基于暗室内整车多协议充电电磁兼容试验的研究

【摘 要】随着新能源车辆的发展和普及，新能源车辆充电状态下的电磁兼容特性越来越受到整车企业、出口认证公司、最终用户的重视。在最新版的出口认证标准ECE R10中，明确规定了整车充电状态下的电磁兼容测试要求和方法，欧盟明确规定新能源车辆进入市场之前需要做此方面的电磁兼容测试。目前国家公告标准GB 34660中并没有相关要求，但根据行业内标准发展，GB/T 40428—2021《电动汽车传导充电电磁兼容性要求和试验方法》将作为未来此类项目的公告标准，而且，各个国家甚至车企生产的新能源车辆所对应的充电类型以及充电协议都是不同的，因此，暗室内（电磁兼容试验室）加装整车多协议充电系统进行电磁兼容测试已成为趋势。文章对直流充电（含超级直流充电）在特定SOC充电工况下，对不同功率充电下电磁兼容的辐射发射测试进行研究。

【关键词】新能源车辆充电;电磁兼容;ECE R10;GB 34660;GB/T 40428—2021;充电协议;整车多协议充电系统

中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1003-8639（ 2024 ）11-0075-07

Research on Electromagnetic Compatibility Test of Vehicle Multi-protocol Charging in Dark Room

【Abstract】With the development and popularization of new energy vehicles，the electromagnetic compatibility characteristics of new energy vehicles under the charging state are paid more and more attention by vehicle enterprises，export certification companies and end users. In the latest version of the export certification standard ECE R10，the requirements and methods of the electromagnetic compatibility test under the charging state of the vehicle are clearly stipulated，and the EU clearly stipulates that the new energy vehicles need to do the electromagnetic compatibility test in this aspect before entering the market. Current national announcement standard GB 34660 and no relevant requirements，but according to the industry standard development，GB/T 40428-2021 the electric vehicle conduction charging electromagnetic compatibility requirements and test methods will be the future of such project standards，and even the production of new energy vehicles corresponding to the charging type and charging protocol is different，therefore，the chamber（electromagnetic compatibility laboratory）with vehicle more protocol charging system for electromagnetic compatibility test has become a trend.In this paper，DC charging（including super DC charging）under specific SOC charging conditions，electromagnetic compatibility radiation emission test under different power charging is studied.

【Key words】New energy vehicle charging;electromagnetic compatibility;ECE R10;GB 34660;GB/T 40428—2021;charging protocol;vehicle multi-protocol charging system

随着电动汽车的迅速发展，用户不但对电动汽车的行驶性能提出高要求，对电动汽车的充电性能也提出更高的要求，希望电动汽车充电能像加油那样方便、快捷。直流快充、超充技术和换电技术也随之迅速发展起来，缩短了补能时间。充电过程中的电磁兼容问题也逐渐受到广泛关注，2021年3月，国内首个汽车充电电磁兼容标准 GB/T 40428—2021《电动汽车传导充电内容性要求和试验方法》正式发布，对电动汽车传导充电时发射类电磁兼容性能和试验方法做了详细要求，对交流充电抗扰性能也做了详细要求，对直流充电抗扰性能只对辐射抗扰度提出了要求。相比于交流慢充，直流快充、超充技术能够输出高于交流慢充数倍的电流和功率。在2023版正式发布国家充电标准中，国充2015+系列发布的2项充电接口标准中，即GB/T 20234.1—2023和GB/T 20234.3—2023，主要是对现行2015年版国标方案进行升级，而2015+配套的控制导引及通信协议标准仍在修订中。GB/T 18487.1—2023在2015版标准基础上新增了超级直流充电的控制导引电路和相关的适配及安全要求，GB/T 27930—2023在2015版标准基础上新增了超级直流充电的通信协议架构，GB/T 20234.4—2023则规定了超级直流充电接口及其适配器的技术要求，即其额定电压不超过1500VDC，额定电流不超过800ADC。随着电动汽车的普及，超级直流充电已成为日后用户出行首选的充电方式。本文对直流充电（含超级直流充电）在特定SOC充电工况下，对不同功率充电下电磁兼容的辐射发射测试进行研究。

1 新能源整车充电原理

1.1 新能源整车充电类型、名称及充电标准

随着各国对电动汽车的支持力度越来越大，充电桩的建设也越来越多，充电类型包括交流充电和直流充电，充电标准目前主要集中于欧洲、美国、中国、日本等四大区域。而特斯拉由于电动车发展较早，也形成了一套单独的充电标准。因此目前全球主要有五大充电标准。

目前五大充电标准接口分别是中国标准GB/T 20234、美国标准J1772、欧洲标准IEC 62196、日本标准CHAdeMO和特斯拉标准NACS，见表1。由于各地区的充电接口不一致，这也导致了在进行电动汽车充电接口的设计时需要满足不同地区或市场充电标准的要求，否则无法进行充电且不满足其标准法规的要求。

1.2 新能源国标整车充电模式及优缺点

电动汽车充电模式有直流充电和交流充电，直流充电根据充电电流以及功率大小有普通直流充电和超级直流充电。

1.2.1 直流充电

直流充电一般是直流充电桩安装在固定场所进行充电，与交流输入电源连接，充电桩输出直流电压，直流输出的充电枪连接电动汽车充电接口，从而给电动汽车动力蓄电池进行直流充电。图1为直流充电示意图。

以中国国家标准GB/T 20234充电为例，直流充电系统由直流充电桩（图2）、电缆组件、直流充电接口、电动汽车构成，电网接入380V电压，经过直流充电桩的转换装置将380V交流电转换为高压直流电，通过车辆直流充电接口，直接进入电池包，充电期间直流充电桩的ECU单元与车辆的BMS进行通信，保证充电过程中的安全、可靠。

1.2.1.1 直流充电口定义及各触头作用

直流充电接口仅用于提供直流电，直流接口由3个电源触头DC+、DC-、PE，6个信号触头S+、S-、A+、A-、CC1、CC2组成，如图3、图4所示。直流接口各触头作用见表2。

当直流充电枪和桩连接成功后会通过低压辅助电源12V唤醒车辆BMS;车辆BMS会通过通信信号向直流充电桩实时发送电池充电需求参数，直流充电桩根据电池充电需求参数实时调整充电电压和充电电流;此外，直流充电桩和车辆BMS还会相互发送各自的状态信息来实现充电的目的。

1.2.1.2 直流充电优缺点

直流充电是交流充电电流的十倍甚至几十倍，其优点是短时间内可以充满电池80%的容量，超过80%后，为保护电池安全，充电电流逐渐变小，直至充到100%。而缺点是由于充电电压高、电流大的特点，会对电池造成一定的损坏，降低电池的使用寿命。

1.2.2 交流充电

交流充电系统中充电桩自带充电枪或随车枪与交流充电桩或220V家用交流插座连接，通过车载充电机OBC将220V交流电转化为直流电，进行电动汽车动力电池的充电。

交流充电系统主要由充电桩、充电线束、车载充电器、高压控制盒、动力电池、DC-DC转换器、低压蓄电池以及各种高压线束和低压控制线束等组成。如图5所示。

1.2.2.1 交流充电口定义及各触头作用

交流充电接口由5个电源触头L1、L2、L3、N和PE，2个信号触头CC、CP 组成，如图6、图7所示。交流充电接口各触头作用见表3。

当车辆处于交流充电模式下，车载充电机检测交流充电接口的通信信号并唤醒车辆BMS，车辆BMS唤醒车载充电机并发送指令充电，同时闭合主继电器，动力电池开始充电。

1.2.2.2 交流充电优缺点

交流充电其优点是充电电流和功率小，保护并延长电池寿命以及用电低峰时充电成本低，缺点则是充电时间过长。

1.3 其他国家新能源整车充电交直流插头及优缺点

美国和欧洲市场主要使用的是Combo充电插头，而Combo充电插头基于IEC 62196标准，主要用于纯电动汽车和插电式混合动力汽车的充电插接系统，既支持交流充电，也支持直流充电，包括一个车辆充电接口和一个充电插头（交流充电和直流充电的充电插头集成于一体）。这种通用插接系统只需要具备一个车辆充电接口便可实现不同的交流电和直流电充电方式，即美国市场的型号Combo 1接口（图8、图10）和欧洲市场的型号Combo 2接口（图9、图11），这两种型号的直流电接口触头相同。与交流充电相比，直流充电触头尺寸较大，可实现大电流充电。用于Combo充电接口的优点是客户既可使用交流充电站，也可使用直流充电站给车辆动力蓄电池进行充电。缺点是在进行直流充电时，充电期间断开充电插头会产生电弧，为避免这种情况，充电期间采用电动机械方式锁止充电插头。

CHAdeMO是日本直流充电标准的车辆充电接口。CHAdeMO是CHArge de Move的缩写，意为Charge for Moving（移动充电）。采用这种方式时，充电电流强度最高可达200A。日标车辆交流插头与国标插头一致，唯一的区别是交流充电所需的电压和频率与国内不一致;图12、图13为日标充电插头的结构和接口定义。

美国通用的充电标准是J1772，而特斯拉作为早期发展电动汽车的车企，拥有专用的充电接口，即NACS，如图14所示;其充电接口主要用于特斯拉电动汽车的充电。NACS插头的优点是交直流一体的插头，与Combo充电插头一样既可使用交流充电站，也可使用直流充电站给车辆动力蓄电池进行充电。而缺点是由于接口的限制，无法兼容交流三相电，这也导致在中国和欧洲等使用三相交流电的国家或地区无法使用。

2 暗室内整车多协议充电电磁兼容试验

2.1 暗室内整车充电原理

目前国内外整车充电电磁兼容已制定相关标准，国内试验室也根据标准将充电桩配套暗室进行国标欧标等车型在整车充电工况下的电磁兼容测试。图15为本试验室暗室交流布置图，即交流充电桩通过园区供电经过交流滤波器到暗室内，暗室内接入到交流人工网络，然后接入交流充电枪给车辆充电，但是在充电前需要通过光电转换到协议转换箱，进行各个需求协议的转换。

图16为暗室直流布置图，直流充电桩通过园区供电经过直流滤波器到暗室内，暗室内接入到高压人工网络，然后接入直流充电枪给车辆充电，但是在充电前需要通过光电转换到协议转换箱进行各个需求协议的转换。目前车辆直流充电功率越来越大，随着具备大功率充电车辆的普及，试验室也需要配备相应的充电桩试验设备进行测试，因为需要配套于暗室，大功率充电设备需要有严苛的条件去进行相应的配套设备，所以较普通直流充电而言，大功率直流充电（超级充）需要在暗室内配置液冷系统来配合充电枪给车辆充电。而超级直流充电由于试验场地的局限性、设备的便携性以及安全性，采用液冷方式对充电枪线进行冷却散热。本试验室采用油冷的方式对充电枪线进行冷却散热。

2.2 暗室内整车充电布置

以本试验室为例进行介绍。本试验室为3m法半电波暗室，暗室内满足交流充电和直流充电（超级直流充电）的测试能力，按照GB/T 40428—2021以及ECE R10.06标准要求进行试验环境的布置。图17和图18为某车型进行普通直流充电的布置图。图19为某车型进行超级直流充电的布置图。

超级直流充电布置需要通过外部供电到暗室内，暗室内通过配备大功率线缆到屏蔽箱输入端（内部为高压人工网络），屏蔽箱高压人工网络输出端口接入双枪（每把枪功率输出250kW），然后双枪接入到液冷系统设备（图20）中，从而达到输出500kW的充电功率。

2.3 暗室内整车充电测试

按照ECE R10 06版标准对某车型进行辐射发射测试，该车型具备交流直流（超级直流充）的充电工况，分别对该车型在特定SOC22%直流充电进行测试。图21为该状态下的超级直流充电实时界面。

2.3.1 暗室环境底噪测试

在进行测试时前，需要进行暗室环境底噪的测试，确认在液冷系统正常工作时，暗室环境底噪没有问题，所测结果如图22和图23所示。

通过测试结果分析，该环境底噪满足6dB以上，符合测试要求，可以进行车辆充电辐射发射的测试。

2.3.2 车辆辐射发射宽带充电测试

以该车辆左侧为测试面，分为4个工况分别进行测试。图24～图27为每个工况辐射发射测试宽带结果。

2.3.3 4种充电工况测试结果分析

通过对4种充电工况天线水平极化测试对比（图28），可以反映出在频率范围30～50MHz、550～750MHz有明显的变化，其中750V、200A充电工况在30～50MHz时变化较大，测试结果较差;在750V、300A充电工况下，频率范围为550～750MHz变化较大，测试结果相对于其他3种充电工况较差，而通过各工况与750V、400A对比差值图（图29）可以看出在整个频段范围内，几乎所有频率点的测试差值在±5dB之间。

图30、图31中显示频率范围30～50MHz、550～750MHz测试结果有明显变化，通过对2个频段各工况测试结果单独比较，可以看出部分频率点测试结果差值达到了-7～+5dB。

通过对4种充电工况天线垂直极化测试结果对比，从图32中可以反映出在频率范围30～50MHz有明显的变化，该频率段所对应的充电工况为750V、400A，测试结果相对于其他3种充电工况较差;而通过各工况与750V、400A充电工况对比差值图（图33）可以看出在整个频段范围内，绝大部分频率点的测试差值在±5dB之间。

图34显示在频率范围30～50MHz测试结果有明显变化，通过对该频段各工况测试结果单独比较，可以看出部分频率点测试结果差值达到了-3～+9dB，差值较大。

2.3.4 低功率充电与高功率（超级充电）充电测试结果分析

通过测试进行了对低功率与高功率充电工况测试结果的分析，如图35～图38所示。

由图35和图36可以分析出BB HL_SOC22%（750V 100A）与（750V 400A）测试结果趋势几乎一致，整个测试频段内除部分频率测试点差值大以外，其余结果差值均在±3dB以内。

由图37和图38可以分析出宽带天线垂直极化测试结果差于天线水平极化测试结果，BB VL_SOC22%（750V 100A）与（750V 400A）测试结果除了在30～50MHz差值大以外，其余频段趋势几乎一致，结果差值均在±3dB以内。

3 结语

在ECE R10关于电磁兼容性方面批准车辆的统一规定以及GB/T 40428—2021电动汽车传导充电电磁兼容性要求和试验方法的标准里，规定在全频范围内测量期间，动力蓄电池的充电状态应保持在最大SOC的20%～80%。但是对于直流充电或超级直流充电测试，车辆在测试期间动力蓄电池SOC能否保持在20%～80%，取决于充电功率的大小，同一车辆类型的动力蓄电池，充电功率越大，充电电池电量饱和时间就越短，在该测试项目一定的时间里，无法按照标准要求中需要的测试电量范围去测试，所以后续考虑到需要将车辆放电到标准规定的电量，但是这样会导致试验场地的占用率升高，从而导致测试任务的紧张以及试验室成本的亏损。

通过对于该车辆4种不同充电工况在同一SOC情况下的测试结果研究分析，得出以下结论。

1）4种工况测试中，天线垂直与水平极化方向的测试结果除了30～50MHz以及550～750MHz外，其他测试频段结果趋势几乎一致。

2）在最大充电电流的25%（750V、100A）与最大充电电流（750V、400A）两种充电工况测试中，天线垂直与水平极化方向的测试结果除了30～50MHz外，其他测试频段趋势几乎一致，测试结果差值较小。

3）随着具备超级充电车辆的普及，电磁兼容测试也尤为重要。鉴于试验室以及车辆状态等原因，通过该车测试结果分析考虑到测试以及充电时间的问题，在进行直流充电试验时，通过对不同充电工况进行对比，可以尝试按照低功率充电状态进行测试。

4）对于某些车辆具备超级充电即高功率充电结果与低功率充电在某些频段结果的差异，可以对该频段进行高功率充电复测，以保证结果的准确性与一致性。

参考文献：

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