陳 火

(上海電器設(shè)備檢測所有限公司, 上海 200063)

0 引 言

隨著新能源汽車的迅速發(fā)展,汽車直流充電端口的電磁兼容問題逐漸被大家廣泛關(guān)注。根據(jù)現(xiàn)行的標(biāo)準(zhǔn)歐盟車輛認(rèn)證法規(guī)ECE_R10要求,可知汽車直流充電端口的快速脈沖群試驗強度,應(yīng)按照峰值電壓為2 kV、上升時間為5 ns、脈沖寬度為50 ns和重復(fù)速率為5 kHz的參數(shù)下至少持續(xù)注入1 min;可知試驗強度的等級過高會增加社會的邊際成本,過低可能會引起產(chǎn)品失效,誘發(fā)不安全的風(fēng)險發(fā)生。本文將探討新能源汽車直流充電端口快速脈沖群試驗強度的問題。

1 理論分析

快速脈沖群的干擾來源是電網(wǎng)在供配電過程中繼電器觸點在閉合狀態(tài)下會不斷地?fù)舸┛諝膺M(jìn)行放電和感性負(fù)載瞬間切斷的情況下產(chǎn)生。這類脈沖的主要特點:上升時間快,持續(xù)時間短,具有較高重復(fù)頻率;脈沖波形的上升時間約是5 ns,所以包含的騷擾頻譜比較寬,一般達(dá)100 MHz,其脈沖特性易受線束分布電容和分布電感的影響。

快速脈沖群試驗屬于典型的共?？箶_度測試,以共模電壓的形式把干擾疊加到被測產(chǎn)品的電源端口和信號端口。而直流充電樁的受試線纜通過耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)被施加快速脈沖群干擾時,脈沖群發(fā)生器輸出的一端通過電容直接注入到線路上,另外一端通過耦合單元的接地端子與GND地線相連。脈沖群干擾會沿著受試線纜進(jìn)入到直流充電樁內(nèi)部,并以共模電流的形式在直流充電樁的內(nèi)部進(jìn)行傳輸,直流充電樁的內(nèi)部能產(chǎn)生高達(dá)數(shù)千伏的共模脈沖噪聲,即便通過接口濾波器,干擾會有所衰減,但依然有較高的干擾電壓通過傳導(dǎo)的方式進(jìn)入敏感設(shè)備電路,或者通過內(nèi)部干擾線輻射到相鄰的干擾線上,再從干擾線進(jìn)入敏感的設(shè)備電路,因此要求設(shè)備具有一定的抗干擾能力。由于端口地線上的阻抗不一樣,共模干擾信號在產(chǎn)品內(nèi)部的傳輸過程中,最終會轉(zhuǎn)化成差模信號并干擾內(nèi)部電路正常工作電壓,同樣的差模干擾信號也會通過充電樁輸出線纜流向汽車直流充電端口。本文將在充電樁進(jìn)行脈沖群試驗時,檢測有多少干擾信號可通過充電樁輸出線傳輸給汽車直流充電端口,來評估新能源汽車直流充電端口快速脈沖群試驗強度的要求。

在直流充電樁初期的使用過程中,單個脈沖的能量較小,不會瞬間對設(shè)備造成故障,但由于脈沖群的持續(xù)注入,會對線路結(jié)電容充電,經(jīng)過積累,最后達(dá)到并超過IC芯片的抗擾度電平,將出現(xiàn)顯示屏熄滅、主控制器誤動作失效的現(xiàn)象。如果說在沒有合適的EMI對策下,汽車在充電的過程中,快速脈沖群干擾是很容易從充電樁上耦合到汽車直流充電端口的。快速脈沖群干擾傳輸環(huán)路示意圖如圖1所示。

圖1 快速脈沖群干擾傳輸環(huán)路示意圖

2 試驗驗證

快速瞬變脈沖群抗擾度試驗是一種由許多快速脈沖組成的脈沖群耦合到電氣和電子設(shè)備的電源端口、控制端口、信號端口和接地端口的試驗。

2.1 試驗方法

本文將以某知名充電樁品牌為例,通過電容直接注入法進(jìn)行快速脈沖群抗擾度試驗,試驗過程中使用了一種新型的改良設(shè)備,該設(shè)備是將脈沖發(fā)生器、電容和耦合/去耦網(wǎng)絡(luò)組合成一體,只需要把直流充電樁的受試線纜連接在設(shè)備上,并可與電網(wǎng)進(jìn)行連接。試驗過程中通過示波器分別使用兩個高壓差分探頭在直流充電樁的輸入和輸出端采集干擾波形。試驗原理圖如圖2所示,實際測試布置圖如圖3所示。

圖2 試驗原理圖

圖3 實際測試布置圖

在不同條件下進(jìn)行測試試驗。

測試內(nèi)容1:脈沖發(fā)生器在不同相位參數(shù)下對直流充電樁施加脈沖干擾,從模擬負(fù)載處采集其耦合情況。

測試內(nèi)容2:脈沖發(fā)生器在不同電壓等級參數(shù)下對直流充電樁施加脈沖干擾,從模擬負(fù)載處采集其耦合情況。

測試內(nèi)容3:直流充電樁在不同工況下的脈沖注入試驗,從模擬負(fù)載處采集其耦合情況。

2.2 試驗數(shù)據(jù)

(1)脈沖發(fā)生器在不同相位參數(shù)下對直流充電樁施加脈沖試驗分析:通過示波器,采集在充電樁輸入端的0°、90°、180°和270°共4個相位參數(shù)的注入波形。注入波形如圖4所示。

圖4 注入波形

試驗中從直流充電樁輸出端口采集波形,不同相位間的耦合波形如圖5所示。由圖5可見,在0°、90°、180°和270°相位的耦合程度分別為120 V、100 V、126 V、98 V,可知不同的相位都能耦合到汽車直流充電端口上,耦合的程度與相位并沒有直接的關(guān)聯(lián)。

圖5 不同相位間的耦合波形

(2)脈沖發(fā)生器在不同電壓等級下對直流充電樁施加脈沖試驗分析,在直流充電樁的輸入端和輸出端通過示波器采集到500 V、1 000 V和2 000 V共3個電壓參數(shù)的干擾波形。干擾波形1如圖6所示。

圖6 干擾波形1

經(jīng)比對直流充電樁輸出端的耦合波形,不同電壓等級的耦合波形如圖7所示。由圖7可見測試電壓與最大干擾電壓比例關(guān)系,當(dāng)測試電壓等級為2 000 V時采集到最大干擾為120 V,1 000 V時采集到最大干擾為60 V,500 V時采集到最大干擾為30 V。該設(shè)備在進(jìn)行脈沖群干擾試驗時,會經(jīng)過約7 dB的衰減耦合到汽車直流端口上。

圖7 不同電壓等級的耦合波形

(3)充電樁在不同工況下施加試驗分析,在直流充電樁的輸入和輸出端采集到空載和5 A、10 A、20 A共4種工況下干擾波形。干擾波形2如圖8所示。

圖8 干擾波形2

考慮到汽車充電過程中存在快速充電和普通充電的多種狀態(tài),便進(jìn)一步對比不同帶載的波形,在5 A和10 A工作狀態(tài)下耦合波形如圖9所示。由圖9可見,直流充電樁在5 A的工況下從輸出端采集到的幅值為120 V,而在10 A的工況下采集到的幅值為118 V,由此可認(rèn)為不同帶載情況并不會影響脈沖群的干擾。

圖9 在5 A和10 A工作狀態(tài)下耦合波形

根據(jù)國內(nèi)外對直流充電樁的快速脈沖群測試標(biāo)準(zhǔn)IEC 61851-21-2:2018和GB/T 18487.2—2017中對快速脈沖群的測試強度都是2 kV[1];試驗等級是按照最真實的安裝和環(huán)境條件來選擇,因充電樁的安裝方式是固定在地面,帶有保護(hù)接地系統(tǒng),且采用專用的電纜與電網(wǎng)相連的環(huán)境來考慮,可滿足GB/T 17626.4—2018[2]附錄B的第3等級條件。因此,直流充電樁的快速脈沖群最大強度為2 kV,從試驗數(shù)據(jù)可以得到汽車直流充電端口處能耦合到的脈沖群干擾不會超過120 V。

3 結(jié) 語

(1)直流充電樁在脈沖發(fā)生器不同相位參數(shù)下進(jìn)行試驗,表明直流充電樁輸出端口的耦合強度與相位沒有直接的關(guān)聯(lián)。

(2)直流充電樁在脈沖發(fā)生器不同電壓等級下進(jìn)行試驗,表明直流充電樁輸出端口的耦合強度與電壓等級有一定的關(guān)聯(lián),會經(jīng)過約7 dB的衰減耦合到汽車直流充電端口上。

(3)直流充電樁在不同負(fù)載工況下進(jìn)行試驗,表明直流充電樁輸出端口的耦合強度與不同工況沒有直接的關(guān)聯(lián)。

(4)直流充電樁的快速脈沖群試驗的最大強度為2 kV,從模擬負(fù)載采集到的差模耦合干擾不會超過120 V。但其研究未能夠全面比較共模耦合干擾的情況,為進(jìn)一步確定汽車直流充電端口的實際耦合情況,這方面還有待后續(xù)研究補充。