電波暗室整車直流充電濾波系統研究

張榮，程泉，趙延華，曹興盛

（中汽研汽車檢驗中心（武漢）有限公司，湖北武漢，430056）

0 引言

新能源汽車是全球汽車產業轉型升級、綠色發展的主要方向，也是我國汽車產業高質量發展的戰略選擇。歐盟電磁兼容標準ECE R10.05已明確提出了新能源汽車的充電試驗要求，國標GB/T 40428-2021《電動汽車傳導充電電磁兼容性要求和試驗方法》[1]標準也已經正式發布，而滿足這些試驗的整車電磁兼容試驗室還不多。本文對電波暗室整車直流充電濾波系統進行了研究，并介紹了現階段可行的濾波改造設計方案。

1 整車直流充電試驗現狀

與傳統燃油車不同，新能源汽車多出了充電這一環，而往往涉及到高壓、功率變換、大電流等因素的功能都與強輻射、高騷擾相關，因此，車輛在充電狀態下的電磁兼容性能是未來會重點關注的方面。

通常，所有進入暗室內部的線纜（包括電源線、信號線、網線及電話線等）必須要進行濾波處理，但是，與傳統線纜不同的是，新能源汽車的充電線不僅有電源線部分，還包括通信線、控制線和地線，這些線束在使用的過程當中不僅會傳輸簡單的電平信號，也會傳輸CAN報文信號、PWM波控制信號等，而這些信號在通過常規的暗室濾波器后，無法正常在車輛與充電樁之間進行握手通信，導致試驗無法進行。

圖1 直流充電槍接口示意圖

現階段多數試驗室在進行充電試驗時，只能采用臨時接線，從暗室波導口直接穿入的方式進行。這樣的試驗方式會帶來很多不利因素，如：（1）試驗布置時間較長；（2）線纜布置的不確定；（3）線纜自身的電磁干擾；（4）抗擾度試驗時可能引起充電樁的損壞。

本文研究了一些試驗數據、與技術人員進行了多次交流、并從標準和理論上進行了一些研究。

2 現階段遇到的問題

標準 GB/T 18487.1-2015[2]和 GB/T 27930-2015[3]對充電過程進行了較完整的描述，但是，在一些細節上，標準并沒有給出明確的說明。針對濾波系統的問題，結合上述直流充電過程，我們做了一些可能性的分析。

2.1 絕緣檢測問題

由于直流充電時，電壓較高、電流較大，萬一出現泄漏，將導致不可挽回的后果，因此整個充電過程中，系統的絕緣是否良好，關乎安全，切不可忽視。

2.1.1 標準的理解

（1）在國家標準GB/T 18487.1-2015，《電動汽車傳導充電系統第1部分：通用要求》中給出了“絕緣電阻”的檢測標準：

在供電設備非電氣連接的各帶電回路之間，各獨立帶電回路與地（金屬外殼）之間按規定施加直流電壓，絕緣電阻應不小于10MΩ。

而對于一般的濾波器而言，其設計規范一般僅能滿足絕緣電阻不小于2MΩ，在這一點上，濾波器與充電樁的要求出現了差異。

（2）充電樁和電動汽車內部均裝有絕緣檢測裝置。在充電過程中，前期由充電樁負責充電系統的絕緣檢測，后期由電動汽車負責。而對于充電過程中的絕緣性能的檢測，標準GB/T 18487.1-2015并沒有給出詳細的說明。但可以得知：

a.絕緣檢測所需要的高壓是由充電模塊產生的[4]。

b.分別檢測正、負對PE的絕緣電阻，取較小值作為判斷依據。

c.用來做絕緣檢測的高壓是不固定的。

2.1.2 導致絕緣檢測失效的原因分析

（1）濾波器Y電容容值過大

Y電容是較常見的干擾濾除器件，分別跨接在電源母線兩線和地之間，一般是成對出現。

圖2 Y電容連接方式

為了濾除線路中的騷擾，Y電容被廣泛的應用在電源濾波器中，但它的存在容易使線間產生泄漏電流。因此，Y電容值不能太大（nF級），其參數設計要與使用環境相匹配，如果沒有進行試驗驗證，很有可能出現漏電流過大、跳閘等異常現象。

（2）系統鏈路的連接使電源母線與地之間的等效電容偏大

標準中有要求，當電壓不超過550V時，電源母線與PE線之間的等效電容應小于0.5μF；當電壓不超過750V時，電源母線與PE線之間的等效電容應小于0.3μF；當電壓不超過1000V時，電源母線與PE線之間的等效電容應小于0.2μF。

2.2 CAN報文通信傳輸問題

直流充電過程中，汽車與充電樁之間的通信由CAN總線傳輸，標準GB/T 27930-2015對充電整體流程及報文格式進行了規定。

2.2.1 充電整體流程

根據GB/T 27930-2015中的第8節，充電過程有六大步驟,報文相關的有四個階段：

①低壓輔助電源上電及充電握手階段；②充電參數配置階段；③充電階段；④充電結束階段。

對于這四個階段，若在規定的時間內充電機和BMS沒有收到報文或收到的報文不正確，則判定超時。一般認為超過5s即為超時。出現超時后，BMS和充電機會發送錯誤報文，并進入錯誤處理狀態。在充電結束階段中，如果出現了故障，不必再進行處理，直接結束充電流程。

2.2.2 可能導致異常的原因

（1）傳統的信號濾波器無法適配CAN信號，報文在經過濾波器后產生了丟失、錯誤等原因，導致充電無法繼續進行。

（2）標準要求的最大通信等待時間為5s，而充電樁與汽車可能存在匹配度不良或內部系統運行模式差異大，因而導致了報文的傳輸時間超過了5s，此時也會判定超時，導致充電停止。

2.3 其他原因

（1）暗室空間較大，從外部引入的線纜長度太長，導致線阻過大，出現報錯；

（2）暗室地、充電樁地與車輛地并未良好搭接，在其中某處鏈路出現接地不連續，這同樣會導致前面的握手階段輔助電壓檢測值偏差，出現報錯。

3 解決思路與方法

3.1 絕緣檢測

（1）Y電容問題

①進行濾波器的性能驗證，斷開進出連接線，對其進行絕緣電阻的測試驗證，驗證濾波器的絕緣性能是否滿足基礎要求；

②經試驗驗證后，嘗試改進濾波器的Y電容，或與暗室建造商提出按要求進行更換。

（2）等效電容問題

使用檢測儀器（示波器、矢量網絡分析儀）對端口、拐角和接頭等位置進行檢測，在較明顯產生等效電容的位置進行相應處理[5]。

（3）試圖從絕緣檢測模塊出發，結合絕緣檢測方式，參考其他檢測方法，對檢測模塊進行相應的調整。

3.2 CAN報文傳輸

使用CAN光纖轉換器，代替信號濾波器進行濾波。

3.3 電壓檢測

①保證充電樁、濾波器和汽車的地連續；

②在濾波器端設計人工模擬電路[6]，出現電壓檢測失敗時，介入該電路，使充電樁端能通過握手步驟，繼續進行后續動作。

4 濾波系統方案

4.1 安裝要求

直流充電濾波器安裝于暗室殼體外，用于直流充電車/樁EMC測試時的充電線路濾波隔離。直流充電只有一種接口方式，即車輛處為插座，則濾波器在充電線路上的邏輯位置位于充電機和車輛插座之間。

4.2 濾波器框圖

如果體積允許，建議將光電轉換器的電源適配器放在濾波器盒子內，仍須電源濾波器，并給電源適配器單獨增加屏蔽殼。

圖3 濾波器框圖

4.3 濾波及屏蔽要求

14kHz～40GHz ：插損大于 100dB。

14kHz～40GHz：屏蔽效能高于 IEC 50147-1：1997標準要求至少10dB。

4.4 CAN總線隔離要求

光電耦合器滿足ISO 11898和SAE J1939系列標準要求。（1MHz物理媒介）

滿足GB/T 27930-2015中CAN通信速率要求。（250kbps）

4.5 EMC要求

在 CISPR 25 測試頻段（150kHz～2.5GHz）內，傳導發射和輻射發射低于 IEC CISPR 25-2016 Level 5 限值要求至少 10dB。

按照 ISO11452-4（BCI）方法測試，滿足 1MHz～400MHz/400mA。按照 GB/T 17626.3 方法測試，滿足 80MHz～1GHz/10V/m。以確保在按照ECE R10、ISO 11451、ISO11452標準以及車廠最新標準布置進行抗擾度測試時，線纜感應的射頻電磁場不影響濾波器使用。

在進行NB/T 33008.1-2013標準中5.18節電磁兼容抗擾度測試時不影響濾波器工作。（充電線端子部分經過GB/T 17626對應標準中CDN去耦后的干擾脈沖不應影響濾波器工作）

滿足 GB/T 17626.4、GB/T 17626.5測試要求（EFT：電源2kV；信號線1kV。浪涌：充電線線-線1kV，線地2kV；信號線線-地，2kV）

在對光電轉換器電源端進行GB/T 17626.11/29標準中電壓暫降測試時，不影響光電轉換器使用；在進行電源中斷測試時，光電轉換器不損壞，無人工干預可恢復使用。

按照ISO 10605對濾波器外殼進行15kV接觸放電測試，不影響濾波器使用。

5 總結

新能源汽車是未來汽車發展的重要趨勢，充電狀態下的電磁兼容測試在不久的未來也一定會成為考核新能源車輛的重要試驗方法。本文研究了目前整車充電試驗的現狀，解決目前的充電問題，需要從絕緣檢測、CAN信號傳輸、Y電容效應等方面進行研究。

本文提出的直流充電濾波器方案經驗證是較易實現的可行方案，可在電磁兼容試驗室廣泛使用。