1、Technical Column50SAFETY&EMC No.1 20230引言随着电动汽车的迅速发展，用户不但对电动汽车的行驶性能提出高要求，对电动汽车的充电性能也提出更高的要求，希望电动汽车充电能像加油那样方便、快捷。直流快充技术和换电技术也随之迅速发展起来，缩短了补能时间。充电过程中的电磁兼容问题也逐渐受到广泛关注，2021 年 3 月,国内首个汽车充电电磁兼容标准 GB/T 40428-2021电动汽车传导充电内容性要求和试验方法正式发布，对电动汽车传导充电时发射类电磁兼容性能和试验方法做了详细要求，对交流充电抗扰性能也做了详细要求，对直流充电抗扰性能只对辐射抗扰度提出了要求。相比于
2、交流慢充，直流快充技术能够输出高于交流慢充数倍的电流和功率，为了确保动力电池运行安全和使用寿命，必须对动力电池充放电过程进行监控和管理。电动汽车动力 BMS 实现了实时采集和处理动力电摘 要：某款电动汽车直流充电试验中，个别直流快充桩给整车充电时偶发充电中断的故障。该文通过试验排查和仿真分析相结合的方法，锁定了引起故障的原因。在试验排查阶段，确认了电池管理系统（BMS）主板上高压继电器的驱动芯片复位管脚，受到来自直流充电桩地线的电磁干扰，导致异常复位引发充电中断故障。并对敏感源的 BMS 主板PCB 进行有效电磁兼容性能仿真分析和评估，从故障形成机理入手优化、提升主板电磁抗干扰性能，满足 BM
3、S 在电动汽车复杂电磁环境中的使用要求。改进后,整车直流快充试验中没有再发生类似故障，进一步确认整改措施的有效性，为后续电动汽车直流充电故障和 EMC 问题的定位整改提供了工程经验。关键词：电池管理系统；直流充电；电动汽车；电磁兼容；仿真引用格式:李建群,魏丹,朱林培.电动汽车 BMS 充电干扰问题分析及排除 J.安全与电磁兼容,2023(1):50-54.LiJianqun,WeiDan,ZhuLinpei.AnalysisandEliminationofDCChargingInterferenceofBMSinElectricVehicleJ.SAFETY&EMC,2023(1):50-5
4、4.(inChinese)Abstract：DuringtheprocessofDCchargingtestoftheelectricvehicle,oneofthechargingpilesoccasionallyinterruptedwhenchargingtheelectricvehicle.Throughthecombinationoftestinspectionandsimulationanalysis,therootcauseofelectromagneticinterferencewasfound.Inthetest,itwasconfirmedthattheresetpinof
5、thedrivechipontheBMSmainboardwasabnormallyresetduetotheelectromagneticinterferencefromthegroundwireoftheDCchargingpile.Optimizefromthefaultformationmechanism,improvetheelectromagneticanti-interferenceperformanceofthemainboard,andmeettheuserequirementsofBMSinthecomplexelectromagneticenvironmentofelec
6、tricvehicles.Aftertheimprovement,nosimilarfaultoccurredagainduringtheDCchargingtestofelectricvehicle,theeffectivenessoftheimprovementwasfurtherconfirmed,whichprovidedengineeringexperienceforthepositioningandrectificationoftheDCchargingfaultofthesubsequentelectricvehicleandtheEMCproblemofthePCBboard.
7、Keywords：BMS;DCcharging;electricvehicle;EMC;simulation电动汽车 BMS 充电干扰问题分析及排除AnalysisandEliminationofDCChargingInterferenceofBMSinElectricVehicle广汽埃安新能源汽车股份有限公司 李建群 魏丹 朱林培池充放电过程中的信息，最大程度提高动力电池的利用率，延长电池的使用寿命。现阶段对 BMS 的抗扰度电磁兼容性能评估是按照国标基于大电流注入（BCI）测试、辐射抗扰度（RS）测试1、静电放电、电快速脉冲群、工频磁场、电压暂降/变化等测试2来进行评估的。BMS 的电磁
8、兼容设计包含 BMS 的电源电路、采样电路、CAN 通信电路、接口电路、金属壳体和 PCB（印制电路板）布线等方面，并提出电路级的改进和优化建议3-5。该设计可消除 BMS 元器件级和部件级的电磁干扰问题，但不能完全避免 BMS 在系统级甚至整车级的电磁兼容问题。本文对某款电动汽车直流快充中断故障进行问题排查和定位，重点是对敏感源的 BMS 主板 PCB 进行有效电磁兼容性能仿真分析和评估，从故障形成机理入手优化、提升主板电磁抗干扰性能，满足 BMS 在电动汽车复杂电磁环境中的使用要求。技术专栏512023 年第 1 期 安全与电磁兼容1问题描述1.1 直流快充工作流程电网的交流电通过直流快充
9、桩转换为直流电，经过电动汽车的快充口直接给动力电池充电，可以在半小时内为动力电池充电到总电量的 80%，缩短充电时间，显著地提升了电动汽车充电效率。电动汽车直流快充示意图如图 1 所示。直流充电枪插枪后，直流快充桩检测到电动汽车充电口上的 CC1 信号，然后输出 12 V 低压辅助电源 A+，BMS 检测到直流充电信号 CC2 后，BMS 与充电桩进行CAN 交互，控制动力电池内继电器闭合，执行高压上电，直流充电桩输出高压直流电给动力电池充电，电动汽车和直流快充桩均指示为充电状态6。1.2 故障现象与定位1.2.1 故障现象某款电动汽车在直流快充试验过程中，个别直流快充桩对其充电时会偶发充电中
10、断故障，这时车辆仪表显示充电故障，充电桩显示正在充电。故障发生后，重新插拔充电枪可恢复充电，充电恢复后整车和充电桩的部件工作无异常，无器件损坏。在试验室经过多次试验后发现：（1）试验场地共有 3 个快充桩，只有 1#快充桩与某款动力电池配置的电动汽车进行直流充电时会出现类似故障，1#充电桩已贴上警示：XX 号车禁止在该充电桩上充电；（2）该动力电池配置的电动汽车在 2#和 3#直流快充桩充电时没有出现类似故障，其他配置的电动汽车在1#直流快充桩充电未发生类似故障；（3）1#充电桩是早期设备，当时充电桩的电磁兼容性能未做强制要求，该动力电池内的 BMS 部件完成了性能、功能试验、EMC 试验和可
11、靠性试验。虽然明确了可能是充电桩的电磁兼容性能不达标引发故障，但电动汽车在使用过程中遇到不达标的充电桩存在一定的概率，所以继续对 BMS 主板 PCB 板进行分析和问题定位，尝试进一步提升 BMS 主板电磁抗扰性能。1.2.2 问题定位通过故障现象，初步定位为直流快充时个别直流快充桩会对某配置动力电池产生电磁干扰,从而引起整车充电中断故障。读取动力电池对外通讯的 CAN 信号报文，发现充电中断为动力电池内高压继电器异常断开所致。进一步分析确认 BMS 主板上的高压继电器驱动芯片 U06 异常复位，使得高压继电器异常断开。进而确认充电中断的原因是驱动芯片 U06 的复位管脚受到电磁干扰导致异常复
12、位。高压继电器的驱动芯片为主流芯片厂的通用芯片。通过和芯片厂家确认该款芯片没有类似故障发生，且该款芯片电源管脚可承受的最大电压为 45 V 远高于复位脚，在电源管脚位置添加高中低频去耦电容情况下，电源管脚受到电磁干扰引起工作异常的情况基本不存在。通过示波器观测发生故障时电源管脚处电压无明显跳变也验证了高压继电器驱动芯片异常复位不是该芯片电源管脚受到电磁干扰引起的。用外部数据模拟器代替直流快充桩长发检测信号和 CAN 信号与动力电池单独相连，实现充电桩和动力电池没有信号线连接仍可以正常直流充电。在测试过程中同时观测 BMS 的检测信号和 CAN 信号，充电过程中仍然有充电中断故障发生，且故障发生
13、时检测信号和CAN 信号也没有出现异常跳变，从而确认高压继电器驱动芯片异常复位不是该芯片信号管脚受到电磁干扰引起的。除了电源线、信号线只剩下地线连接充电桩和BMS，基本可以确认噪声干扰信号是来源于地线（PCB信号地或外壳地）。因为无法通过测量仪器对地线的噪声进行观测，通常情况下故障定位到 BMS 主板的 PCB地线引入的噪声上，整改就结束了。BMS 产品工程师只能对 PCB 增加常规的 EMC 防护设计并反复进行抗扰度试验，甚至增强抗扰度试验中的干扰源等级尝试故障复现及消除，整个整改过程比较盲目，效果通常也不 理想。2仿真分析及故障定位2.1 PCB 电磁仿真软件及特点常用 PCB 三维电磁场
14、仿真软件可以完成 PCB 谐振分析、SYZ 参数提取和时域/频域激励瞬态分析，适用于 PCB 的电磁兼容问题的定位和整改，问题定位准确，可以很大程度缩短整改周期和成本。PCB 的电源完整性、信号完整性与电磁兼容性能不是独立的，他们之间既互相影响也互相促进7。故在图 1 电动汽车直流快充功能示意图Technical Column52SAFETY&EMC No.1 2023整改 PCB 的电磁兼容问题上不能只关注其中一个方面，忽略另外两个方面。2.2 仿真模型建立利用 PCB 电磁场分析软件导入 PCB 版图文件，导入模型如图 2 所示，高压继电器驱动芯片 U6 所在位置用红圈标识。U6 的局部走
15、线图如图 3 所示，红色走线为芯片的复位管脚走线，蓝色为地线。2.3 仿真复现问题在 PCB 模型地线上添加电压激励源，在高压继电器驱动芯片的复位管脚和外壳地分别添加测量电压探针，电压源的激励信号设置为瞬态时域信号，由两个振荡波形组成，总时长为 100 ns，最大值出现的第一个波峰位置为 30 V。通过仿真计算得到复位管脚处的电压探针波形，如图 4 中蓝线所示。由图 4 可知，U6 复位管脚处的电压有一段时间高于 5 V，会使得驱动芯片复位管脚产生误触发。仿真结果在一定程度上复现了故障现象。将电压激励源由瞬态时域噪声信号改成频域扫频噪声信号进行仿真计算，发现 70 MHz 干扰噪声信号下U6
16、的复位管脚出现强耦合现象，PCB 近电场场强分布如图 5 所示，在复位管脚位置周围有明显强电场区域 出现。通过仿真分析对充电中断问题进行了故障复现。BMS 主板的 PCB 地线引入干扰噪声时，会对驱动芯片U6 的复位管脚造成误触发，与试验现象一致，进一步确认了电磁干扰问题。定位问题后，下一步就是解决问题。通常电磁兼容问题中干扰源和敏感源不易修改，主要通过切断耦合路径进行整改。3优化设计电磁干扰主要耦合路径有：传导耦合、辐射耦合、共阻抗耦合、容性/感性耦合。该干扰噪声不是 PCB上产生的，不是公共阻抗、分布电容或分布电感引起的干扰。接下来就是针对辐射耦合、传导耦合进行优化和 整改。3.1 增加地回路连接，改变辐射路径PCB 主要产生的差模辐射可通过修改电流环路面积进行抑制。修改 PCB 三维电磁场仿真模型中地回路的分布，改变辐射耦合路径，最快办法就是将 PCB 预留的各块地上都添加磁珠，使得不同的信号地和外壳地通过多个磁珠连接在一起。添加磁珠后，外壳地上引入的噪声明显变大，复位管脚处的噪声幅度稍有变化，峰值出现的位置和量级都变化不大，确认通过修改地线辐射耦合路径对复位管脚干扰改善不大，仿
