤波器,干扰会有所衰减,但依然有较高的干扰电压通过传导的方式进入敏感设备电路,或者通过内部干扰线辐射到相邻的干扰线上,再从干扰线进入敏感的设备电路,因此要求设备具有一定的抗干扰能力。由于端口地线上的阻抗不一样,共模干扰信号在产品内部的传输过程中,最终会转化成差模信号并干扰内部电路正常工作电压,同样的差模干扰信号也会通过充电桩输出线缆流向汽车直流充电端口。本文将在充电桩进行脉冲群试验时,检测有多少干扰信号可通过充电桩输出线传输给汽车直流充电端口,来评估新能源汽车直流充电端口快速脉冲群试验强度的要求。

在直流充电桩初期的使用过程中,单个脉冲的能量较小,不会瞬间对设备造成故障,但由于脉冲群的持续注入,会对线路结电容充电,经过积累,最后达到并超过IC芯片的抗扰度电平,将出现显示屏熄灭、主控制器误动作失效的现象。如果说在没有合适的EMI对策下,汽车在充电的过程中,快速脉冲群干扰是很容易从充电桩上耦合到汽车直流充电端口的。快速脉冲群干扰传输环路示意图如图1所示。

图1 快速脉冲群干扰传输环路示意图

2 试验验证

快速瞬变脉冲群抗扰度试验是一种由许多快速脉冲组成的脉冲群耦合到电气和电子设备的电源端口、控制端口、信号端口和接地端口的试验。

2.1 试验方法

本文将以某知名充电桩品牌为例,通过电容直接注入法进行快速脉冲群抗扰度试验,试验过程中使用了一种新型的改良设备,该设备是将脉冲发生器、电容和耦合/去耦网络组合成一体,只需要把直流充电桩的受试线缆连接在设备上,并可与电网进行连接。试验过程中通过示波器分别使用两个高压差分探头在直流充电桩的输入和输出端采集干扰波形。试验原理图如图2所示,实际测试布置图如图3所示。

图2 试验原理图

图3 实际测试布置图

在不同条件下进行测试试验。

测试内容1:脉冲发生器在不同相位参数下对直流充电桩施加脉冲干扰,从模拟负载处采集其耦合情况。

测试内容2:脉冲发生器在不同电压等级参数下对直流充电桩施加脉冲干扰,从模拟负载处采集其耦合情况。

测试内容3:直流充电桩在不同工况下的脉冲注入试验,从模拟负载处采集其耦合情况。

2.2 试验数据

(1)脉冲发生器在不同相位参数下对直流充电桩施加脉冲试验分析:通过示波器,采集在充电桩输入端的0°、90°、180°和270°共4个相位参数的注入波形。注入波形如图4所示。

图4 注入波形

试验中从直流充电桩输出端口采集波形,不同相位间的耦合波形如图5所示。由图5可见,在0°、90°、180°和270°相位的耦合程度分别为120 V、100 V、126 V、98 V,可知不同的相位都能耦合到汽车直流充电端口上,耦合的程度与相位并没有直接的关联。

图5 不同相位间的耦合波形

(2)脉冲发生器在不同电压等级下对直流充电桩施加脉冲试验分析,在直流充电桩的输入端和输出端通过示波器采集到500 V、1 000 V和2 000 V共3个电压参数的干扰波形。干扰波形1如图6所示。

图6 干扰波形1

经比对直流充电桩输出端的耦合波形,不同电压等级的耦合波形如图7所示。由图7可见测试电压与最大干扰电压比例关系,当测试电压等级为2 000 V时采集到最大干扰为120 V,1 000 V时采集到最大干扰为60 V,500 V时采集到最大干扰为30 V。该设备在进行脉冲群干扰试验时,会经过约7 dB的衰减耦合到汽车直流端口上。

图7 不同电压等级的耦合波形

(3)充电桩在不同工况下施加试验分析,在直流充电桩的输入和输出端采集到空载和5 A、10 A、20 A共4种工况下干扰波形。干扰波形2如图8所示。

图8 干扰波形2

考虑到汽车充电过程中存在快速充电和普通充电的多种状态,便进一步对比不同带载的波形,在5 A和10 A工作状态下耦合波形如图9所示。由图9可见,直流充电桩在5 A的工况下从输出端采集到的幅值为120 V,而在10 A的工况下采集到的幅值为118 V,由此可认为不同带载情况并不会影响脉冲群的干扰。

图9 在5 A和10 A工作状态下耦合波形

根据国内外对直流充电桩的快速脉冲群测试标准IEC 61851-21-2:2018和GB/T 18487.2—2017中对快速脉冲群的测试强度都是2 kV[1];试验等级是按照最真实的安装和环境条件来选择,因充电桩的安装方式是固定在地面,带有保护接地系统,且采用专用的电缆与电网相连的环境来考虑,可满足GB/T 17626.4—2018[2]附录B的第3等级条件。因此,直流充电桩的快速脉冲群最大强度为2 kV,从试验数据可以得到汽车直流充电端口处能耦合到的脉冲群干扰不会超过120 V。