抑制大功率交流充电传导骚扰的滤波设计

廉玉波，王洪军，武云龙（比亚迪汽车工业有限公司，广东 深圳　518118）

抑制大功率交流充电传导骚扰的滤波设计

廉玉波，王洪军，武云龙
（比亚迪汽车工业有限公司，广东 深圳518118）

简要地介绍电动客车交流充电中产生的传导骚扰，论述干扰噪声的形成机理。并结合理论研究及大量实验探索，提出一种适用于目前电动客车交流充电系统的滤波设计方案。

电动客车；交流充电系统；传导骚扰（CE）；滤波设计

电动客车由于其环保、节能的特点，得到了社会各界的青睐。与传统燃油车相比，电动客车集成了非常复杂的电器控制系统，这也使得车辆在更富科技感、智能化的同时，面临着非常严峻的电磁干扰问题。作为“世界第四大污染”的电磁干扰（EMI）问题正逐渐被社会各界所重视。2014年10月，欧洲经济委员会（ECE）出台了ECE-R 10 04版法规，其中涵盖了与充电相关的EMC要求［1］。据研究，沿电源线的充电传导骚扰问题是最严重的超标项，本文将重点介绍。

1　大功率交流充电传导骚扰

1.1总体传导骚扰水平

电磁兼容（EMC）系统由骚扰源、传播途径和敏感源组成［2］。电动客车电源线传导骚扰是指在充电系统工作时，沿充电三相线上传导骚扰到电网的噪声信号，其测试频段为0.15 MHz～30 MHz［3］。此类噪声会对电网的其他用电器产生较大的影响，且很难通过常规外围包裹、屏蔽等处治措施进行消除。

充电和驱动控制器总成包含整车两大主要功能——驱动和充电。其共用内部IGBT模组分别进行逆变和整流的电能转化。充电盒驱动控制器是目前某车型大功率交流充电系统的核心器件，系统拓扑原理如图1所示。

图1　某车型充电过程拓扑原理

如图2为某车型的电源线传导测试结果，未整改状态下的传导骚扰超过限值最大达50 dB，即为限值要求的320倍。

图2　某车型充电传导骚扰测试曲线

1.2IGBT传导骚扰分析

对图2进行分析可得：传导骚扰强度在150 kHz达到最大，且随着频率的升高，以20～30 dB/十倍频程进行衰减。在传导骚扰的频谱中，PWM矩形开关波形的载波为10 kHz～20 kHz左右出现，低频段超标几乎不会受到IGBT自身的开关特性影响。这是因为IGBT模块开关的电压上升和下降时间一般为50～200 ns，相当于2 MHz ～6 MHz的频率。在小于该频率的频带内，传导骚扰问题与IGBT的触发边沿无关［4-5］。

因此，充电系统传导骚扰问题的低频段（150 kHz～10 MHz）超标主要是由于IGBT的PWM引起的10～50次谐波产生，如图3所示。另一方面，低频带由于谐波电流产生传导骚扰；10 MHz以上涉及PWM波的触发时间，主要由共模信号产生［6］。

图3　IGBT波形及频谱

由于电动客车线束长，高压系统壳体面积大，接地性能差，产品的工频提高，开关时间加快等特性，导致整车在共模方面存在的问题突出并严重。共模问题涉及到产品中的所有组成方面，包含控制算法、底层驱动、PCB布局、产品接地、线束布置、壳体形状、其他系统线束及悬空金属结构等。笔者一直在强调：整车EMC绝不是简单的任何一个零部件或线束的问题，涉及到系统内任何组成。凡是没有经过EMC考虑的设计都一定存在严重的骚扰风险。

2　传导骚扰整改及测试

滤波技术是指利用滤波器形成的特殊阻抗特性与负载阻抗、输入阻抗形成最大失配，将大部分的传导噪声进行反射回源［7］。有效的滤波技术还应包含布局、接地、屏蔽等多方面措施。

2.1滤波方案整车及零部件初步验证

经过添加滤波器的匹配设计后，零部件的测试结果下降60 dB左右，满足了传导骚扰的测试结果。将此参数下的滤波器样件接入整车充电和驱动控制器总成内部后，测试单枪充电传导骚扰有所降低，但双枪充电传导骚扰并无明显改善，如图4所示。

图4　加滤波器后单枪（上图）与双枪（下图）充电传导骚扰水平

2.2滤波器插损计算

对于滤波器而言，当传导噪声频率接近滤波器固参谐振频率f0时，插损为正值，此时滤波器不仅没有反射骚扰，反而通过自身的谐振低阻抗将骚扰进行放大，这在设计时是必须要规避的［8］。

多级滤波方案会出现多个谐振点。需注意设计参数最小一级（谐振频率最高）的谐振频率f0应小于测试的初始频率150 kHz，否则将很有可能在测试频带内发生滤波谐振。

由于多级滤波方案运算较为复杂，下文将对多级滤波进行合并，以便更好地对滤波器的插损进行计算，关键点将被列出。

取单相某时刻的回路为对象（L1去路，L2回路）对滤波器拓扑方案进行分解，等效成差模和共模滤波方案，并取150 kHz作为插损计算频率点。

2.2.1差模滤波器解析

如图5所示，忽略线束寄生电感和线间分布电容，此方案中采用两级滤波，差模电感为共模扼流圈的漏电感按1%取值［9］。计算如下：

即此滤波器对于150 kHz～30 MHz之间骚扰最小插损为43 dB，而且根据滤波器的一般特性，随着频率增高，插损将以20～40 dB/十倍频程线性增加。

图5　单相差模滤波等效拓扑图

实际上，此滤波器以两极形式存在，实际滤波效果会比单滤波器好很多。

2.2.2共模滤波器解析

如图6所示，此方案中采用两级滤波，忽略线束互电感和对地分布电容。计算如下：

计算插损H=40 Lg（f/f0）2≈67 dB。

图6　单相共模滤波等效拓扑图

实际上，分级滤波器插损远高过单级。综合分析，插入损耗最低可达80 dB以上。

整车上测试的结果却相差40 dB（100倍），差距如此大的原因主要是滤波器寄生参数的影响，分析如下：

当零部件进行测试时，充电线束长度约为2 m，分布电感为1～2 uH，系统对地分布电容约为40～50 nF。通过简单计算可得其谐振频率f0＞8 MHz，此时后级测试的滤波器插损已达100 dB左右。即：即使在测试频带内产生谐振，由于谐振频率较高，也会被后级滤波器给损耗反射掉。

当整车布置测试时，充电线束长度可达10～20 m，分布电感可达10～20 uH，系统对地分布电容达140 nF以上。通过计算可得，此时的谐振频率f0＜200 kHz，而此时滤波器的插损非常低，极有可能导致滤波器失效。由于整车系统寄生参数引起的谐振是使滤波器低频失效的重要原因。

2.3由地噪引起的传导骚扰

共模回路的路径非常复杂，主要依靠系统对地寄生参数进行增益与传播。

LISN测试的电压参考地上若有共模电流流入，将直接影响测试的结果；其次，由于系统接地差异导致共模环路产生后，以共模或者差模的形式通过L线，将引起传导骚扰超标。

如图7所示，使用编织带将左右充电和驱动控制器总成与滤波器、PE等共地，尽可能降低地阻抗后改善近30 dB。

图7　某车型接地与传导骚扰影响

2.4滤波器布置及线束对传导骚扰的影响

充电和驱动控制器总成交流充电系统的传导发射骚扰来源于IGBT，且此骚扰会通过AC侧与DC侧分别传递到电网和整车高压负载，并在地回路流通。交流侧滤波器输出到电网的高压AC母线很容易受到来自充电和驱动控制器总成直流母线的发射耦合。对某车型进行如下整改：将AC充电线束与其他所有线束分开，保持300 mm以上的距离；线束用导电材料全密封包裹两圈以上；使用编织带并打磨车身多点接地后，整车传导和辐射骚扰分别降低了40 dB和10 dB［10］。

2.5双充电和驱动控制器总成并联充电引发的传导骚扰

某车型在添加充电传导整改滤波器后出现以下问题：当任一单枪充电时，传导骚扰最大超标不足10 dB；但只要双枪充电，传导骚扰会增强50 dB以上。这是因为两个充电和驱动控制器总成的直流输出在配电系统内进行汇流，这也导致两个充电和驱动控制器总成构成了并联互为负载回路，即传导噪声会在此回路流通，骚扰大幅加强；其次由于滤波器的并联关系，其内部电感减半，引发阻抗变化。

将两个滤波器的共模扼流圈匝数增多，并添加0.6 mH差模扼流圈，如图8所示，低频传导骚扰下降70 dB，以上推论得证。

图8　更换滤波器前后对比

2.6关于滤波器的实际匹配与应用

综合上述各部分的难点与问题，在滤波器匹配时遇到了非常大的技术难关。由于系统线束长度及布置所引发的共模回路，近场耦合层出不穷，这便导致单纯通过匹配滤波器的参数并不能解决传导骚扰问题，必须对系统内各部分进行处理。以下为针对某车型充电传导骚扰问题从整车角度提出的设计建议：

1）充电和驱动控制器总成充电交流母线应单独地走线，距离其他线束至少300 mm，并尽可能短。

2）充电和驱动控制器总成相关高压线束需在车辆设计多点接地，并逐步开发高屏蔽效能的高压线。

3）左右充电和驱动控制器总成搭铁线保证连接在同一根车架上，且PE搭铁线应尽可能靠近充电和驱动控制器总成搭铁点。

4）应预留滤波器放置空间。

5）同平台车型的高低压线束布置、线束长度差异性必须进行梳理，并要求尽可能达到一致（高压线束布置及长度引起的分布电容、寄生电感对滤波器有很大的影响）。

经过整改后，充电传导骚扰测试顺利通过，见图9。

图9　整改后某车型传导骚扰测试曲线

最终方案采取了四级滤波电路，如图10所示。综合考虑线束寄生参数、噪声耦合、双充电和驱动控制器总成阻抗并联等因素，传导骚扰下降达60 dB以上。

图10　滤波器拓扑示意图

2.7关于客车应用滤波器的局限性因素

滤波器的参数具有非常强的针对性，即滤波器80%具体问题匹配，20%可通用。目前某车型设计多平台化，会直接影响滤波器的批量应用，主要表现于如下几个方面［11］：

1）充电系统布置及线束变化，主要包括线束长度、布置方式、屏蔽措施、接地搭铁等方面。

2）滤波器加装位置，同种方案滤波器，如果更改加装方式，也会引起传导骚扰超标的风险。

3）充电和驱动控制器总成，充电盒硬件及核心软件变化，导致开关频率、负载阻抗等发生变化，也将导致滤波器的失效。

4）充电功率提高会使滤波器失效或者烧毁。若后续非标充电使用更大功率充电，不仅会使滤波器饱和失效，甚至会引起内部线路烧毁等风险。如果匹配大功率的滤波器件，其体积将增大，可能需要重新评估安装方案。

因此，不同车型项目在设计时应尽可能保证整车系统布局、零部件技术状态、线束走向与布置等与已满足EMC要求的车型一致。

2.8传导骚扰整改总结

目前某车型大功率充电问题已经匹配滤波技术方案，但从根本上说，滤波器外置于充电盒内、高压线束用导电布包裹屏蔽的方案是临时方案。此方案对于信号线传导、辐射发射等其他测试项的改善量较小。从技术角度推荐如下几个方面的整改措施：

1）充电和驱动控制器总成的AC侧和DC侧均添加匹配滤波器，使传导噪声在两级之间反射消耗，避免泄漏串扰。

2）整车所有的高压线束均需要进行屏蔽，并保证至少两点接地。

3）整车和零部件设计需要保证高度的统一性。

3　结束语

随着ECE R10 04版的实施，越来越多的车企开始关注EMC问题。而充电传导骚扰作为其中的关键项，其技术整改也成为EMC重大难点之一：首先，电动汽车的EMC是瓶颈性技术问题，它需要花费大量的人力和物力进行反复测试、研究和整改。目前电动客车的EMC状态还处于起步阶段，问题很多，亟待解决。其次，它是一个整车问题，因为涉及到零部件的PCB设计、整车线束设计、底盘、车身骨架的连接等方面，若有任一环节改变，都将有可能导致EMC整改方案的重新进行。为了更好地规避EMC问题，EMC专项团队应持续攻关目前的隐患和顽疾，并提出整车及部件EMC设计优化方案；项目经理和主管在设计初期就应明确技术要求，并对设计的每一个环节进行把控；产品工程师应提高EMC基本知识能力，注重技术方案中对于EMC的考虑。只有各方配合，车辆的EMC水平才能不断提高。

［1］E/ECE/324/Add.9/Rev.4-E/ECE/TRANS/505/Add.9/Rev.4.

［2］郑军奇.EMC（电磁兼容）设计与测试案例分析［M］.北京：电子工业出版社，2006.

［3］IEC/CISPR 25.Limits and methods of measurement of radio disturbance Characteristics for the protection of receivers used on board vehicles.IEC，1995.

［4］周志敏，周纪海，纪爱华.开关电源实用电路［M］.北京：中国电力出版社，2005.

［5］于晓平，赛煜，王新春.开关电源谐波含量测试分析及抑制［J］.电子测量技术，2002（1）：17-19.

［6］曹太强，许建平，徐顺刚.开关电源谐波的研究［J］.电焊机，2007，37（5）：58-60.

［7］钱振宇.3C认证中电磁兼容测试与对策［M］.北京：电子工业出版社，2005.

［8］邱关源，罗先觉.电路［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［9］胡寿松.自动控制原理［M］.北京：科学出版社，2007.

［10］THarada et al，Investigation on Radiated Emission Character-Ristics ofMultilayer Printed Circuit Board，IECE Trans.Commun.Vol E80-BNo11，November 1997 pp 1645-1651.

［11］郑军奇.电子产品设计EMC风险评估［M］.北京：电子工业出版社，2008.5.

修改稿日期：2016-03-20

Filtering Design on Depressing Conducted Emission of High-powered AC Charging System

LianYubo，WangHongjun，Wu Yunlong （BYDMotor Inc，Shenzhen 518118，China）

This article briefly introduces the conducted emission of AC charging system for the E-bus，and elaborates the formation mechanism of the interference noise.Combining theoretical research and plenty of experimental exploration，it proposes a filter design scheme which is applicable tothe chargingsystemofthe present E-bus.

electric bus（E-bus）；ACchargingsystem；conducted emission；filter design

U469.72；U463.6

B

1006-3331（2016）04-0026-05

廉玉波（1964-），男，硕士；高级工程师；汽车产业群总工；主持整车设计与研发工作。