電動汽車在EFT-B測試中非預期充電失效問題的解決方案

李順

福建奔馳汽車有限公司 福建省福州市 350108

1 背景

從2012年到2021年，我國新能源汽車銷量由1.3萬輛增長至352.1萬輛[1]，連續多年位列世界第一，隨著“碳中和”在世界范圍內達成共識，全面電動化已經成為各主要汽車廠商面向未來的核心產品戰略，可以預見，電動汽車將逐漸成為汽車消費的主流。

電動汽車涉及的電氣和電子設備非常的多，電池、電控和電機取代發動機變速箱成為關鍵零部件，充電替代加油成為用車生活的日常，而傳導充電過程中會受到環境和公共電網中的多種電磁現象的干擾，導致充電故障和車輛安全風險，因此，對電動汽車傳導充電過程的電磁兼容測試是充電過程安全的基本性保障。

電動汽車的電磁兼容相關標準法規近年來快速發展，2011年UN ECE R10.4第一次將整車充電的EMC性能納入法規考察，2019年UN ECE R10.6完善了整車充電狀態的電磁兼容性能要求。2021年8月，我國針對電動汽車傳導充電的電磁兼容性能要求和試驗方法的標準GB/T 40428-2021出臺，對電動汽車傳導充電過程中的電磁兼容性包括發射特性和抗擾特性給出了要求及相應的試驗方法，確保電動汽車的電磁兼容功能和安全。與此同時，行業內也在不斷的探索電動汽車的EMC相關測試方法，完善電動汽車的EMC測試體系。

2 電動汽車傳導抗擾度測試過程中的充電失效問題

2.1 電動汽車傳導抗擾度測試項目

在電磁兼容相關法規標準UN ECE R10和GB/T 40428-2021中，電動汽車傳導充電過程中的典型抗擾度測試主要包含兩項：1，沿電源線的電快速瞬變脈沖群（EFT-B）抗擾性；2，沿電源線的浪涌（Surge）抗擾性。[2]

EFT-B測試的目的是要模擬（仿真）由一普通電網電源開關或繼電器觸點在切斷瞬間的電弧所引起的騷擾[3]。電動汽車的傳導充電EFT-B測試是為了評估車輛通過電纜線接入電網充電過程中受到電快速瞬變脈沖群干擾時的性能。

Surge測試是為了模擬出現在電網電纜以及其電源和任何長電纜上的遭遇雷閃所引起的騷擾[3]。電動汽車的傳導充電Surge測試是為了評估電動車輛通過電纜線接入電網充電過程

中受到由開關和雷電瞬變電壓引起的單極性浪涌（沖擊）時的性能。

2.2 電動汽車傳導充電EFT-B抗擾度測試過程中的充電失效問題

以最常見的EFT-B測試為例，在實驗室進行傳導充電測試項目搭建及測試過程中，經常性的出現充電過程失效的問題，具體表現為在進行EFT-B干擾時，電動汽車充電指示燈顯示故障，充電樁繼電器斷開，正常的充電過程停止。

日常實際的充電過程中主要包含充電樁和電動汽車兩個對象（圖1a），在充電樁-電動汽車組成的系統中，對于針對電動汽車的EFT-B測試，無可避免的會對充電樁造成影響，當充電樁無法正常供電時，充電過程也無法正常建立，這會對電動汽車的傳導充電EFT-B測試結果判定帶來嚴重干擾。通過對實際測試過程不斷地的研究和分析，我們得出的結論：充電樁和電動汽車之間的控制信號受到了干擾，導致充電過程無法正常建立。

圖1 電動汽車典型狀態a)／測試狀態b)充電示意圖

3 傳導充電EFT-B測試過程失效問題的研究與分析

3.1 電動汽車的交流充電機制

以交流220V單相充電為例，除220V主電源之外，電動汽車與供電設備之間通過控制導引電路（圖2）來進行包括充電請求，充電電流大小等一系列信息交互，從而來實現電網到車輛之間的電能傳輸過程。

圖2 充電模式3連接方式C的控制導引電路原理圖

供電控制裝置和車輛控制裝置之間通過CP信號進行通訊，該CP信號的制式為PWM（Pulse width modulation wave脈 沖寬度調制）波，通過PWM波的電壓大小和占空比來控制充電過程及充電電流大小。當充電樁的充電槍與電動汽車充電接口連接，經過一系列自檢測正常后，供電設備控制裝置的開關S1從+12V連接狀態切換至PWM連接狀態并發出9V的PWM信號，車輛控制裝置接收到9V信號時，表示供電設備與車輛已通過電纜正確連接，可以進行充電。當對供電設備發出充電指令（充電電流大?。┖?，PWM信號變成6V，車輛端檢測點2檢測到該PWM信號（包括峰值電壓和占空比），開關S2閉合，220V主電源開關K1，K2接通，開始進行充電。[4]

3.2 電動汽車傳導充電EFT-B測試的鏈路設置及配置

在電動汽車傳導充電的EFT-B測試中，需要引入耦合/去耦網絡CDN和EFT-B信號發生器(圖1b)。其中CDN是串接在充電樁-電動車輛充電系統中的，它的作用是隔離公共電網噪聲，同時將EFT-B信號發生器發出的電快速瞬變脈沖群干擾信號耦合到被測試車輛上。

由測試鏈路圖可以看出，測試過程實際是將充電樁和電動汽車之間連接的線纜斷開，在L、N、PE之間分別串入去耦設備，然后通過EFT-B信號發生器經L、N、PE分別注入群脈沖騷擾電壓到被測車輛，考察被測車輛在傳導充電過程中的抗干擾能力。（表1）

表1 EFT-B測試參數[5]

3.3 EFT-B測試過程CP信號受干擾過程的研究

在正常使用的由充電樁-電動汽車組成的傳導充電系統中，車身地與設備地是通過線纜直接連接的，他們之間是等電位的，CP信號也正是基于這一等電位作為參考傳輸PWM波。

在充電樁-耦合/去耦網絡-EFT-B信號發生器-電動汽車組成的測試系統中（圖3），由于CDN中地線上的電感和信號發生器地線上電容的存在，EFT-B脈沖群在PE線上的耦合路徑可以簡化成如圖4的等效電路圖：

圖3 電動汽車傳導充電EFT-B測試系統電路圖

圖4 情境3布置示意圖

圖4 PE線的等效電路圖

根據相關的設備參數我們可知L=100μH,CC=33nF，當施加重復頻率為5kHz的2kV干擾電壓信號時，上圖中的LC電路會形成阻抗，致使PE和PE′間形成電位差，具體計算如下：

當f=5kHz時：

通過上述①～⑤式的計算可以得出當信號發生器發出頻率為5kHz,峰值電壓為2kV的群脈沖干擾時，車身地與充電樁設備地之間由于測試設備的加入形成了約6.5V的電位差。所以在進行EFT-B測試過程中，由于該電位差的存在，使得正常充電過程中峰值電壓為6V的CP信號PWM波被覆蓋，車輛與充電樁之間無法正常建立通訊。

在EFT-B測試過程中，由于測試設備的引入改變了測試車輛和充電樁組成的穩定系統，致使控制電路無法正常工作，這并不符合測試的預期，同時按照標準要求，PE線又必須作為測試對象之一，因此，如何搭建一個穩定的測試系統是正確進行該項測試的重要因素。

4 針對EFT-B測試過程充電失效問題的解決方案及驗證

4.1 傳導充電EFT-B測試鏈路的改進模型

根據對標準GB/T 40428-2021中關于測試對象的描述和理解，對于EFT-B測試，測試對象不必為電動汽車與供電設備組成的系統。那么，如何實現將充電樁排除在外的僅針對電動汽車充電過程的EFT-B測試呢？

通過前述對電動汽車交流充電的充電機制和傳導充電EFT-B抗擾測試鏈路圖的分析，同時結合標準提到的交流模擬供電設備，實驗室對原有的測試設備進行改造，自制一套充電控制裝置和交流供電電源接線盒組成的模擬交流充電樁，以實現交流220V交流電源與控制裝置的完全隔離，以期解決相應的問題。

新的測試鏈路（圖5）將CP信號置于CDN的耦合端后端，CP信號參考地接入CDN的去耦部分PE′（也即車身地），這樣使得EFT-B脈沖電壓信號同時施加到了CP信號和PE′上，由于PWM電壓取的是兩者的差值，影響相互抵消，PWM電壓信號仍然是穩定的，充電過程不會因為EFT-B脈沖的施加而有任何影響。這樣就實現了只針對電動汽車充電過程交流220V主電路的群脈沖干擾測試，只有當群脈沖干擾真正對車輛本身功能造成影響時才會表現出來，符合該項試驗的預期。

圖5 改進后的傳導充電EFT-B抗擾測試鏈路示意圖

4.2 解決方案的實施

EVSE是一個提供PWM信號的可編程控制板，它由220V市電供電，可以串接在充電電纜中，也可以獨立供電。EVSE的AC-DC微型轉換器將交流電轉換成低壓直流PWM信號，通過改變Rpp電阻值改變PWM的占空比，實現不同的充電電流大小。經過計算，確定了如表2所示常用的充電電流及對應的Rpp值：

表2 充電電流對應的Rpp值

以EVSE為基礎，根據圖6的電路連接示意圖制作成如圖7所示具有3個電流擋位的交流220V充電控制裝置，使用該控制裝置接入改進后的傳導充電EFT-B抗擾測試鏈路，其輸入接耦合/去耦CDN的輸出端，輸出接充電槍至電動汽車充電口，EVSE發出的CP信號直接與充電槍相連，與車輛控制裝置通訊，實現充電控制，同時還支持將CP信號單獨引出接入示波器進行監控和分析。

圖6 EVSE控制板及電路連接示意圖

圖7 交流220V充電控制裝置

4.3 解決方案的測試驗證

通過對不同車輛進行多輪的測試驗證，該EVSE設備的CP信號能與按國標要求設計的車輛實現正常連接，充電電流大小均能滿足正常充電要求，同時在在EFT-B測試過程中沒有帶入其它變量，能有效反應被測車輛在傳導充電EFT-B測試過程中的狀況表現。

同時，該設備同樣適用于浪涌（Surge）等其它同類型的電動汽車傳導充電抗擾類測試，不僅可使用該控制裝置組成的模擬交流充電樁進行測試鏈路的快速搭建，還可避免不同的充電樁在測試過程中帶來的額外影響。

5 結束語

通過對電動汽車在典型的電磁兼容傳導抗擾度EFT-B測試過程中的非預期充電失效問題進行原因分析，結合測試過程的鏈路搭建，相應測試設備的電路原理以及國標的充電機制，本實驗室自主設計了一套可用于電動汽車傳導抗擾度測試的模擬交流充電設備，并運用于實際測試過程中，取得了良好的實際效果。其它同類型實驗室均可參照該方法進行相應的試驗設置，解決電動汽車在傳導抗擾度測試過程中的遇到的非預期充電失效問題。