李霞林，李 圍，趙 勝，劉云峰，彭 昂

應用研究

船用動力電池組管理系統(tǒng)電磁兼容設計

李霞林，李 圍，趙 勝，劉云峰，彭 昂

（武漢船用電力推進及化學電源研究所，武漢 430064）

本文對船用動力電池組管理系統(tǒng)從機械架構的EMC設計、電路原理的EMC設計、PCB的EMC設計三個方面進行了電磁兼容性設計。根據(jù)搭建的電磁兼容模型，計算EMC風險評估較低。通過電磁兼容試驗驗證，該系統(tǒng)電磁兼容性滿足設計要求。

電池管理系統(tǒng) 電磁兼容性 風險評估

0 引言

隨著新能源廣泛應用，以電池組為動力的船舶越來越多運行在內(nèi)河及近海。為了安全、可控，動力電池組需要電池管理系統(tǒng)監(jiān)測電池組狀態(tài)，控制電池組充放電和安全保護。鑒于儲波電磁環(huán)境復雜，對電池管理系統(tǒng)電磁兼容性提出來較大的挑戰(zhàn)。因此，船用動力電池組管理系統(tǒng)電磁兼容性設計非常必要。

1 電池管理系統(tǒng)電磁兼容性分析

電池管理系統(tǒng)采用模塊設計，可以根據(jù)電池組成組方式擴展。本文以最小系統(tǒng)，一塊BMU搭載一塊BCU模塊進行分析。

1.1 機械架構的EMC分析

根據(jù)BMS原理圖繪制EMC設計分析圖[1]，見圖3、圖4。

電路板需要在電源接口、485通訊線按照中國船級社發(fā)布《電氣電子產(chǎn)品型式認可試驗指南》進行EFT/B測試。

圖1 動力電池組管理系統(tǒng)拓撲圖

圖3 485通訊線EFT/B測試機械架構EMC分析圖

圖4 電源上EFT/B測試機械架構EMC分析圖

通過圖3、圖4分析，存在4條共模電流路徑。

EFT/B干擾從485通訊線注入，流向電路板的接地點。共模電流為：

式中，C為回路中等效電容，包括寄生電容和實際電容，dU為電快速瞬變脈沖群測試電壓等級，dt為電快速瞬變脈沖信號的上升時間。

1）圖3-1回路分析

回路中485通訊線預設2 m，CAN通訊線預設3 m；回路中等效電容為：

回路電流:

2）圖3-2回路分析

回路電流:

3）圖4-1回路分析

電源線上干擾是一條接地路徑，回路中電阻和電容構成等效阻抗。

該回路上電流為：

基于上述計算，共模電流對電路板干擾較大。

1.2 電路原理圖分析

對原理圖進行分析，電路原理圖“臟”區(qū)域為1、2、3、4，濾波，隔離或去耦區(qū)域為5，特殊處理信號區(qū)域（噪聲電路，敏感電路）6、7，其他區(qū)域為干凈區(qū)域。劃分區(qū)域見圖5。

圖5 進行EMC區(qū)域劃分后的電路原理圖

1.3 PCB共模電流分析

PCB板采用分層設計，在PCB板上注入EFT/B干擾，共模電流流向見圖6。

圖6 共模電流在各層分布圖

信號及元件面（1）位于PCB頂面，沒有共模電流流過；GND層、電源層、信號及元器件層2）存在共模電流。

2 電池管理系統(tǒng)電磁兼容設計

2.1 機械架構EMC設計

機械架構EMC設計使產(chǎn)生的共模電流不流向產(chǎn)品內(nèi)部電路的數(shù)字工作地（GND）或模擬工作地（AGND）部分，而使其流向結(jié)構地，從而使內(nèi)部電路得到保護。

1）接地

電路設計通過X電容和Y電容實現(xiàn)工作地與金屬外殼之間連接，將金屬外殼接地。接地線選用長度至少10 cm，長寬比小于5的低阻抗金屬,具備較寬接地線能力[2]。

2）I/O口連接器位置設計

連接器集中放置在電路板的同一側(cè)，同一電路板的同一側(cè)位置放置承載不同信號特性的連接器，注意各信號間的串擾與濾波。

3）屏蔽

屏蔽電纜的屏蔽層必須在連接器入口處與接地的金屬板或金屬連接器外殼相連，做360°搭接或與浮地系統(tǒng)中的GND相連。

4）散熱器處理

散熱器需要將散熱器進行接地或變壓器初級的0V或GND處理；防止散熱器形成一懸空金屬片，形成單極發(fā)射天線。

5）隔離

其外部接口如模擬量輸入/輸出接口、通訊接口采用隔離。485接口采用光耦隔離，電源采用隔離變壓器。

2.2 電路原理的EMC設計

在圖5中，區(qū)域1電路上需要根據(jù)頻率設置設置濾波器，隔離型變壓器對特定頻率的干擾進行濾除。

區(qū)域2區(qū)域需要采用電容濾波，同時光耦隔離。

區(qū)域3中CAN總線和485總線采用帶隔離的收發(fā)器，同時在電路上采用電容和ESD抑制器TVS二極管進行濾波和尖峰抑制。

區(qū)域4中在A/D轉(zhuǎn)換前設置多重濾波電容，同時做好接地。

區(qū)域5對信號線進行包地和去耦處理。常見的去耦措施有：不同電容組合，電容和電感、磁珠混用。

區(qū)域6和7電路進行濾波處理外，還要進行屏蔽和包地處理。還可以在IRQ和RESET引腳使用TVS管等瞬態(tài)抑制器件。

2.3 PCB的EMC設計

1）PCB層數(shù)及層分配

依據(jù)圖6共模電流流向圖，PCB板層數(shù)及定義見表1。

2）敏感器件在PCB中的位置

敏感器件放置在電路板當中位置，在PCB沒有耦合層上。濾波電容放在被濾波器件的相應引腳附件，或在共模電流泄放的路徑中。

表1 PCB層定義表

3）地平面和模擬電路地平面的設計

地平面要求沒有任何過孔，開槽，裂縫且長寬比小于3的PCB銅箔。

模擬電路地（AGND）平面設計在既沒有共模耦合，也沒有共模電流流過的位置上[3]。

4）電源平面設計

電源平面在保證沒有串擾發(fā)生的情況下盡可能的大，電源平面盡量做到與地平面鄰近，增加電源平面與地平面之間的層間電容，這對去高頻耦有效。

5）串擾防止設計

臟的信號線、特殊處理的時鐘信號線、高速信號線與“干凈”的信號線之間考慮串擾問題。

6）特殊信號線設計

時鐘信號線、高速信號線、敏感信號線等布線注意方法。

所有的空置區(qū)域都要鋪銅處理，并將其通過適量過孔與相應區(qū)域的地平面相連[4]。

3 電池管理系統(tǒng)電磁兼容性驗證

3.1 電池管理系統(tǒng)EMC風險評估

根據(jù)電池管理系統(tǒng)EMC設計方案，列出風險評估要素。風險評估要素見表2。

表2 電池管理系統(tǒng)評估風險要素信息表

其中：按產(chǎn)品中單個EMC風險評估要素的影響程度等級進行劃分

Ⅰ：風險系數(shù)為0.4；Ⅱ：風險系數(shù)為0.3；Ⅲ：風險系數(shù)為0.2；Ⅳ：風險系數(shù)為0.1[4]。

風險要素代號表示風險值，是以10為單位的一個0-100之間的數(shù)值，由產(chǎn)品實際模型與實際模型對比，進行確定[5]。

根據(jù)風險評估計算公式：

式中K1、K2、K3、K4為風險系數(shù)，分別對應0.4、0.3、0.2、0.1；

參考GB/Z18039.1-2019規(guī)定產(chǎn)品整機EMS風險等級（工業(yè)級），見表3。

表3 EMC風險等級表

動力電池組管理系統(tǒng)經(jīng)電磁兼容性設計后，進行評估為稍有風險級。

3.2 電池管理系統(tǒng)EMC試驗

根據(jù)中國船級社規(guī)定進行試驗，試驗結(jié)果見圖7及圖8，試驗結(jié)果滿足船級社要求。

4 結(jié)語

本文動力電池組管理系統(tǒng)電磁兼容進行深入分析，就電池管理系統(tǒng)進行了電磁兼容設計，對設計優(yōu)化后的電池管理系統(tǒng)進行了電磁兼容風險評估。評估及試驗結(jié)果表明，電池管理系統(tǒng)電磁兼容風險較低，滿足設計要求。

圖7 電源正極傳導發(fā)射試驗結(jié)果

圖8 外殼端口輻射發(fā)射試驗結(jié)果

[1] 鄭軍奇. EMC設計分析方法與風險評估技術. 中國工信出版集團. 電子工業(yè)出版社: 296-297.

[2] 成志東. 高速數(shù)字系統(tǒng)印刷電路板電磁兼容設計[J]. 長江大學學報（自然科學版）, 2009, 6(04): 275-276.

[3] 劉鳳秋, 徐征輝, 劉勝劍. 雙電源管理系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J]. 電子設計工程, 2015, 23(02): 106.

[4] 陳健. 電動汽車電池管理系統(tǒng)電磁兼容性分析與設計[D]. 吉林大學, 2019, 3(7): 38.

[5] 李富同. 高速PCB板的電磁兼容性設計及仿真分析[D]. 東南大學, 2021: 47.

Marine power battery pack BMS EMC design

Li Xialin, Li Wei, Zhao Sheng，Liu Yunfeng，Peng Ang

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TM612

A

1003-4862（2022）03-0125-04

2022-03-17

李霞林（1985-），男，工程師。研究方向：電源管理系統(tǒng)及設計研發(fā)。E-mail: lixinnan0407@163.com