李 旭，王麗芳，何舉剛，汪正勝

(1.重慶長安汽車工程研究總院，重慶401120;2.中國科學院電工研究所，北京100190)

1 引言

電池管理系統(tǒng)(Battery Management System，BMS)對動力電池的電壓、電流和溫度進行檢測，估算荷電狀態(tài)(State of Charge，SOC)，并對動力電池提供有效保護，是電動汽車重要的電控單元，但是BMS所處的電動汽車整車電磁環(huán)境異常復雜。由驅動電機、電機控制器(通常包括PWM型DC/AC逆變和AC/DC整流電路)和DC/DC直流變換器等組成的整車動力系統(tǒng)工作電壓/電流高、功率大、開關頻率高，形成較強的電磁干擾［1，2］，它不僅制約著電動汽車整車電磁兼容的法規(guī)通過率，還會影響車內BMS等敏感電器系統(tǒng)的正常工作，對整車的安全可靠運行造成威脅。因此，對電動汽車整車及專用器件的電磁兼容性技術進行研究［3-6］，具有重要的理論意義和工程價值。

結合重慶長安汽車股份有限公司某型電動車在調試過程中出現(xiàn)的BMS受電磁干擾，導致采集的動力電池電壓/電流出現(xiàn)錯誤的實際問題，筆者研究了電動車內主要電磁騷擾源及對BMS耦合干擾的機理，并通過BMS的有效電磁兼容性設計，重點提升了BMS的抗電磁干擾性能，臺架試驗和整車驗證結果表明，經EMC優(yōu)化設計后的BMS能滿足電動汽車復雜電磁環(huán)境的使用要求。

2 車內電磁環(huán)境及對BMS耦合機理

2.1 車內電磁環(huán)境分析

長安某型中度混合電動汽車動力系統(tǒng)布置如圖1所示。整車動力系統(tǒng)由額定電壓為144V的鎳氫動力電池及BMS、電機控制器(IPU)、直流變換器(DC/DC)及額定功率為13kW的ISG電機與1.6L汽油發(fā)動機并聯(lián)組成。

圖1 動力系統(tǒng)布置Fig.1 Layout of motor drive system

2.1.1 低壓電器系統(tǒng)的干擾

首先，電動汽車中12V低壓電器系統(tǒng)中的各種開關、繼電器和直流電機等電感性部件在通斷過程中會在電路中形成很高的瞬變電壓，持續(xù)時間約為1ms，最大幅值可超過－100V。瞬變電壓的主要耦合方式為傳導耦合，通過共用的電源耦合進車內其他電子系統(tǒng)中。再則，車身控制器、空調控制器和DVD等部件的主芯片、時鐘電路、觸發(fā)電路、數(shù)據(jù)線和信號線等部分在工作過程中，會形成頻段覆蓋150kHz～2.5GHz的電磁干擾。最后，有刷直流電機、機械式電喇叭和點火系統(tǒng)等工作過程中產生的電火花，能形成頻譜很寬的輻射噪聲。

2.1.2 高壓動力系統(tǒng)的干擾

動力系統(tǒng)工作過程中，電機控制器IPU和直流變換器的開關器件IGBT和功率二級管工作在高速開關狀態(tài)，形成很高的du/dt和di/dt，導致較強的電磁干擾，并以傳導和輻射的形式影響B(tài)MS的正常工作。

2.2 對BMS耦合干擾機理

BMS及其硬件電路結構如圖2所示，電路主要包括:電源模塊、傳感器模塊、保護模塊、MCU模塊和通信模塊等部分組成。

圖2 BMS電路結構Fig.2 BMS hardware structure

由于BMS采用金屬鋁質外殼，車內電磁干擾對BMS的耦合有兩種主要途徑:車內的低頻瞬態(tài)和各種干擾直接通過BMS的電源線以共模或差模干擾的形式耦合進BMS，而車內的各種輻射干擾場把能量耦合在BMS的連接線束上，形成共模干擾電流耦合進BMS。

3 BMS的抗電磁干擾技術

針對上述BMS外部的電磁干擾源和耦合機理可在BMS的電路原理設計、印刷電路板設計和結構設計等方面采取針對性的EMC設計方法［7］。重點對電源電路、敏感小信號采集電路、接口電路、PCB元器件布局和布線，并結合PCB的EMC仿真分析和軟件濾波技術，使BMS具有較好的抗電磁干擾性能。

3.1 BMS電路原理的EMC設計

3.1.1 供電電源電路

由于BMS的電源線與12V蓄電池和DC/DC低壓輸出端、電機控制器低壓電源端并聯(lián)，并與車用其他電器設備共用電源系統(tǒng)，DC/DC和其他用電設備產生的各種低頻瞬態(tài)和高頻干擾、共模干擾可通過電源耦合進BMS。為此設計如圖3所示電源輸入電路。采用編號為V1的TVS抑制電源輸入中的瞬態(tài)干擾和提供ESD防護能力。采用編號為L1和L2的大電流磁珠抑制電源輸入中的高頻干擾，同時也抑制BMS內部向外發(fā)射高頻干擾。通過編號為L3、C1、C8、C2和C7構成的共模濾波器濾除電源輸入中的共模噪聲和諧波干擾。通過L1、C6、C4、C5和 C3組成的LC濾波電路濾除電源輸入中的差模干擾。

圖3 12V輸入電源電路Fig.3 12V power input circuit

BMS板內的另外一個重要電源是+5V的主工作電源，如圖4該電源工作的穩(wěn)定性及抗干擾性能直接影響到系統(tǒng)的信號采集準確度及穩(wěn)定性。該電源抗干擾的重要措施是由L1、C4、C5組成的LC π型差模濾波電路，濾除電源線上的差模干擾，同時對板內可能傳導到外部的差模干擾亦能起到有效的抑制作用。

圖4 +5V電源電路Fig.4 +5V power input circuit

模擬電源電路主要為BMS的模擬采集運放電路提供穩(wěn)定的雙電源，如圖5所示。

由TS1和IC1構成具有正負輸出電壓的單端反激型開關穩(wěn)壓電路。對該電路工作頻率的選取較為關鍵，工作基頻需要避開傳導及輻射抗擾度等測試較敏感的頻率段。

圖5 模擬電源電路Fig.5 Analog power supply circuit

3.1.2 關鍵敏感信號采集電路

BMS內部的關鍵信號是動力電池的工作電流信號，該信號的采集用于動力電池的安時容量積分算法，計算動力電池的SOC。該信號是mV級的弱信號，由精密錳銅合金電阻Shunt作為傳感器，因信號幅度小，極易受到干擾，造成采集電流不準的問題。為此，在BMS的輸入端口處采用共模抑制電感和電容對采集的信號進行了共模濾波處理，如圖6所示。

圖6 信號采集電路Fig.6 Signal collection circuit of BMS

3.1.3 接插口電路

BMS的每個引腳采用串聯(lián)磁珠和并聯(lián)去耦電容的標準設計，以濾除外部高頻干擾的傳導耦合。磁珠和電容的選擇要考慮既要有效濾除高頻干擾，又要考慮到引腳信號的電平變化速度及需要通過電流的大小。電容的等效阻抗可以表示為

其中，RS為等效串聯(lián)電阻;L為等效串聯(lián)電感;C為電容。

由式(1)可以看出，要取得較好的濾波效果，需要綜合考慮電容的容值大小、封裝形式及寄生參數(shù)等的影響，針對每個信號引腳，選用不同的磁珠和旁路電容。

3.2 印刷電路板的EMC設計

BMS采用四層電路板，中間兩層分別為電源層和接地層，頂層和底層為信號層。電源層分為5V數(shù)字電路電源、12V和15V模擬電源，按功能將接地層分隔開，為模擬電路、數(shù)字電路和大電流功率輸出電路設計單獨的地。重點減小信號采集電路的走線長度。經布局和布線優(yōu)化后易受干擾的總電流信號走線長度由2302.49mil減小到623.35mil。使得BMS系統(tǒng)的抗電磁干擾能力大幅增強。

還應用EMC仿真軟件，對BMS板極的EMC問題進行了建模仿真，以減少PCB上的各種輻射能量，并降低電源地平面諧振和電路回流路徑阻抗。

圖7中給出了應用EMC仿真軟件對BMS地諧振問題進行優(yōu)化前后的對比圖。通過仿真分析和優(yōu)化，地諧振幅度減小了10dB以上，有效地提升了BMS的電磁兼容性能。

圖7 BMS地諧振問題優(yōu)化Fig.7 Resonance problem optimization of BMS

3.3 結構及其他EMC設計

BMS外殼采用鋁質外殼，PCB的外邊四周采用覆銅設計，并良好接地，并在整車上采用如圖8所示的安裝和接地設計，獲得了較好的電磁屏蔽效果，提升了BMS的電磁兼容性能。

3.4 軟件濾波技術

除了采用上述的硬件EMC設計措施外，BMS還采用了一階滯后濾波等常用軟件濾波方法，瞬間脈沖干擾、隨即干擾和周期性干擾導致的數(shù)據(jù)采集異常等問題。

圖8 BMS在整車上的安裝Fig.8 BMS installation on vehicle

一階滯后濾波傳遞函數(shù)及濾波平滑系數(shù)基于RC一階低通濾波器的特性進行推導。RC電路的傳遞函數(shù)為:

將式(2)寫成差分方程，經整理得:

式中，X(k)為第k次采樣值;Y(k－1)為第k－1次濾波輸出值;Y(k)為第k次濾波輸出值;α為濾波平滑系數(shù)。

對式(3)兩端同時取自然對數(shù)有:

式中，T為采樣周期。

由 f0=1/(2πRC)、α =1 －及式(4)得到軟件濾波平滑系數(shù)為:

已知截止頻率f0，可通過式(5)確定出濾波平滑系數(shù)α。

長安中混電動車所用鎳氫H45型BMS系統(tǒng)信號采集周期T=10ms，截止頻率f0=5Hz，可得平滑系數(shù)α =0.0625，時間常數(shù)τ=160ms。

圖9中給出了BMS有無軟件濾波時，實車采集的總電壓信號。從圖中可以看到，經濾波后的BMS采集的總電壓信號更為平穩(wěn)。說明軟件濾波能有效消除BMS采集數(shù)據(jù)過程中的瞬間脈沖干擾、隨機干擾，使信號更平滑，解決了由于受到外部電磁干擾導致的瞬間數(shù)據(jù)異常問題。

4 試驗驗證

為驗證BMS的抗電磁干擾性能，根據(jù)車內電磁干擾對BMS耦合干擾的機理，重點參照《ISO 11452－4 Road vehicles-Component test methods for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy》標準，第4部分:Bulk current injection(BCI)的測試方法［8］對BMS的抗電磁干擾能力進行了試驗驗證，共模電流大小為100mA，試驗頻率范圍為20～400MHz。

圖9 有無軟件濾波的總電壓Fig.9 Total voltage with and without software filter

表1中給出了抗大電流注入測試過程中，經EMC優(yōu)化設計前后，BMS采集的動力電池總電壓、總電流和模塊電壓的最大偏差對比表。

表1 BCI測試過程中BMS采集偏差Tab.1 BMS collecting deviation in BCI test

經優(yōu)化后，BMS采集偏差大幅減小，達到設計要求。裝有本BMS的4輛混合動力電動汽車分別在江西南昌示范運行了 76000km、99576km、70560km和61888km均未出現(xiàn)動力電池參數(shù)采集錯誤的問題，說明經EMC優(yōu)化設計后的BMS能滿足電動汽車復雜電磁環(huán)境的使用要求。

5 結論

電池管理系統(tǒng)(BMS)是電動汽車能量管理的重要部分，它提供整車控制策略的重要參數(shù)，但BMS系統(tǒng)在電動汽車強電磁干擾環(huán)境中工作時易出現(xiàn)采集參數(shù)出現(xiàn)錯誤的問題，影響電動汽車的安全可靠運行。為此，筆者基于長安中混電動車平臺，研究了車內電磁環(huán)境及其對BMS耦合干擾機理，并通過BMS的有效電磁兼容性設計，重點提升了BMS的抗干擾性能，滿足了電動汽車復雜電磁環(huán)境的使用要求。

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［8］ISO 11452-4:2005，Road vehicles-Component test methods for electrical disturbances from narrowband radiated electromagnetic energy-Part 4:Bulk current injection［S］.