電池管理系統的電磁騷擾特性分析與優化研究

王云 楊偉東 陳英姝 柳海明 丁一夫

摘要 電池管理系統是典型的窄帶電磁騷擾源，研究電池管理系統的電磁騷擾特性及對應抑制手段非常重要。針對電動汽車電池管理系統的電磁騷擾特點，從理論分析了其共模輻射和差模輻射特性。通過仿真和測試結合的方法找到了抑制諧振噪聲的有效方法，仿真遠場結果使得超標位置更加清楚，其中3 m場又能顯示出頻域的超標情況。同時結合諧振頻點確定濾波器的參數，得到有效抑制超標頻點的濾波器。最后通過實驗驗證了該方法用于電磁騷擾優化是可行的。

關 鍵 詞 電池管理系統;電磁騷擾;仿真;濾波器;優化研究

中圖分類號 U469.72? ? ?文獻標志碼 A

Abstract The battery management system is a typical narrow-band electromagnetic disturbance source. It is very important to study the electromagnetic disturbance characteristics of the battery management system and the corresponding suppression methods. According to the electromagnetic compatibility electromagnetic disturbance of battery management system for electric vehicles， the common mode radiation and differential mode radiation characteristics are analyzed from the theoretical point of view. An effective method for suppressing the resonance noise is found through a combination of simulation and testing， and the far-field result is made clearer. 3 meters of field can show the frequency domain exceeds the standard; combine the resonance frequency to determine the parameters of the filter， and get a filter that effectively suppresses the exceeding of the frequency， and verify that this method is feasible.

Key words BMS; EMI; simulation; filter; optimazation

電磁輻射是電磁兼容重點研究內容，也是電磁兼容整改優化的難點，在電池管理系統（BMS）電磁兼容設計中，電磁輻射相比電磁抗擾是比較容易被忽視的項目。BMS是新能源汽車能量保障，BMS內部線束復雜，本身的輻射使得線束之間的串擾不可忽視，提升BMS的電磁騷擾特性對電池管理系統的可靠工作至關重要[1]。

針對新能源高壓管件部件BMS的電磁兼容性進行研究，日本學者Nobuyoshi Mutoh等人研究BMS的電磁騷擾特性，提出采用多層電路板設計抑制差模干擾，采用增加阻尼阻抗抑制共模干擾[2]。Masahito Shoyama等人在研究BMS系統的電磁騷擾時認為開關電源的開關頻率是引起共模干擾的主要原因，根據共模電流產生的等效電路設計出抑制共模電流的開關電源，這種開關電源內置一個可以產生抵消共模噪聲的源，可以在理論上實現對共模騷擾的完全抑制[3]。長安汽車工程研究總院李旭等人基于長安某型號混合動力汽車，分析了車內電磁環境及對電池管理系統的耦合干擾機理，并研究電磁騷擾抑制方法，實現電池管理系統的電磁兼容性設計[4]。吉林大學陳建從電池管理系統電磁兼容理論研究、電源線傳導輻射騷擾仿真和實驗分析3個方面進行研究[5]。中國計量學院的王常群在研究BMS電磁騷擾的時候發現電磁屏蔽是解決騷擾的關鍵技術，采用有限元的方法進行仿真，分析電磁騷擾的屏蔽技術，某種程度上抑制了電磁騷擾的傳播[6]。

因此研究BMS的電磁騷擾具有重要意義，本文從電磁輻射原理出發，分析BMS的電磁兼容特性，并根據仿真和實驗驗證說明濾波器對諧振頻點超標的抑制作用。

1 電池管理系統的騷擾分析

1.1 輻射發射騷擾原理

電磁兼容的三要素：騷擾源、耦合途徑、敏感體。輻射發射是指騷擾源通過空間將電磁噪聲耦合進敏感體的過程。以零部件的測試標準CISPR25中的規定為例，即GB/T18655-2010中規定的有關輻射的測試方法，被測EUT這里是電池系統，即騷擾源，在電波暗室內，騷擾源是決定測量結果的唯一因素，一般規定測試環境噪聲應該低于限值線6 dB[7-8]。電池系統包括：電池管理系統及電芯構成的電池包、高壓線束、低壓線束以及CAN通訊線束等;測試環境三米法半電波暗室所形成的自由空間是耦合途徑，接收天線是敏感體;即電池系統的騷擾信號向空間輻射，耦合進天線，EMI接收機讀取輻射測試結果，如圖1所示的是針對電池管理系統電磁騷擾的電磁兼容三要素分析。

電磁騷擾和電磁抗擾是電磁兼容領域重要兩個研究方向。對汽車電子產品而言，為保證車載電子部件的穩定性，更多的電磁兼容設計是考慮電磁抗擾度，卻忽略了電磁騷擾的設計;而抑制電磁騷擾可以減少車載電子部件之間的串擾，間接性的增強車載電子部件的抗擾性。另外，抑制車載電子部件的電磁騷擾，可以減少車輛本身對環境以及乘客隨身攜帶的電子產品的干擾，研究電磁騷擾同樣意義重大，不可忽視[9-10]。

1.2 BMS的電磁騷擾分析

電池管理系統的MCU工作需要時鐘信號，同樣電壓采集等也需要時序，所以在以控制芯片為核心的電路板中，時序是保證電池管理系統正常工作的必要條件，這樣電路中隨著時鐘信號上升沿越來越陡峭，電路中即使非常短的布線也有可能成為發射天線，產生電磁輻射。另外現在的車載電子器件，包括電池管理系統在內的硬件設計，很多電源設計都采用了線性電源和開關電源的設計。線性電源是采用整流、濾波、穩壓得到的，在濾波的過程中由于濾波器的參數選擇可能會忽略某些雜波，或者說某些雜波在經過濾波器之后仍然存在，這就產生噪聲。而開關電源在開通和斷開的瞬間會有一個電壓的瞬態跳變，出現上升沿和下降沿，這種情況也會產生一個相對較強的輻射干擾。噪聲在復雜的電池管理系統內部空間主要是通過輻射和傳導兩種形式向空間傳播。電磁騷擾的信號類型包括共模噪聲和差模噪聲兩種，區分共模和差模另一個方法是分析回路的電流方向和電流大小，習慣上稱電流大小和方向均相同的是共模電流，只有大小相同和方向相反的電流被稱為是差模電流[11-13]。

電池管理系統中產生電磁輻射的騷擾來源主要可分為以下幾個方面：1）系統內部大量的電力電子開關部件，如IGBT、MOS等工作時產生的極強的EMI噪聲;2）BUCK、BOOST等開關電源電路的脈沖電流和電壓包含豐富的高頻諧波，會產生嚴重的電磁輻射;3）動力電池內部連接有高壓線束、低壓線束以及各種信號采集線束，系統工作時各種線束之間會相互耦合，從而形成復雜的EMI噪聲;4）系統內部高壓線束的存在以及電池包龐大的體積，使得電磁耦合路徑更加復雜多變。因此如何在狹小的電池包空間，減少系統電磁輻射，改善系統的電磁兼容性能，是目前電磁兼容行業的重點和難點。

2 仿真模型構建與仿真分析

2.1 仿真模型構建

電磁兼容仿真分析是研究電磁騷擾特性的重要方法，其中差模輻射原理和共模輻射原理是構建電磁兼容仿真的重要原理[14]。

差模輻射是由于差模噪聲的存在產生的，而差模噪聲一般存在非地線之間的線路回路上，這種線路回路形成一個小型的環天線，噪聲通過該環路向空間輻射能量形成差模輻射，因此選用磁偶極子天線即小環天線模型可以分析差模輻射原理。理想狀態的下磁偶極子天線由半徑a<<λ的電流環構成，分析磁偶極子的電磁場分量如下：

式中：E是電場強度，單位V/m;H是磁場強度，單位A/m;η=120π 為自由空間的特征阻抗，單位Ω;λ為波長，單位是m;I是電流，單位是A;S是環路面積，單位是m2;r是空間某點到電流環路中心的距離;θ是矢量與z軸的夾角k = 2π/λ。一個磁偶極子在一定距離范圍內分為近場區和遠場區，以r=λ/2π為分界線;當r<λ/2π，該區域成為磁偶極子的近場區，通過對式（1）～（3）進行分析可以得到近場區的波阻抗，如式（4）所示：

從式（4）的結果可以看出，磁偶極子的近場區電場E和磁場H分別于距離r的2次方和3次方成反比，和差模電流、環天線的環路面積成正比，所以，差模輻射的強度隨著距離r的增大、差模電流I的減小、環路面積S的減小而減小;而其波阻抗遠遠小于真空波阻抗η，為低阻抗區。

當r>λ/2π，該區域為磁偶極子的遠場區，同樣分析式（1）～（3）得到遠場區的波阻抗，如式（5）所示：

式中：c為真空中的光速，單位是m/s;f是差模噪聲的頻率。從式（5）的結果可以看出，磁偶極子的近場區電場E和磁場H均與距離r的1次方成反比，和差模電流、環天線的環路面積成正比，和噪聲的頻率f的平方成正比，所以，差模輻射的強度隨著距離r的增大、差模電流I的減小、環路面積S的減小、噪聲頻率的減小而減小;而其波阻抗等于真空波阻抗η。

共模輻射是共模電流向空間輻射能量產生的，而共模噪聲一般存在地線路回路上，由在接地回路上產生的電壓驟降使得具有高電位的點產生共模電壓，外接電纜和此類型點連接并激勵出共模噪聲，并向空間輻射能量，因此選用短極子天線模型來表示共模輻射。對共模的數學模型進行推導得到式（6）和（7）的波阻抗。

其近場波阻抗：

遠場波阻抗：

分析近場和遠場的電磁場強度，在近場區，電場和磁場強度隨著距離的增大、共模電流的減小和長度dl的減小而減小，其近場波阻抗為高阻抗區;在遠場區，波阻抗等于真空波阻抗。

2.2 SIwave和Designer協同仿真分析

鑒于上述對輻射原理的分析，在對電池管理系統的PCB板進行電磁輻射仿真分析中，本文采用SIwave和Designer協同仿真分析遠場輻射騷擾[15-17]。

圖2所示為該PCB板的電磁仿真熱圖分析，遠場仿真結果可以明顯看出空間電磁場發射的強度的分布，可以明確判定電磁場在空間的強度。另外根據熱圖電磁發射強度大小的位置，尋找影響PCB電磁騷擾的電路。經過對比PCB電路，可以發現影響整塊PCB騷擾特性的關鍵位置電源模塊。

在汽車電磁兼容領域，很多測試輻射騷擾的標準規定了輻射騷擾測試都是1 m場和3 m場，即天線在1 m或3 m位置時測試的騷擾強度，但從電磁兼容測試標準角度分析仿真3 m場結果比仿真遠場熱圖更具意義。

如圖3是該PCB板頻域的仿真結果，模擬了3 m場出輻射發射的結果。從圖3可以看出，電路中存在一些尖峰點，分別是：49.9 MHz、75.1 MHz、115.0 MHz、142.3 MHz，這些尖峰點出的值明顯高于其他頻點的值。

對PCB板進行電磁兼容優化升級，根據遠場仿真結果針對電源模塊進行優化，主要方法是對電源進行濾波處理，采用LC濾波器進行處理，使用RFSim99軟件計算得到C=318.31 pF，L=795 nH，如圖4所示。

另外，其他芯片供電電源也添加旁路去耦電容來消除供電紋波影響。在電源電路添加濾波處理之后的3 m場輻射結果如圖5所示，可以看出：經過濾波之后的電路板，高次諧波噪聲被吸收，電源電路的騷擾減小。

3 輻射騷擾試驗及優化分析

仿真軟件在理想化模型的基礎上設置需要的參數進行仿真試驗，仿真環境相對試驗環境更接近理想化。實際的試驗環境相對復雜，包括：裝置布置的誤差、接地阻抗的影響、天線到接收機的線纜的衰減等各種復雜的因素影響了實際的結果。因此，仿真并不能代替實際的測試，通過仿真可以為優化提供方向。通過仿真結果的分析，可以通過設計濾波器吸收電源的高次諧波。為了驗證濾波器在實際電路中的吸收效果，還需設計實驗進行驗證。

3.1 濾波器設計

上述仿真結果采用的π濾波器可以很好地吸收高次諧波[18-19]。該濾波器原理是通過電感和并聯電容的阻抗差，使得電感具有很好的分壓作用，從而達到消除干擾噪聲的作用。其中Y電容對于共模信號有很好的吸收作用，X電容可以很好地濾除差模干擾信號，共模電感和磁環形成共模扼流圈吸收共模干擾信號，普通電感也可以吸收共模雜波信號。由于該濾波器用于高壓線束，所以在選取電容值和電感值的時候需考慮電容電感的耐壓值和限流值，保證所設計及的濾波器在濾除雜波信號的同時還能夠可靠地工作，所設計的濾波器如圖6所示。

確定π型濾波器諧振頻率之后，通過RFSim99軟件計算出了濾波器所需電子器件的參數值，文中選擇400 kHz的諧振頻率。考慮Y電容使用受漏電流的影響，Y電容不易過大，則計算結果為：CY1 = CY2 = CY3 = CY4 = 1 nF，LC1 = 26 μH，LD1 = LD2 = 15.915 μH，CX1 = 10.61 nF，CX2 = 6.366 nF。選取這些參數仿真測試濾波器，該濾波器的插入損耗如圖7所示。

由圖7可以得到該濾波器的插入損耗在400 kHz處存極大值點，該濾波器適用于諧振頻率400 kHz的諧波。

濾波器是解決電磁騷擾的重要器件，濾波器在制作的過程應該盡可能的減小電容引腳長度，避免由于電容引腳過長引起寄生電感，濾波器的引腳直接在焊盤上，滿足引腳最短的需求。另外濾波器的恰當安裝是保障濾波器作用的前提。濾波器盡量安裝在金屬屏蔽材料的盒子里，濾波器里的接地點應該和外殼良好接觸，并保證濾波器的外殼也良好接觸地，以及接觸阻抗小于100 mΩ。濾波器的輸入輸出端口應該和同軸電纜連接，同軸電纜的屏蔽層和濾波器的金屬外殼連接。

3.2 輻射騷擾優化試驗分析

動力電池系統具備高壓系統和低壓系統的雙重性質，當電池管理系統控制電池系統繼電器斷開和吸合的瞬間，直流母線會有很大的du/dt和di/dt值，這個瞬間的輻射能量會很大，這個能量對車上的一些控制器帶來嚴重的干擾。

開關電源引起的高次諧波、數字時鐘瞬時工作對地產生的電壓驟降，在地線上形成一個騷擾，這種類型的干擾就是共模干擾。任何的電路都存在高頻的電流環路，在電池管理系統的PCB板上，CAN通訊、數字采樣等功能電路形成的小環路，各種采樣走線之間的小環路噪聲形成環路噪聲，就是差模輻射。電磁輻射騷擾多是電池管理系統的高頻電流環路產生的，例如極端情況：開路—天線效應。這時候就應該減短走線，減小高頻信號的回路面積，消除任何非正常工作需要的天線，將不需要的走線去掉。為了說明濾波器對諧波的抑制，下面通過實驗進行驗證。首先按照標準進行實驗，測試頻率為150 kHz～30 MHz，選用棒天線進行輻射發射的測試，如圖8所示為棒天線的測試照片。

如圖9所示MaxPeak-ClearWrite藍色是峰值檢波，Average-ClearWrite綠色是均值檢波，Limit level 3-PK紅色是峰值限值，Limit level 3-Average紫色是均值限值;500 kHz測試的峰值是67 dBμV，1 MHz測試的峰值是55 dBμV，1.5 MHz測試的峰值是37 dBμV。從這些超標頻點可以看出尖峰每間隔500 kHz就會出現諧振點，諧振點處的窄帶信號（如表1列出的峰值和均值的差小于6 dB，認為是窄帶信號）較強，同時從圖9可以看出，峰值和均值每隔500 kHz就會出一次相近點，這個諧振尖峰是由開關頻率造成的。

由前面對PCB板級的仿真結果可知，通常這種高次諧波都是電源引起的。為了解決這個問題，對板級的電源進行優化，主要優化方法就是設計了針對500 kHz諧振頻率的濾波器。該濾波器是π型低通濾波器，并將該濾波器應用到實際的電路中。

如圖10所示是優化后的測試結果，從測試結果可以看出，諧振頻點的尖峰和窄帶噪聲均已消除，通過RFsim99設計的濾波器針對500 kHz諧振噪聲有很好的抑制作用，如表2所示是諧振頻點優化前后的對比數據。

從優化測試的結果可以看出在1 MHz的時候峰值雖然比之前的下降了20 dBμV，但在1 MHz仍舊存在尖峰，而且在20～30 MHz的頻率范圍內，仍舊存在一些諧振信號。這是因為濾波器的結構電容引腳產生寄生電感參數的原因，使得濾波器在高頻段的濾波作用減弱，圖7設計的濾波器更適用與20 MHz一下頻率較低的頻段使用。試驗的結果表明，所設計的濾波器對諧振頻點超標的情況有明顯的優化作用，使用π濾波器可以很好地吸收諧振點的雜波信號，解決了由于開關頻率引起的諧振問題。

4 結論

針對電動汽車電池管理系統的電磁兼容EMI輻射特性，從理論角度分析了其共模輻射和差模輻射特性。目前EMC實驗室都集中在一些檢測機構，測試成本相對較高。本文采用仿真軟件對PCB板進行仿真，找到諧波發射的頻點，并在電路上通過添加濾波器得以解決。針對該諧波頻點，進行電磁騷擾優化，通過仿真和測試結合的方法找到抑制EMI諧振噪聲的方法。

參考文獻：

[1]? ? 陳慶彬，陳為.開關電源中變壓器共模傳導噪聲抑制能力的評估方法[J].中國電機工程學報，2012，32（18）：73-79.

[2]? ? SCHUHMANN R. EM field simulation based on volume discretization：finite integration and related approaches[J]. Journal of Chemical Theory & Computation，2014，10（9）：3745-3756.

[3]? ? 李旭，王麗芳，何舉剛，等.電動汽車BMS電磁兼容性能優化研究[J].電工電能新技術，2014，33（3）：40-45.

[4]? ? 李旭，肖利華，王麗芳，等.電動汽車電池管理系統抗電磁干擾技術研究[J].汽車工程學報，2012，2（6）：417-423.

[5]? ? 王常群.動力電池管理系統機箱電磁兼容性研究[D].杭州：中國計量學院，2013.

[6]? ? 陳健.電動汽車電池管理系統電磁兼容性分析與設計[D].長春：吉林大學， 2016.

[7]? ? BOILLAT D O，KRISMER F，KOLAR J W.EMI filter volume minimization of a three-phase，three-level T-type PWM converter system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2017，32（4）：2473-2480.

[8]? ? SPADACINI G，GRASSI F，MARLIANI F，et al. Transmission-line model for field-to-wire coupling in bundles of twisted-wire pairs above ground[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2014，56（6）：1682-1690.

[9]? ? CHU Y B，WANG S，ZHANG N，et al. A common mode inductor with external magnetic field immunity， low-magnetic field emission， and high-differential mode inductance[J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2015， 30（12）：6684-6694.

[10]? 周潤景，姜攀.基于ANSYS的信號和電源完整性設計與分析[M]. 北京：電子工業出版社，2017.

[11]? ANTONINI G.Spice equivalent circuits of frequency-domain responses[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2003，45（3）：502-512.

[12]? Yang Y M，Yao M，Wang Q D. High-frequency model of hybrid vehicle battery[J]. International Journal of Electric and Hybrid Vehicles，2013，5（4）：286-295.

[13]? 李洪珠，張壘，王俏，等. 一種雙磁芯差共模電感集成EMI濾波器[J].電力電子技術，2016，50（2）：97-100.

[14]? 高維勝.電子產品的EMC整改方法實例[J].電子技術與軟件工程，2016（22）：93-95.

[15]? Mutoh N，Nakanishi M，Kanesaki M，et al. EMI noise control methods suitable for electric vehicle drive systems[J]. IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2005，47（4）：930-937.

[16]? ANDRIEU G，KONE L，BOCQUET F，et al.Multiconductor reduction technique for modeling common-mode currents on cable bundles at high frequency for automotive applications[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility， 2008， 50（1）： 175-184.

[17]? SLAMA J B H，HRIGUA S，COSTA F，et al. Relevant parameters of SPICE3 MOSFET model for EMC analysis[C]//2009 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility， 17-21 Aug.2009，Austin， TX， USA， 2009：319-323.

[18]? PIGNARI S A，SPADACINI G.Plane-wave coupling to a twisted-wire pair above ground[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility，2011，53（2）：508-523.

[19]? NUUTINEN P，PINOMAA A，STR?M J P，et al.On common-mode and RF EMI in a low-voltage DC distribution network[J]. IEEE Transactions on Smart Grid，2014，5（5）：2583-2592.

[責任編輯 楊 屹]