符興鋒，王曼莉，賴吉健，余祥松，周斯加

(1.廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州511434；2.溫州大學(xué)機電工程學(xué)院，浙江溫州325035；3.溫州大學(xué)激光與光電智能制造研究院，浙江溫州325035)

科技的飛速發(fā)展推動了社會信息化的進程，電子設(shè)備在社會經(jīng)濟和日常生活中的各個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。在現(xiàn)代汽車產(chǎn)業(yè)中，電子技術(shù)的應(yīng)用程度被認為是汽車技術(shù)開發(fā)水平提升的一個重要標志。電子技術(shù)在汽車上的大量應(yīng)用，不僅提高了汽車的安全性和舒適性，同時也使得汽車上的電子設(shè)備和微控單元越來越多。大量的電子元器件被安裝在汽車內(nèi)部有限的空間中，它們一起工作時會產(chǎn)生很多的電磁干擾，汽車電磁干擾問題已經(jīng)成為繼汽車噪聲和尾氣排放后的第三大污染問題。研究汽車電子產(chǎn)品的電磁兼容性和干擾問題已經(jīng)成為汽車設(shè)計過程中必須要考慮的問題，汽車電磁兼容問題的改善和提高對于提高汽車安全性和可靠性意義重大[1-4]。

電動汽車是汽車產(chǎn)業(yè)中快速發(fā)展的一個產(chǎn)業(yè)，電動汽車的電磁兼容性問題要比傳統(tǒng)的常規(guī)汽車要苛刻得多。電動汽車使用了高壓電驅(qū)動系統(tǒng)，電機驅(qū)動功率從幾十千瓦到幾百千瓦都有，驅(qū)動電壓也有超過500 V 的高壓，高電壓和大功率電機的存在，使得電動機工作時給電動汽車帶來了較強的電磁輻射，同時電源電壓波動也比較劇烈，這些因素都加大了電動汽車的電磁干擾現(xiàn)象，因此研究電動汽車的電磁干擾問題尤其重要[5-8]。

動力電池管理系統(tǒng)(battery management system, BMS)是電動汽車上最重要的控制單元之一，是高壓電存儲單元的控制裝置。充電和放電是動力電池的基本功能，該過程中BMS需要和其他控制單元進行通訊交互和電流傳播，最容易出現(xiàn)電磁干擾，嚴重情況下有可能使BMS 正常功能喪失，影響到電動汽車的正常安全使用[9-10]。本文主要是針對動力電池管理系統(tǒng)的電磁干擾問題展開研究。

1 動力電池管理系統(tǒng)充電過程中的問題

本文針對某款EV 車輛上使用的動力電池管理系統(tǒng)在快充、慢充和行車過程中出現(xiàn)的問題進行了研究。

1.1 直流快充

以該款EV 汽車在使用中有一定市場占有率的直流充電樁進行充電過程中的數(shù)據(jù)為例，進行分析說明。實驗過程中發(fā)現(xiàn)該規(guī)格的直流快充樁在給該款EV 汽車充電時有時可正常充電，有時不能充電，頻繁上報充電故障。

1.2 慢充過程

以該款EV 汽車上安裝的某品牌車載充電機為例，裝備了該款充電機的電動汽車有時刷卡可正常充電，有時又上報“充電繼電器粘連”故障，充電不能進行。上報故障有時確實發(fā)生了繼電器粘連現(xiàn)象，需要更換慢充繼電器，有時又屬于誤報故障，繼電器沒有損壞的情況下報故障。

1.3 行車過程中出現(xiàn)的問題

該款EV 車型的某些車輛在行車過程中，如果啟動空調(diào)或者PTC 工作時，BMS 有一定的概率會上報繼電器粘連故障。這些上報繼電器粘連故障案例中，有些是BMS 誤報故障，有些確實是發(fā)生了繼電器粘連故障，嚴重情況下有可能會損壞高壓元器件，導(dǎo)致車輛不能正常行駛甚至緊急掉電，引發(fā)危險。

2 故障分析

2.1 快充過程故障查詢和分析

仔細分析充電過程中的故障數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，在正常連接直流快充槍以后，充電樁和BMS 之間通訊交互確認通過，進入充電流程，但是快充約20 多秒后，快充樁充電界面顯示報錯，提示“充電槍未能正常連接，退出充電”。

測量充電過程中的直流快充插座觸頭電壓發(fā)現(xiàn)，在該款電動汽車快充過程中，剛開始正常充電時，隨著空調(diào)壓縮機被自動喚醒，快充插座CC2 端口電壓發(fā)生了劇烈的波動，呈現(xiàn)3～18 V 來回跳動，A+/A-端口電壓呈現(xiàn)0～23 V 劇烈波動。由于CC2 端口電壓是用來判斷快充槍是否正確連接的重要判斷依據(jù)，因此BMS 上報“快充槍未能正確連接，退出充電流程”故障信息，主動退出了快充過程。很明顯，在快充過程中，隨著空調(diào)壓縮機的啟動，直流快充電路出現(xiàn)了強烈的電磁耦合干擾現(xiàn)象，使得充電過程無法繼續(xù)進行。這種情況的出現(xiàn)，使得快充繼電器和電池包的主正/主負繼電器工作狀態(tài)受到嚴重干擾，供電電源的不穩(wěn)定造成繼電器容易帶載切斷高壓電路，繼電器的損壞概率迅速增大。多次反復(fù)測試后，快充繼電器和電池包的主正繼電器發(fā)生粘連損壞，證實了分析結(jié)果。圖1 為充電過程中CC2 端口電壓波動；圖2 為充電過程中測量得到的A+/A-端口電壓波動。

圖1 充電過程中CC2端口電壓波動

圖2 充電過程中測量得到的A+/A-端口電壓波動

2.2 慢充過程故障查詢和分析

該款EV 汽車在慢充過程中，有時會上報慢充繼電器粘連故障導(dǎo)致慢充過程不能進行。測量發(fā)現(xiàn)慢充過程中，慢充繼電器控制端出現(xiàn)電壓波動，波動頻率約50 μs，最低波動電壓值低于3 V。在該低電壓下，慢充繼電器有可能自動斷開，終止慢充。圖3 是用示波器采集到的慢充過程中，慢充繼電器控制端的電壓(A 通道)波動情況。

圖3 慢充過程中的慢充繼電器控制端電壓波動

對BMS 在慢充過程中的接地電阻進行測量可以發(fā)現(xiàn)，接地電阻的阻值接近于無窮大，正常值應(yīng)該為盡可能接近于0，由此可以推測，BMS 電路板電源模塊接地不良有可能導(dǎo)致了鏡像電流干擾。為了抑制終端的鏡像反射干擾，需在傳輸線路的末端對地和電源端增加相同阻值的匹配電阻，或者是改善接地情況。

式中：Rs為串聯(lián)電阻值；Z0為傳輸線路特性阻抗；Zs為電源驅(qū)動器的輸出阻抗。

臨界參數(shù)是：

串聯(lián)終端電阻可以提供較慢的上升時間，引起更小的剩余反射及更小的電磁干擾，可以減少過充，增強信號質(zhì)量和信號的完整性，也可以極小化功率耗散。

2.3 行車過程中的故障查詢與分析

該款電動汽車行車中，在空調(diào)或者PTC 啟動工作的過程中，大概會出現(xiàn)BMS 上報“主正繼電器粘連”或者“慢充繼電器粘連”故障。分析測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在空調(diào)或者PTC 啟動工作過程中，在沒有接到VCU 閉合繼電器指令的情況下，慢充繼電器的控制端出現(xiàn)了較大的波動電壓，波動頻率約50 μs，最高波動電壓值約為10 V 左右。在該電壓下，慢充繼電器會出現(xiàn)自動閉合現(xiàn)象，見圖4 所示。很明顯，在空調(diào)或PTC 等外圍負載工作的情況下，電池包內(nèi)部的慢充繼電器控制端的控制電壓受到了干擾。

圖4 行車過程中的慢充繼電器控制端電壓波動

3 故障解決措施分析

3.1 直流快充干擾問題處理措施

國標GB/T 18487 并沒有對于快充樁的電磁抗干擾設(shè)計有明確的要求，但是直流快充樁在工作過程中，不僅時刻保持著低壓信號的通信，同時還有大電流給動力電池充電，很容易造成較強的電磁干擾。同時實驗發(fā)現(xiàn)，在直流快充過程中，如果電動空調(diào)或者PTC 等高壓負載設(shè)備啟動工作時，會對直流快充的CC2 和CC1 的端口電壓和絕緣監(jiān)測阻值產(chǎn)生干擾，容易造成誤判導(dǎo)致快充終止。

對于電動汽車來講，當快充槍和電動汽車接通并且要求進行直流充電時，需要通過快充樁端的A+和A-提供的低壓12 V 電源來喚醒車輛的BMS 或者其他控制單元。BMS 通過檢測快充插座端的CC2 端口電壓來確認快充槍的連接狀態(tài)，只有在滿足國標規(guī)定的連接確認狀態(tài)并且符合充電要求的情況下，才允許電動汽車充電，否則退出充電模式并且上報相應(yīng)的故障模式。其中測量得的A+/A-端口電壓即為U1a電壓，CC2 端口電壓即為U2bb電壓。A+/A-是直流快充樁給電動汽車的喚醒電源，即可以被用作電動汽車BMS 正常工作的供電電源，也可以被用作電池管理系統(tǒng)的繼電器控制電源，國標并沒有明確的定義。零部件控制系統(tǒng)硬件設(shè)計可以根據(jù)不同的設(shè)計思路靈活選擇BMS 快充過程中的供電電源和快充繼電器的控制電源模式。表1 為國標規(guī)定的直流快充樁控制導(dǎo)引確認參數(shù)。

表1 國標規(guī)定的直流快充樁控制導(dǎo)引確認參數(shù) V

由此可知，該款動力電池的BMS 主板在快充過程中，受到了快充樁喚醒電源電路的電壓波動影響較大，電源電路和通信電路明顯受到了傳導(dǎo)干擾。抑制傳導(dǎo)干擾的方法主要是增加濾波電路，這樣可以有效地防止電網(wǎng)的干擾進入BMS系統(tǒng)內(nèi)部，也可以防止BMS 系統(tǒng)本身產(chǎn)生干擾進入電網(wǎng)。同時可以考慮增加光電耦合器來提高BMS 系統(tǒng)的抗干擾能力，減少傳輸損耗及干擾。因此BMS 的直流快充CAN 接口通訊電路部分增加抗干擾電路設(shè)計是有必要的。圖5 為BMS 快充通訊端口增加的隔離電路圖。

圖5 BMS快充通訊端口增加隔離電路圖

采取的優(yōu)化措施有：

(1)A+/A-引入的12 V 電源僅僅作為BMS 的喚醒電源，在BMS 被快充喚醒后，不再判斷A+/A-端口電壓值；

(2) 將BMS 內(nèi)部的上拉電源VCC 由KL15 線修改為KL30 線，減少上拉電源對CC2 端口電壓的影響；

(3) BMS 快充CAN 端口增加隔離電路，將充電樁引入到BMS 內(nèi)部的干擾信號隔離處理；

(4)BMS 隔離電路芯片的供電電源也改為KL30 線提供，減少快充繼電器閉合和斷開對隔離芯片電源的沖擊和干擾。

這些優(yōu)化措施帶來的好處是，將快充樁這邊引入的喚醒電源的干擾消除。通訊干擾通過隔離芯片濾掉，一方面有利于保護BMS 硬件，另外一方面也有利于減少快充過程中的電磁干擾，保障充電過程的順利進行。

3.2 慢充干擾問題處理措施

圖6 BMS 慢充繼電器控制電路圖

該款BMS 的繼電器驅(qū)動電路如圖6 所示。BMS 的控制端只有幾個不同的接地點，當某個接地點接地不良會造成控制電路的電壓波動，從而有可能造成慢充繼電器的誤動作，因此加強接地性能，有效降低接地電阻很重要。如果可能，盡可能讓BMS 整體繼電器驅(qū)動控制電路有單獨的低阻抗接地。

為此目的，對于BMS 硬件做了如下的優(yōu)化更改：

(1) 將BMS 的電源端口和信號通訊端口調(diào)整，加大兩個端口之間的距離，防止信號線和電源線之間的耦合傳導(dǎo)騷擾發(fā)射干擾；

(2) 接入12 V 電源入口端部分增加高性能的濾波電路，濾波器的外殼與BMS 主板的接地點串聯(lián)，保證良好的接地效果；

(3) BMS 的外殼接地點和電池包外殼做好等電位處理，電池包外殼與車身也做好等電位處理，避免接地點可能的電壓浮動對繼電器底邊驅(qū)動造成的影響；

(4) BMS 殼體的內(nèi)部接地腳并聯(lián)，外部安裝腳取消電泳工藝，保證可靠接地。

通過這些優(yōu)化措施，來降低BMS 主板接地電阻，降低電源端口和通信端口之間的耦合傳導(dǎo)干擾。

3.3 行車過程中的繼電器故障處理措施

該款BMS 的繼電器驅(qū)動電路如圖7 所示。如圖所示，該款BMS 的繼電器驅(qū)動電源來自于被VCU 控制的緊急下電回路。這種方案的好處是，在緊急情況下，VCU 在無法讓BMS正常下電的情況下，通過控制緊急下電回路直接強行拉開繼電器，從而實現(xiàn)緊急情況下的快速斷電。但是當行車過程中，如果繼電器的驅(qū)動電源受到干擾，整個繼電器的控制回路就會串入干擾電壓，干擾電壓的波動有可能會導(dǎo)致繼電器突然吸合或者斷開，串入電壓回路如圖7 所示。串入電壓的來源方式較復(fù)雜，有可能是VCU 自己的控制器品質(zhì)不良導(dǎo)致，也有可能是外部的引入電源在經(jīng)過元器件時產(chǎn)生了干擾電壓所致，加上行車過程中，電機控制器中存在有大電容，這種容性負載或者感性負載的存在，在電路通斷的瞬間會在繼電器的控制端產(chǎn)生非正常的高壓或者瞬態(tài)的大電流，不但會對電網(wǎng)形成沖擊，同樣對于功率半導(dǎo)體元器件也可能造成損害。消除潛在串擾電壓的方法可以考慮引入更加穩(wěn)定的電源，比如車載12 V 鉛酸電池電壓，即K30。消除瞬態(tài)大電流方式是采用更加穩(wěn)定和良好的接地模式。

圖7 BMS繼電器驅(qū)動電路圖

于是優(yōu)化更改設(shè)計后的BMS 繼電器控制電路修改為如圖8 所示的電路，取消VCU 直接控制BMS 繼電器的控制電路，改為發(fā)送下電指令給BMS，由BMS 執(zhí)行下電操作，同時BMS 的繼電器控制電源直接連接到更加穩(wěn)定的K30，相當于增加了濾波電路的效果，這樣驅(qū)動電路電壓不會再產(chǎn)生波動，同時在緊急下電控制電路上增加了穩(wěn)壓二極管，控制電路的電壓波動也得到了有效的抑制。完成優(yōu)化更改措施實施的BMS 主板重新裝入電池包進行實測驗證，對比驗證優(yōu)化更改的效果。

圖8 BMS繼電器驅(qū)動電路優(yōu)化更改

4 實驗驗證

4.1 直流快充結(jié)果驗證

將增加了隔離電路的BMS 安裝在電池包中，裝到電動汽車上，和不同的快充樁連接，進行充電過程測試，觀察改善后的快充效果進行對比測試。充電端口的電壓信號通過示波器采集。

圖9 是BMS 增加隔離電路前在某品牌快充樁上快充過程中示波器測量得到的CC2 和A+/A-端口電壓波動情況。由示波器截圖可知，在快充過程中，CC2 和A+/A-端口電壓波動較大，供電電源干擾較多，其中A+/A-端口電壓波動最大可以達到30 V，快充過程中充電電流也受到較大干擾，在超過國標要求的電壓閾值(12.8 V)后，充電樁上報充電故障，快充終止。整個快充過程的反應(yīng)符合國標定義。

圖9 BMS增加隔離電路前的CC2和A+/A-端口電壓波動情況

圖10 所示為BMS 增加隔離電路后在同一個快充樁的快充過程中示波器記錄的CC2 和A+/A-端口電壓波動情況。由圖10 可知，增加了隔離電路后的BMS 快充過程中CC2 和A+/A-端口電壓波動很小，整個快充過程平穩(wěn)，幾乎沒有影響，快充持續(xù)進行，充電電流穩(wěn)定直至充滿退出快充流程。反復(fù)測試過程中快充和主正/主負繼電器工作狀態(tài)穩(wěn)定，沒有出現(xiàn)帶載切斷的意外情況，快充過程中沒有異常退出情況。快充過程中對于繼電器的保護是非常有效的。

圖10 BMS增加隔離電路后的CC2和A+/A-端口電壓波動情況

4.2 慢充和行車過程中的結(jié)果驗證

將優(yōu)化方案后的BMS 慢充繼電器控制電路引出，進行慢充測試。在整個慢充過程中，慢充繼電器的接地腳電壓非常穩(wěn)定，沒有波動現(xiàn)象，接地電阻值測量為0.2 Ω，接地效果良好，測試結(jié)果見圖11。行車過程測試結(jié)果與慢充過程類似，慢充繼電器控制端電壓很穩(wěn)定，沒有波動現(xiàn)象發(fā)生。

圖11 優(yōu)化電路和接地方案后充電過程結(jié)果

表2 是搭載整車進行的典型工況測試。模擬了電池包放電電流最大、充電電流最大和勻速行駛工作三種最典型的模式進行耐久性測試，總測試里程約3 萬km。

表2 的測試結(jié)果表明，經(jīng)過優(yōu)化更改后的BMS 行車過程中無電磁干擾現(xiàn)象，整體運行情況良好，優(yōu)化措施對于繼電器的保護很有效果，滿足使用要求。

4.3 電池包整體EMC 測試結(jié)果

為了避免BMS 優(yōu)化更改硬件以后，影響到整個電池包的EMC/EMI 測試結(jié)果，將優(yōu)化更改以后的電池包樣件進行了完整的EMC/EMI 測試。由于測試項目較多，僅選取測試項目中的輻射抗擾度實驗進行分析說明，如圖12 所示。電池包輻射發(fā)射測試低頻0.15～0.3 MHz 頻段實驗數(shù)據(jù)結(jié)果見圖13 所示。由圖測試結(jié)果可知，實驗測試結(jié)果值均在限值以內(nèi)，沒有超標現(xiàn)象，輻射發(fā)射低頻測試結(jié)果為通過。整理全部的電池包EMC 測試結(jié)果見表3，限于篇幅，不再一一分析。圖13 電池包輻射發(fā)射測試結(jié)果(低頻0.15～0.3 MHz)

圖12 電池包EMC測試照片(輻射抗擾度)

表3 電池包優(yōu)化設(shè)計后的EMC/EMI 測試結(jié)果

對比BMS 硬件更改前后的測試結(jié)果可知，優(yōu)化措施有效，增加了BMS 快充端口的隔離電路后，電池包快充過程中的抗干擾能力大大提高，有效保護了高壓繼電器。BMS 內(nèi)部繼電器控制電路和接地電路優(yōu)化整改以后，繼電器的誤報故障和誤動作現(xiàn)象消失，繼電器得到了有效保護，充電和行車過程中無異?，F(xiàn)象發(fā)生，同時完整的電池包EMC/EMI 測試結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計后的電池包EMC/EMI 性能滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

本文針對動力電池管理系統(tǒng)在快充過程中容易受到電磁干擾的問題，從BMS 硬件電路分析入手，結(jié)合測量的結(jié)果，優(yōu)化設(shè)計了BMS 的硬件隔離電路，隔離快充樁的干擾信號，從而實現(xiàn)了消除來自于快充樁的電磁干擾，實現(xiàn)保護繼電器，穩(wěn)定充電的目的。優(yōu)化了BMS 內(nèi)部繼電器驅(qū)動電路、接地電路方案，有效消除了BMS 慢充和行車過程中的電磁干擾。實驗結(jié)果和完整的EMC 測試結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計后的電池包依然具有良好的整包抗電磁干擾性能。

實驗研究結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計后動力電池的BMS 主板具備了良好的抗電磁干擾能力，有效保護了電池高壓繼電器，保證了動力電池在使用過程中不受電磁干擾，滿足使用要求。本文的研究成果對于研究解決BMS 使用過程中的電磁干擾問題研究具有一定的參考意義。