新能源汽车动力电池及其管理系统的EMC测试与整改案例

2020-07-28 22:20:07·  来源:电动学堂  
 
0引言BMS是电池包的关键和核心,在实现整车能量管理的同时,肩负着准确估计多项控制策略的功能。汽车电子部件的电磁兼容性能指该部件在其所处的车内及车外电磁环
0引言
BMS是电池包的关键和核心,在实现整车能量管理的同时,肩负着准确估计多项控制策略的功能。汽车电子部件的电磁兼容性能指该部件在其所处的车内及车外电磁环境中符合功能要求稳定运行并且不对其他部件产生无法忍受的电磁骚扰。
 
BMS在整车运行功能中的重要性要求其必须具备优良的电磁兼容性能。
 
一直以来,对于BMS的EMC测试没有相应的国家标准规定其测试项目以及性能要求,各大主机厂以及供应商均采用汽车零部件通用标准,或者采用由这些通用标准以及企业自身状况制定的企业标准,造成了对于BMS EMC性能一直没有一个统一的要求,直到GB/T38661-2020的发布。
 
2020年03月31日,国家标准化管理委员会发布了GB/T38661—2020《电动汽车用电池管理系统技术条件》标准,该标准于2020年10月01日起实施。该标准对电动汽车用电池管理系统的参数测量精度、SOC估算精度、电气适应性以及环境适应性等性能进行要求的同时,对其电磁兼容性能亦作出要求,包括电磁兼容检验项目、需满足的等级要求以及依据的相关标准等内容。
 
本文首先针对该标准中对于BMS电磁兼容性的要求进行解析,随后结合实际测试指出当前BMS较容易出现的EMC问题,最后给出了一些在设计阶段降低EMC风险的建议。
 
1 GB/T38661-2020EMC测试解析
 
GB/T38661-2020《电动汽车用电池管理系统技术条件》规定,在进行BMS的EMC试验时,应由BMS生产企业提供电池,与BMS一起构成基本测试单元模拟实际安装情况进行试验。
试验过程中记录电池管理系统采集的数据(单体或电芯组电压采集通道数不少于2个,温度采集通道数不少于1个),并与检测设备检测的对应数据进行比较。应使用隔离装置将辅助设备(如上位机及监控软件)进行隔离。充放电电流应不小于电池管理系统电流测量满量程的2%。测试系统搭建示意如图1所示。
 
在电磁兼容部分,GB/T38661-2020规定了BMS的电磁骚扰和电磁抗扰两类试验项目。
 
其中电磁骚扰类试验项目包括电磁传导骚扰和电磁辐射骚扰两项,参考的标准均为GB/T18655 -2010,且均需满足GB/T18655-2010规定的3级限值线要求。其中电磁传导骚扰试验可根据具体试验对象而选用电压法和电流探头法进行。
GB/T18655-2010的3级限值线是目前大多数主机厂及供应商对零部件电磁传导骚扰及电磁辐射骚扰的评价指标,但也有企业依据自身情况并结合该限值制定自身的企业标准限值。
 
虽然电压法与电流法均是评价BMS产生的电磁噪声沿线束向外的传播,电压法仅是针对电源线束,而电流法使用电流卡钳进行测试,其不仅能对电源线束的传导噪声进行测试,亦可将其卡在信号线束上一评估BMS电磁噪声沿信号线束的传播情况,故为更好地评估BMS电磁兼容性能,电压法与电流探头法均是有必要的。
 
另一类测试项目是电磁抗干扰测试。电磁抗干扰测试又分为时域抗干扰和频域抗干扰,具体测试项目如下表:
 
BMS 系统进行电磁抗扰试验的功能状态等级分类如下表:
 
针对BMS的频域电磁抗干扰测试,根据测试频段的不同,测试方法存在差异。在15Hz~150kHz频率范围,主要考核BMS的磁场抗干扰性能,依据ISO11452-8:2015规定的试验方法进行实验,试验等级为III级;在1MHz~400MHz频率范围内,依据GB/T33014.4进行60mA电流强度的大电流注入抗扰度测试;在400MHz~2GHz频率范围,进行场强等级30V/m的自由场法抗扰度试验。如无特殊规定,BMS频域法电磁抗扰度的试验结果需满足表2中规定的A级。
针对BMS的时域电磁抗干扰测试,根据时域波形以及耦合形式的差异有具体的区分。电源线瞬态传导抗扰度测试依据GB/T21437.2-2008标准考核将不同形式额脉冲叠加到BMS电源线上时BMS的工作状况,试验严酷等级为III级,针对标准中规定的不同的脉冲,BMS的功能状态需要满足表2中的要求如表3。
 
信号线/控制线瞬态传导抗扰度测试,使用耦合的方式将干扰信号耦合至BMS除电源线以外的其他线束,考核BMS通讯等功能状态,依据GB/T21437.3-2012规定的试验方法以及III级严酷等级进行实验,BMS功能状态需满足A级要求。
电快速瞬变脉冲群抗扰度试验依据GB/T17626.4 -2008规定的方法,试验严酷度等级III级,BMS功能状态需满足表2中的C级要求。依据GB/T19951中规定的方法及测试布置进行试验,放电电压等级如表4,BMS功能状态应满足表2中的A。
 
2 BMS的电磁骚扰问题及分析
对某一款电池包及管理系统进行电磁骚扰测试时,发现其电磁骚扰超过GB/T18655-2010的III级限值,以电流法为例进行测试结果分析并进行整改优化。试验布置2如图2所示。
 
图3为电流探头在低压线束,即BMS电源线及信号线,750mm位置时的测量结果数据。由数据可知,在50MHz~108MHz频段内,测量结果的峰值数据和平均值数据均有不同程度的超标现象。
 
电流法测试的实质是考察线束上电磁骚扰信号耦合至电流钳的能量大小。这种信号产生的根源在于PCB内部的高频信号,在PCB印制线之间的寄生电容以及寄生电感的作用下,并有电池包内部布线以及机械结构的影响下,沿线束传导至电池包外部,最终耦合的电流探头。
通常情况下的电磁骚扰不合格整改措施分为三种,接地、屏蔽和滤波,相对来说设计滤波电路的方式最容易后期工程化。在本案例中,选择设计滤波电路的方式进行整改,具体措施如下:
1)在BMS12V电源线和CAN通讯线上增加共模扼流圈以及Y电容(差模电容),如图4a)所示。
 
2)在I/O线上增加T型滤波,如图4b)所示。
整改后的测试结果电路如图5所示,从数据可看出,此种滤波电路的设计在不引起其他频段超标的情况下,能够将原超标频段的测试数据降低至限值线以下,并与限值线具有一定的裕量。
 
3 BMS的电磁抗扰问题及分析
电磁抗扰试验实质是考察样品在外界电磁干扰情况下的工作状态。在针对某款电池包及其BMS进行GB/T38661-2020中规定的项目进行电磁抗扰试验时,电磁辐射抗扰度(ALSE法)和磁场抗扰度试验均能够通过测试,但在进行大电流注入试验时,当测试强度为50mA时,BMS不能正常监控电池包状态。
考虑到后期工程化整改,对于大电流注入试验的整改措施选择滤波加屏蔽的方式进行,在BMS低压电源电路上增加滤波电路如图6a)所示,并在CAN通讯线增加屏蔽措施如图6b)所示。增加上述整改措施后,样品能够满足标准中要求的60mA大电流注入抗扰等级要求。
 
4结束语
在新能源汽车迅猛发展的背景下,车辆及其零部件的电磁兼容性能在整车的性能评价中扮演着越来越重要的角色。本文结合GB/T38661-2020《电动汽车用电池管理系统技术条件》中的电磁兼容部分,针对某一款电池包及其管理系统在测试中遇到的问题进行分析并给出了有效的整改措施。
 
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