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东风日产 | 电动车辆直流充电电流对电磁辐射的影响

2020-03-21 14:11:50·  来源:公众号:电动学堂  
 
文章来源:《电动车辆直流充电电流对电磁辐射的影响》作者单位:东风汽车有限公司东风日产乘用车公司技术中心引言随着我国汽车保有量的不断增长,燃油车尾气排放
文章来源:《电动车辆直流充电电流对电磁辐射的影响》
作者单位:东风汽车有限公司东风日产乘用车公司技术中心
 
引 言
 
随着我国汽车保有量的不断增长,燃油车尾气排放污染成为公众关注的热点话题 。而具有零排放污染的纯电动汽车的发展成为国家节能减排的重要举措 。近年来,电动汽车销量不断增长,电动汽车的电磁兼容性作为车辆的重要性能指标意义重大。
 
电动车辆直流充电工况的电磁辐射发射对充电站附近的无线电接收机工作具有较大影响。联合国欧洲经济委员会对乘用车电磁兼容的统一规定(ECE/ R10.05) 提出了电动车辆充电工况下的电磁辐射发射要求,该实验考察30MHz ~1GHz 的宽带发射是否满足标准所要求的限值。标准要求充电工况下的电磁辐射发射实验所需充电电流值为最大充电电流的80%,直流充电工况下,该充电电流值在实际测试过程中存在诸多问题。随着动力电池包容量和能量密度的快速增长,可允许充电电流越来越大。电磁兼容测试用电波暗室所配备直流充电机为满足80% 的最大充电电流值,涉及电波暗室更新和改造成本大。目前已销售安装的部分充电机功率也无法满足电动车辆80% 的最大充电电流需求,从而使电动车辆在小电流工况下进行充电,存在实际工况与实验要求工况不一致的情况。另外,该实验要求测试过程中动力电池包的荷电状态(SOC) 为20% ~80%,若在80%的最大充电电流下,动力电池包的SOC 短时间内会超过80%,当需要重复进行该实验时,为满足SOC 要求,需对电池包进行反复的充放电,并需要反复多次测试,效率低下、测试数据一致性难以保证,且浪费能源。
 
针对上述问题,本文从理论上分析了直流充电参数对电动车辆高压系统电磁辐射干扰量的影响,表明电动车辆直流充电电流不是影响整车直流充电工况电磁辐射干扰量的关键性因素。最后通过实际电动车辆不同直流充电电流下电磁辐射发射实验数据,验证了所提出观点的合理性。
 
1 直流充电工况电磁辐射发射实验及所存在的问题
1.1 直流充电工况电磁辐射发射实验
联合国欧洲经济委员会对乘用车电磁兼容的统一规定(ECE/ R10.05) 提出了电动车辆直流充电工况下的电磁辐射发射要求,本文所述直流充电工况电磁辐射发射实验参照ECE/ R10.05。
 
1.1.1 实验布局
实验在半电波暗室中进行,直流充电机设置在电波暗室外,充电线缆通过滤波器将电源和信号线引入电波暗室内,并在转台上设置直流充电插座。被测试车辆放置在转台,其基本测试布局如图1 所示。
 
1.1.2 实验车辆状态
 
直流充电工况电磁辐射发射实验中,车辆的工作状态如下:
1) 动力电池包的荷电状态(SOC) 处于最大SOC 的20% ~80%之间。
2) 车辆处于静止状态,各车载电子电气部品均处于关闭状态。
3) ECE/ R10.05 要求测试电流为最大充电电流的80%,本文所述实际电动车辆直流充电工况电磁辐射发射实验数据分析采用的不同测试电流值分别为20A、40A、60A、80A和100A。
 
1.2 直流充电工况电磁辐射发射实验所存在的问题
目前,直流充电工况下电磁辐射发射实验要求充电电流为最大值的80%。随着动力电池包容量和能量密度的快速增长,车辆可允许最大充电电流同步增长迅速。电波暗室已配备直流充电机将无法满足未来大多数车辆的测试要求,涉及电波暗室设备更新和改造成本大。
 
现在,直流充电站已安装的部分直流充电机的功率也无法满足电动车辆80% 的最大充电电流需求。在进行某电动车辆直流充电兼容性测试时,目前北上广深等大型城市和高速公路的充电机最大充电电流分布的初步调查结果如图2 所示,250A 直流充电机占比约为66%,120A 和90A 充电机占比分别约为28%和6%。而目前120A 和90A 直流充电机已无法满足市场上很多200A 和250A 电动车辆最大充电电流的80%。随着电动车辆直流充电电流需求的进一步增长,250A 直流充电机也将无法满足实验要求,且电动车辆将无法避免在低于最大充电电流80%的实际工况下进行充电。
 
另外,当采用大于80% 的最大充电电流值进行该实验时,由于实验要求采用准峰值检波器。若采用频率扫描方式,测试时间超过1h,电池包SOC 无法一直处于20% ~80%,该实验需要进行反复充放电分段测试。若采用时域扫描方式,单次实验的测试时间大约为30min,实验完成时,动力电池包的SOC 约为80%。若为了解析课题,需要重复进行该实验,或继续进行其他充电类电磁兼容实验时,需对电动车辆动力电池包进行反复的充放电。上述情况均会导致效率低下和浪费能源。
综上所述,标准要求的大于80% 的最大充电电流在实图2 直流充电机最大充电电流分布际应用中存在上述诸多问题。为此,本文通过理论和实际测试数据分析了电动车辆直流充电工况,充电电流大小对整车电磁辐射干扰量的影响。
 
2 直流充电参数对高压系统电磁辐射干扰量的影响
根据第1 章节中所描述的直流充电工况下电磁辐射发射实验的目的和实验方法,本文通过理论分析了各充电参数对高压系统电磁辐射干扰量的影响,明确了该实验中影响电磁辐射干扰量大小的关键性因素。
2.1 直流充电工况高压部件工作状态分析
 
典型的纯电动车辆高压系统架构示意图如图3 所示,其高压部件主要包括车载充电机(OBC)、高压电池包及电池管理系统(BMS)、驱动电机及电机控制模块(逆变器)、DC/ DC 变换器、PTC 电加热器和电动空调系统(A/ C)。
对电动车辆各高压部件在车辆处于不同工况时的工作状态进行分析,分析结果见表1 。
 
根据表1 的分析结果可知,电动车辆直流充电工况下处于工作的高压部件包括高压电池包、逆变器、DC/ DC 变换器、PTC 电加热器和电动空调系统(A/ C)。其中,逆变器仅处于高压上电的Standby 状态,没有实际的驱动电流输出。PTC 电加热器和电动空调系统(A/ C) 的实际工况取决于车辆或驾驶人的实际需求。根据联合国欧洲经济委员会对乘用车电磁兼容的统一规定(ECE/ R10.05),车辆电磁辐射发射实验中各高压部件的工作状态要求见表2。直流充电工况电磁辐射发射实验中不需要额外开启PTC 电加热器和电动空调系统(A/ C),并且从PTC 电加热器和电动空调系统(A/ C) 消耗功率和典型工作状态的角度分析,走形工况可涵盖其电磁辐射发射实验的测试要求。
 
因此,在直流充电工况下,该实验处于典型工作状态的高压部件主要是高压电池包和DC/ DC 变换器。
 
2.2 直流充电工况下的充电参数
 
2.2.1 直流充电功率
电动车辆直流充电工况下,实际充电功率受两部分因素影响: 充电机最大输出功率和车辆需求功率。当电动车辆的需求功率大于充电机最大输出功率时,充电机以最大输出功率向车辆进行充电。
在本文中,不考虑直流充电机最大输出功率不满足车辆需求功率情形,实际充电功率等于车辆需求功率。直流充电工况下,车辆需求功率主要受高压电池包和DC/ DC 变换器需求功率的影响,而高压电池包和DC/ DC 变换器的需求功率影响因素见表3。
 
2.2.2 直流充电电压和充电电流
 
在整个充电过程中,BMS 实时向充电机发送电池充电需求,充电机根据电池充电需求不断调节充电电压和充电电流以保证充电过程正常进行,直至充电结束。直流充电过程中的充电电压主要取决于高压电池包电压,而高压电池包电压随着充电过程中SOC 的不断升高而升高。
 
直流充电工况电磁辐射发射实验中,车辆的工作状态要求动力电池包的荷电状态(SOC) 处于最大SOC 的20% ~80%之间。其对应的输入电压随着电池包SOC 的变化会在一定范围内变化,某一纯电动汽车SOC 率与电池包电压关系实测数据如图4 所示。
 
2.3 各充电参数对整车电磁辐射量的影响
 
2.3.1 充电功率对直流充电工况电磁辐射干扰量的影响
直流充电工况下,充电功率主要受高压电池包和DC/DC 变换器的需求功率的影响,来自于直流充电机电流的流向如图5 所示。充电能量的绝大部分流向高压电池包内的电池单元并进行存储,小部分流向DC/ DC 变换器及其他高压部件进行消耗。
 
对于高压电池包,由于其电容的属性,无论在充电过程中,还是放电过程中,均不会对空间产生电磁骚扰。相反,还会在一定程度上对来自于其他部件的电磁骚扰吸收和抑制。
 
对于DC/ DC 变换器,根据表2 可知,直流充电工况下,不同的充电功率并不会影响DC/ DC 变换器的需求功率,其仅受连接低压负载功率及自身转换效率影响。在进行直流充电工况电磁辐射发射实验时,车辆处于静止状态,各低压车载电子电气部品均处于关闭或Standby 状态,功率需求保持恒定。
 
在直流充电过程中,充电功率不会对高压电池包和DC/DC 变换器的电磁辐射干扰量大小产生影响。但来自直流充电设备本身的传导电磁干扰不可忽视。其干扰量的大小将会影响到电动车辆整车的电磁辐射水平,并且与充电机输出功率、电压变化率、电流变换率等存在直接关联。
 
联合国欧洲经济委员会对乘用车电磁兼容的统一规定(ECE/ R10.05) 重点关注电动车辆本身在直流充电工况下的电磁辐射发射要求。因此,对于直流充电机不同输出功率及充电电流对整车电磁辐射干扰量的影响,本文不作详细分析。为了避免直流充电机对实验结果产生影响,需保证测试用直流充电机本身的电磁干扰量足够低。本文所述实验室配备直流充电机电磁干扰量测试数据如图6 所示,实验室宽带电磁辐射背景噪声远低于限值要求。
 
2.3.2 直流充电电压和电流对整车电磁辐射干扰量的影响
 
如2.3.1 章节所述,高压电池包在直流充电过程中不会对空间产生电磁辐射,下面主要分析直流充电电压和充电电流对DC/ DC 变换器的电磁辐射干扰量的影响。
纯电动汽车DC/ DC 变换器是高压电器系统中能量转换部件,将高压小电流转换为低压大电流传输到各车载低压部件,以保证低压回路正常工作。其内部开关管作动时,电压和电流会随时间突变。
 
典型的DC/ DC 变换器的开关管示意图如图8 所示。开关管Q 导通时,开关管内流过电流I,由于电路中漏感Q 的存在,当开关管Q 关断时,因漏感L 的电感特性,将会产生一个非常大的感应浪涌电压U 以阻碍电流的突变,并施加在开关管Q 上,并产生尖峰电压。由于浪涌尖峰电压和寄生电容之间的耦合影响,进而产生耦合电流,该耦合电容电流可能与线路电感之间产生振荡,并且导线与车体之间存在分布电容,最终引起共模辐射发射。
 
该辐射发射量的大小与流过开关管Q 的电流变化率、回路电感量、高压母线与车体分布电容、共模电流回路面积直接相关。对于同一测试车辆,其回路电感量、高压母线与车体分布电容、共模电流回路面积一致,流过开关管Q 的电流变化率越大,DC/ DC 变换器的电磁辐射干扰量越大。
 
虽然在直流充电工况下DC/ DC 变换器功率并不会受充电电流大小的影响,但其输入电压会随着电池包SOC 率的缓慢升高而不断增大,输入电流也会相应缓慢减小。
 
式中,W 是功率;U 是输入电压;I 是输入电流。
在功率恒定的情况下,DC/ DC 变换器输入电压和输入电流的变化是影响DC/ DC 变换器电磁辐射干扰量大小的关键因素。而直流充电工况下,DC/ DC 变换器的输入电压、输入电流与直流充电的充电电流无直接关联,所以不同直流充电电流对DC/ DC 变换器的电磁辐射影响很小。
 
3 不同直流充电电流下电磁辐射发射实验结果
为了验证第2 章的理论分析结果,本文按照第1.1.1 小节的实验布局,选取了目前市场上正在销售的5 款纯电动车型进行了不同直流充电电流下的电磁辐射发射实验。
实验使用的接收机型号和参数设置,测试天线型号和极化方向,测试距离等条件见表4。
 
本文选取了20A、40A、60A、80A 和100A 直流充电电流,对5 款纯电动车辆(编号A、B、C、D、E) 进行了不同直流充电电流工况的电磁辐射发射实验,测试结果分别如图7 ~ 图11 所示。
 
 
 
将上述各车型直流充电工况下电磁辐射发射实验结果进行汇总见表5。车辆A 的最大偏差量为8.919dB。车辆B 在433MHz 和867MHz 附近干扰为车辆非直流充电状态下一直存在骚扰,该车在直流充电状态下最大偏差量为7.056dB。车辆C 的最大偏差量为4.45dB。车辆D 的最大偏差量为6.979dB。车辆E 的最大偏差量为15.734dB。
 
 
各实验车辆最大偏差量所对应的直流充电电流和电磁辐射强度见表6。车辆A 的最大偏差量对应的直流充电电流为40A 和60A,且40A 所对应的电磁辐射发射量较大。车辆B的最大偏差量对应的直流充电电流为20A 和60A,且60A 所对应的电磁辐射发射量较大。车辆C 的最大偏差量对应的直流充电电流为20A 和100A,且20A 所对应的电磁辐射发射量较大。车辆D 的最大偏差量对应的直流充电电流为60A和80A,且60A 所对应的电磁辐射发射量较大。车辆E 的最大偏差量对应的直流充电电流为40A 和100A,且100A 所对应的电磁辐射发射量较大。
 
综上所述,不同直流充电电流工况下,车辆电磁辐射最大偏差量所对应的较大发射量与充电电流大小无相关性,且最大偏差量所对应的两个直流充电电流值无规律。
 
4 结语与展望
 
本文阐述了直流充电工况下电磁辐射发射实验的基本测试要求,分析了目前大于最大充电电流80% 的测试电流值所存在的问题。
 
理论分析了各直流充电参数对充电过程中整车电磁辐射干扰量大小的影响。电动车辆直流充电工况下的电磁辐射发射量受车辆外部环境的影响因素主要是来自于直流充电机的传导性电磁干扰量,且与直流充电机充电功率、电压变化率、电流变换率等存在直接关联。但联合国欧洲经济委员会对乘用车电磁兼容的统一规定(ECE/ R10.0 5)重点关注电动车辆自身在直流充电工况下的电磁辐射发射要求。电动车辆本身电磁辐射发射量受DC/ DC 变换器的工作状态,特别是流过DC/ DC 变换器开关管的电压和电流变化率的影响,而其电磁辐射发射量大小与直流充电电流无直接关联。
 
本文通过理论分析和实际测试数据表明,直流充电工况下,充电电流大小不是影响整车电磁辐射发射干扰量大小的关键性因素。
下一步,在本文的基础上,研究和明确影响直流充电工况电动车辆辐射发射干扰量大小的关键性因素,提出合理的直流充电测试电流值是后续的重点工作。可提高该实验的测试高效性、便利性和准确性,使该实验更加节能和环保。 
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