船用动力电池组管理系统电磁兼容设计

李霞林，李 围，赵 胜，刘云峰，彭 昂

应用研究

船用动力电池组管理系统电磁兼容设计

李霞林，李 围，赵 胜，刘云峰，彭 昂

（武汉船用电力推进及化学电源研究所，武汉 430064）

本文对船用动力电池组管理系统从机械架构的EMC设计、电路原理的EMC设计、PCB的EMC设计三个方面进行了电磁兼容性设计。根据搭建的电磁兼容模型，计算EMC风险评估较低。通过电磁兼容试验验证，该系统电磁兼容性满足设计要求。

电池管理系统 电磁兼容性 风险评估

0 引言

随着新能源广泛应用，以电池组为动力的船舶越来越多运行在内河及近海。为了安全、可控，动力电池组需要电池管理系统监测电池组状态，控制电池组充放电和安全保护。鉴于储波电磁环境复杂，对电池管理系统电磁兼容性提出来较大的挑战。因此，船用动力电池组管理系统电磁兼容性设计非常必要。

1 电池管理系统电磁兼容性分析

电池管理系统采用模块设计，可以根据电池组成组方式扩展。本文以最小系统，一块BMU搭载一块BCU模块进行分析。

1.1 机械架构的EMC分析

根据BMS原理图绘制EMC设计分析图[1]，见图3、图4。

电路板需要在电源接口、485通讯线按照中国船级社发布《电气电子产品型式认可试验指南》进行EFT/B测试。

图1 动力电池组管理系统拓扑图

图3 485通讯线EFT/B测试机械架构EMC分析图

图4 电源上EFT/B测试机械架构EMC分析图

通过图3、图4分析，存在4条共模电流路径。

EFT/B干扰从485通讯线注入，流向电路板的接地点。共模电流为：

式中，C为回路中等效电容，包括寄生电容和实际电容，dU为电快速瞬变脉冲群测试电压等级，dt为电快速瞬变脉冲信号的上升时间。

1）图3-1回路分析

回路中485通讯线预设2 m，CAN通讯线预设3 m；回路中等效电容为：

回路电流:

2）图3-2回路分析

回路电流:

3）图4-1回路分析

电源线上干扰是一条接地路径，回路中电阻和电容构成等效阻抗。

该回路上电流为：

基于上述计算，共模电流对电路板干扰较大。

1.2 电路原理图分析

对原理图进行分析，电路原理图“脏”区域为1、2、3、4，滤波，隔离或去耦区域为5，特殊处理信号区域（噪声电路，敏感电路）6、7，其他区域为干净区域。划分区域见图5。

图5 进行EMC区域划分后的电路原理图

1.3 PCB共模电流分析

PCB板采用分层设计，在PCB板上注入EFT/B干扰，共模电流流向见图6。

图6 共模电流在各层分布图

信号及元件面（1）位于PCB顶面，没有共模电流流过；GND层、电源层、信号及元器件层2）存在共模电流。

2 电池管理系统电磁兼容设计

2.1 机械架构EMC设计

机械架构EMC设计使产生的共模电流不流向产品内部电路的数字工作地（GND）或模拟工作地（AGND）部分，而使其流向结构地，从而使内部电路得到保护。

1）接地

电路设计通过X电容和Y电容实现工作地与金属外壳之间连接，将金属外壳接地。接地线选用长度至少10 cm，长宽比小于5的低阻抗金属,具备较宽接地线能力[2]。

2）I/O口连接器位置设计

连接器集中放置在电路板的同一侧，同一电路板的同一侧位置放置承载不同信号特性的连接器，注意各信号间的串扰与滤波。

3）屏蔽

屏蔽电缆的屏蔽层必须在连接器入口处与接地的金属板或金属连接器外壳相连，做360°搭接或与浮地系统中的GND相连。

4）散热器处理

散热器需要将散热器进行接地或变压器初级的0V或GND处理；防止散热器形成一悬空金属片，形成单极发射天线。

5）隔离

其外部接口如模拟量输入/输出接口、通讯接口采用隔离。485接口采用光耦隔离，电源采用隔离变压器。

2.2 电路原理的EMC设计

在图5中，区域1电路上需要根据频率设置设置滤波器，隔离型变压器对特定频率的干扰进行滤除。

区域2区域需要采用电容滤波，同时光耦隔离。

区域3中CAN总线和485总线采用带隔离的收发器，同时在电路上采用电容和ESD抑制器TVS二极管进行滤波和尖峰抑制。

区域4中在A/D转换前设置多重滤波电容，同时做好接地。

区域5对信号线进行包地和去耦处理。常见的去耦措施有：不同电容组合，电容和电感、磁珠混用。

区域6和7电路进行滤波处理外，还要进行屏蔽和包地处理。还可以在IRQ和RESET引脚使用TVS管等瞬态抑制器件。

2.3 PCB的EMC设计

1）PCB层数及层分配

依据图6共模电流流向图，PCB板层数及定义见表1。

2）敏感器件在PCB中的位置

敏感器件放置在电路板当中位置，在PCB没有耦合层上。滤波电容放在被滤波器件的相应引脚附件，或在共模电流泄放的路径中。

表1 PCB层定义表

3）地平面和模拟电路地平面的设计

地平面要求没有任何过孔，开槽，裂缝且长宽比小于3的PCB铜箔。

模拟电路地（AGND）平面设计在既没有共模耦合，也没有共模电流流过的位置上[3]。

4）电源平面设计

电源平面在保证没有串扰发生的情况下尽可能的大，电源平面尽量做到与地平面邻近，增加电源平面与地平面之间的层间电容，这对去高频耦有效。

5）串扰防止设计

脏的信号线、特殊处理的时钟信号线、高速信号线与“干净”的信号线之间考虑串扰问题。

6）特殊信号线设计

时钟信号线、高速信号线、敏感信号线等布线注意方法。

所有的空置区域都要铺铜处理，并将其通过适量过孔与相应区域的地平面相连[4]。

3 电池管理系统电磁兼容性验证

3.1 电池管理系统EMC风险评估

根据电池管理系统EMC设计方案，列出风险评估要素。风险评估要素见表2。

表2 电池管理系统评估风险要素信息表

其中：按产品中单个EMC风险评估要素的影响程度等级进行划分

Ⅰ：风险系数为0.4；Ⅱ：风险系数为0.3；Ⅲ：风险系数为0.2；Ⅳ：风险系数为0.1[4]。

风险要素代号表示风险值，是以10为单位的一个0-100之间的数值，由产品实际模型与实际模型对比，进行确定[5]。

根据风险评估计算公式：

式中K1、K2、K3、K4为风险系数，分别对应0.4、0.3、0.2、0.1；

参考GB/Z18039.1-2019规定产品整机EMS风险等级（工业级），见表3。

表3 EMC风险等级表

动力电池组管理系统经电磁兼容性设计后，进行评估为稍有风险级。

3.2 电池管理系统EMC试验

根据中国船级社规定进行试验，试验结果见图7及图8，试验结果满足船级社要求。

4 结语

本文动力电池组管理系统电磁兼容进行深入分析，就电池管理系统进行了电磁兼容设计，对设计优化后的电池管理系统进行了电磁兼容风险评估。评估及试验结果表明，电池管理系统电磁兼容风险较低，满足设计要求。

图7 电源正极传导发射试验结果

图8 外壳端口辐射发射试验结果

[1] 郑军奇. EMC设计分析方法与风险评估技术. 中国工信出版集团. 电子工业出版社: 296-297.

[2] 成志东. 高速数字系统印刷电路板电磁兼容设计[J]. 长江大学学报（自然科学版）, 2009, 6(04): 275-276.

[3] 刘凤秋, 徐征辉, 刘胜剑. 双电源管理系统的设计与实现[J]. 电子设计工程, 2015, 23(02): 106.

[4] 陈健. 电动汽车电池管理系统电磁兼容性分析与设计[D]. 吉林大学, 2019, 3(7): 38.

[5] 李富同. 高速PCB板的电磁兼容性设计及仿真分析[D]. 东南大学, 2021: 47.

Marine power battery pack BMS EMC design

Li Xialin, Li Wei, Zhao Sheng，Liu Yunfeng，Peng Ang

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM612

A

1003-4862（2022）03-0125-04

2022-03-17

李霞林（1985-），男，工程师。研究方向：电源管理系统及设计研发。E-mail: lixinnan0407@163.com