电动汽车充电系统影响因素-充电模块电路的滤波器

1.充电系统拓扑结构与工作原理

电动汽车充电系统由4个部分构成（图3-23）：电源整流模块AC-DC、功率模块、控制模块和充电模块。整流模块是将交流电压220V整流出直流电压，功率模块是由4只IGBT组成的逆变桥，控制模块采用DSPTMS320LF2812实时数字控制，充电模块由高频隔离变压器和整流电路组成。

220V单相交流电压经AC-DC模块整流和电容滤波后输出直流电压U_DCin，送给功率模块的逆变桥。逆变桥在脉宽调制方式下工作，4个IGBT的通或断状态由控制模块产生的PWM来控制，产生正负半周对称的高频脉冲，经过高频变压器降压以后，再经过输出转换桥，转变为直流脉动的方波，最终由LC滤波输出，得到所需要的直流，给电池组充电。根据电池的特性曲线，控制模块通过CAN总线获取车载能量管理系统的充电参数信息，如电流信号和电压信号，控制功率模块和充电模块进行DC-DC转换，输出动力电池所需的充电电压和电流。

图3-23 充电系统工作原理图

2.充电系统存在的电磁干扰

（1）骚扰源 电动汽车充电系统干扰源包括系统内骚扰源和系统外骚扰源。系统骚扰源主要是功率模块的4个IGBT开关过程中，由于电压和电流在短时间内发生跳变而形成的电磁干扰。这4个IGBT开关过程中产生的高频脉冲信号的du/dt和di/dt值很大，由于电路中存在电感和电容元件、IGBT自身以及其他器件存在引线电感、布线存在杂散电感和电容，所以会产生噪声电压和噪声电流。它们不仅影响功率模块，而且还会通过电源、地进入控制线路，危害控制性能。另外，很大dt/di的电流环路也是一个辐射源，它将对空间辐射电磁场，形成很强的电磁干扰，对车载其他部件产生影响。另外，逆变器开关产生的PWM波形除了有用的基波外，还含有大量的高次谐波，会对车载其他设备产生辐射。

（2）耦合途径 电动汽车充电系统的电磁骚扰耦合途径有两种：通过空间传播的辐射耦合方式和通过电路传输的传导方式。辐射耦合方式主要是近场耦合。传导方式是干扰传播的重要途径。根据干扰方式的不同可以把电磁骚扰源分为差模干扰（DM）和共模（CM）干扰两种。

图3-24 差模干扰

差模（DM）干扰如图3-24所示，当逆变器的IGBT动作时，就会在逆变器输出侧产生差模电压，从而在输出侧形成差模干扰电流i_dm1和i_dm2，因此存在两条干扰传播途径。差模电流产生的环路i₁和i₂如图3-25所示，该环路形成小环天线，向空间辐射骚扰信号。

共模干扰电流的路径有两条，如图3-26所示，一条是流向逆变器的输入侧的共模电流1，另一个路径是朝向输出侧的共模电流2，充电模块和电池组并不能完全与参考地绝缘，存在分布电容，由于du/dt的作用，就会在逆变器输出侧产生很大的共模干扰电流。

图3-25 差模辐射

3.EMI抑制措施

（1）功率器件的EMI抑制 为了降低功率器件开关产生的干扰的强度，通常采用改变电路拓扑及其结构、改进控制策略和优化驱动电路的方法。适当增加功率器件开通与关断时间；减小功率开关机箱与散热片之间的对地的阻抗，在散热器与机箱之间增加电阻R_g（图3-27），增大散热器的对地（大地）阻抗，降低开关器件与散热器之间的电场耦合；每个IGBT的栅极驱动电路都采用独立的隔离电源，不与主电路电流共用电流支路；功率器件集电极、发射极之间采用吸收电路（图3-27），以避免噪声干扰。这些措施大大降低了功率器件开通关断时的电压电流变化率，从而降低了骚扰源的强度。

图3-26 共模干扰

图3-27 逆变器EMI抑制电路

（2）印刷电路板EMC设计 充电系统控制模块DSP控制印制电路板电磁兼容设计包括：印制电路板布局和布线。元器件的分组布局就是按组对PCB空间进行分割，将同组元器件摆放在一起，以便于在空间上保证各组元器件不至于产生组件的相互干扰。分组可按高速、低速分类，可按大电流、小电流分类，也可按模拟电路、数字电路分类。在此主控板中，主要先按照高速电路、低速电路分开布局，如图3-28所示，高速电路中CAN总线收发电路布置在印制电路板一侧，数字电路和模拟电路（A-D转换电路）是低速电路，布置在印制电路板另一侧。(www.xing528.com)

PCB布线的宽度和间距要根据布线密度和导线高频特性进行设置。布置电源线时，在电源的输入端要正确使用去耦电容，减小进入印制电路板的耦合噪声和减小电源与地线平面结构中的地噪声电压。为了防止公共地线阻抗耦合干扰，对不相容的地线，如大电流与小电流、高频与低频、模拟与数字、不同电源电压的地线应分别设置。对双面板来说，应该先设计出地线网络，这样能有效减小信号环路面积，同时由于差模和共模辐射均与信号环路面积成正比，从而也可减小差模辐射。

图3-28 减少干扰的布局

（3）接地设计 无论是单点接地还是多点接地，信号往往会通过地形成地环路，地环路干扰是一种较常见的电磁干扰。为了抑制地环路干扰，通常采用隔离方法，即将充电系统电路与公共地或可能引起环流的公共导体隔离开来。隔离方法常采用变压器或光耦合器电路。CAN总线接口电路如图3-29所示，通过采用两个光耦合器件6N137，对接收和发送数据分别进行隔离。

图3-29 CAN总线接口电路

（4）滤波设计 传导骚扰可以通过电源线、信号线、互连线等导线，以及屏蔽体、接地导体等进行传播。通常采用信号线滤波器和电源线滤波器切断线缆耦合途径。电动汽车充电系统的充电模块电路是低的源阻抗和高的负载阻抗，因此选取LC型滤波器结构，如图3-30所示。由于功率模块的输入端有差模干扰，因此加装共模扼流圈，如图3-31所示。

除了上述干扰以外，CAN总线也是充电系统电磁干扰源之一。CAN总线由总线电缆控制器、收发器和终端电阻组成。目前汽车上的网络连接方式主要采用两条CAN总线，一条用于驱动系统的高速CAN，速率一般可达500kbit/s，最高可达1Mbit/s；另一条用于车身系统的低速CAN，速率为100kbit/s。

图3-30 充电模块滤波设计

一般情况下，CAN总线正常工作时，总线上会产生较大的传导干扰，产生传导干扰的环节有：开关电源、伺服系统、控制器，而更大的则是由大功率电力电子设备产生的瞬态干扰。例如，瞬态改变时产生的电快脉冲群骚扰、雷电或大功率开关在电缆上产生的浪涌、静电放电感应等。它的特点是时间短，幅值大，功率小。传导干扰以共模形式居多，也有部分为差模干扰。CAN数据总线系统由一系列的网络节点通过总线相互连接组成，如图3-32所示。总线可看做是接收和发射电磁能量的天线，充当能量耦合的环节，网络节点既是骚扰源又是被骚扰对象。由此可知，影响CAN数据总线系统EMC的两个要素是线束的EMC耦合和网络节点的EMC。其中线束的EMC耦合因数与CAN数据总线系统的EMC评价标准的制定有关，网络节点的EMC则是整个CAN数据总线系统EMC的直接度量标准。

图3-31 电源模块滤波设计

多能源管理系统中线缆为传导干扰传播的一个重要途径，所以线缆也成为多能源管理系统电磁骚扰的一个源。

计算线缆的辐射强度时，将其等效为单极天线，其辐射强度为

E=12.6×10^-7fIL/r （3-6）

式中，E为电场强度的大小（V/m）；f为电流的频率（MHz）；L为电缆的长度（m）；I为通过线缆的电流（mA）；r为测试点到电流环路的距离（m）。

图3-32 CAN数据总线系统