电波暗室整车直流充电滤波系统研究

2022-10-17张荣程泉赵延华曹兴盛

电子测试 2022年16期

张荣，程泉，赵延华，曹兴盛

（中汽研汽车检验中心（武汉）有限公司，湖北武汉，430056）

0 引言

新能源汽车是全球汽车产业转型升级、绿色发展的主要方向，也是我国汽车产业高质量发展的战略选择。欧盟电磁兼容标准ECE R10.05已明确提出了新能源汽车的充电试验要求，国标GB/T 40428-2021《电动汽车传导充电电磁兼容性要求和试验方法》[1]标准也已经正式发布，而满足这些试验的整车电磁兼容试验室还不多。本文对电波暗室整车直流充电滤波系统进行了研究，并介绍了现阶段可行的滤波改造设计方案。

1 整车直流充电试验现状

与传统燃油车不同，新能源汽车多出了充电这一环，而往往涉及到高压、功率变换、大电流等因素的功能都与强辐射、高骚扰相关，因此，车辆在充电状态下的电磁兼容性能是未来会重点关注的方面。

通常，所有进入暗室内部的线缆（包括电源线、信号线、网线及电话线等）必须要进行滤波处理，但是，与传统线缆不同的是，新能源汽车的充电线不仅有电源线部分，还包括通信线、控制线和地线，这些线束在使用的过程当中不仅会传输简单的电平信号，也会传输CAN报文信号、PWM波控制信号等，而这些信号在通过常规的暗室滤波器后，无法正常在车辆与充电桩之间进行握手通信，导致试验无法进行。

图1 直流充电枪接口示意图

现阶段多数试验室在进行充电试验时，只能采用临时接线，从暗室波导口直接穿入的方式进行。这样的试验方式会带来很多不利因素，如：（1）试验布置时间较长；（2）线缆布置的不确定；（3）线缆自身的电磁干扰；（4）抗扰度试验时可能引起充电桩的损坏。

本文研究了一些试验数据、与技术人员进行了多次交流、并从标准和理论上进行了一些研究。

2 现阶段遇到的问题

标准 GB/T 18487.1-2015[2]和 GB/T 27930-2015[3]对充电过程进行了较完整的描述，但是，在一些细节上，标准并没有给出明确的说明。针对滤波系统的问题，结合上述直流充电过程，我们做了一些可能性的分析。

2.1 绝缘检测问题

由于直流充电时，电压较高、电流较大，万一出现泄漏，将导致不可挽回的后果，因此整个充电过程中，系统的绝缘是否良好，关乎安全，切不可忽视。

2.1.1 标准的理解

（1）在国家标准GB/T 18487.1-2015，《电动汽车传导充电系统第1部分：通用要求》中给出了“绝缘电阻”的检测标准：

在供电设备非电气连接的各带电回路之间，各独立带电回路与地（金属外壳）之间按规定施加直流电压，绝缘电阻应不小于10MΩ。

而对于一般的滤波器而言，其设计规范一般仅能满足绝缘电阻不小于2MΩ，在这一点上，滤波器与充电桩的要求出现了差异。

（2）充电桩和电动汽车内部均装有绝缘检测装置。在充电过程中，前期由充电桩负责充电系统的绝缘检测，后期由电动汽车负责。而对于充电过程中的绝缘性能的检测，标准GB/T 18487.1-2015并没有给出详细的说明。但可以得知：

a.绝缘检测所需要的高压是由充电模块产生的[4]。

b.分别检测正、负对PE的绝缘电阻，取较小值作为判断依据。

c.用来做绝缘检测的高压是不固定的。

2.1.2 导致绝缘检测失效的原因分析

（1）滤波器Y电容容值过大

Y电容是较常见的干扰滤除器件，分别跨接在电源母线两线和地之间，一般是成对出现。

图2 Y电容连接方式

为了滤除线路中的骚扰，Y电容被广泛的应用在电源滤波器中，但它的存在容易使线间产生泄漏电流。因此，Y电容值不能太大（nF级），其参数设计要与使用环境相匹配，如果没有进行试验验证，很有可能出现漏电流过大、跳闸等异常现象。

（2）系统链路的连接使电源母线与地之间的等效电容偏大

标准中有要求，当电压不超过550V时，电源母线与PE线之间的等效电容应小于0.5μF；当电压不超过750V时，电源母线与PE线之间的等效电容应小于0.3μF；当电压不超过1000V时，电源母线与PE线之间的等效电容应小于0.2μF。

2.2 CAN报文通信传输问题

直流充电过程中，汽车与充电桩之间的通信由CAN总线传输，标准GB/T 27930-2015对充电整体流程及报文格式进行了规定。

2.2.1 充电整体流程

根据GB/T 27930-2015中的第8节，充电过程有六大步骤,报文相关的有四个阶段：

①低压辅助电源上电及充电握手阶段；②充电参数配置阶段；③充电阶段；④充电结束阶段。

对于这四个阶段，若在规定的时间内充电机和BMS没有收到报文或收到的报文不正确，则判定超时。一般认为超过5s即为超时。出现超时后，BMS和充电机会发送错误报文，并进入错误处理状态。在充电结束阶段中，如果出现了故障，不必再进行处理，直接结束充电流程。

2.2.2 可能导致异常的原因

（1）传统的信号滤波器无法适配CAN信号，报文在经过滤波器后产生了丢失、错误等原因，导致充电无法继续进行。

（2）标准要求的最大通信等待时间为5s，而充电桩与汽车可能存在匹配度不良或内部系统运行模式差异大，因而导致了报文的传输时间超过了5s，此时也会判定超时，导致充电停止。

2.3 其他原因

（1）暗室空间较大，从外部引入的线缆长度太长，导致线阻过大，出现报错；

（2）暗室地、充电桩地与车辆地并未良好搭接，在其中某处链路出现接地不连续，这同样会导致前面的握手阶段辅助电压检测值偏差，出现报错。

3 解决思路与方法

3.1 绝缘检测

（1）Y电容问题

①进行滤波器的性能验证，断开进出连接线，对其进行绝缘电阻的测试验证，验证滤波器的绝缘性能是否满足基础要求；

②经试验验证后，尝试改进滤波器的Y电容，或与暗室建造商提出按要求进行更换。

（2）等效电容问题

使用检测仪器（示波器、矢量网络分析仪）对端口、拐角和接头等位置进行检测，在较明显产生等效电容的位置进行相应处理[5]。

（3）试图从绝缘检测模块出发，结合绝缘检测方式，参考其他检测方法，对检测模块进行相应的调整。

3.2 CAN报文传输

使用CAN光纤转换器，代替信号滤波器进行滤波。

3.3 电压检测

①保证充电桩、滤波器和汽车的地连续；

②在滤波器端设计人工模拟电路[6]，出现电压检测失败时，介入该电路，使充电桩端能通过握手步骤，继续进行后续动作。

4 滤波系统方案

4.1 安装要求

直流充电滤波器安装于暗室壳体外，用于直流充电车/桩EMC测试时的充电线路滤波隔离。直流充电只有一种接口方式，即车辆处为插座，则滤波器在充电线路上的逻辑位置位于充电机和车辆插座之间。

4.2 滤波器框图

如果体积允许，建议将光电转换器的电源适配器放在滤波器盒子内，仍须电源滤波器，并给电源适配器单独增加屏蔽壳。

图3 滤波器框图

4.3 滤波及屏蔽要求

14kHz～40GHz ：插损大于 100dB。

14kHz～40GHz：屏蔽效能高于 IEC 50147-1：1997标准要求至少10dB。

4.4 CAN总线隔离要求

光电耦合器满足ISO 11898和SAE J1939系列标准要求。（1MHz物理媒介）

满足GB/T 27930-2015中CAN通信速率要求。（250kbps）

4.5 EMC要求

在 CISPR 25 测试频段（150kHz～2.5GHz）内，传导发射和辐射发射低于 IEC CISPR 25-2016 Level 5 限值要求至少 10dB。

按照 ISO11452-4（BCI）方法测试，满足 1MHz～400MHz/400mA。按照 GB/T 17626.3 方法测试，满足 80MHz～1GHz/10V/m。以确保在按照ECE R10、ISO 11451、ISO11452标准以及车厂最新标准布置进行抗扰度测试时，线缆感应的射频电磁场不影响滤波器使用。

在进行NB/T 33008.1-2013标准中5.18节电磁兼容抗扰度测试时不影响滤波器工作。（充电线端子部分经过GB/T 17626对应标准中CDN去耦后的干扰脉冲不应影响滤波器工作）

满足 GB/T 17626.4、GB/T 17626.5测试要求（EFT：电源2kV；信号线1kV。浪涌：充电线线-线1kV，线地2kV；信号线线-地，2kV）

在对光电转换器电源端进行GB/T 17626.11/29标准中电压暂降测试时，不影响光电转换器使用；在进行电源中断测试时，光电转换器不损坏，无人工干预可恢复使用。

按照ISO 10605对滤波器外壳进行15kV接触放电测试，不影响滤波器使用。