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          氫燃料電池系統電磁兼容性能提升解決方案及實踐

          日期:2022-05-10 13:59
          瀏覽次數:34
          摘要: 氫燃料電池汽車相比純電動車和燃油車在替代燃料與零排放方面具有無可比擬的優勢。近兩年,國內對于氫能和燃料電池汽車的關注度極大的提升,目前已發布多個工作規劃,系統推進氫燃料電池汽車的研發與生產。氫燃料電池作為車內的電氣部件,與氫燃料電池汽車的續駛里程、安全性 息息相關,車企同樣會要求其EMC性能,如何進行EMC設計,成為了氫燃料電池電氣工程師必須考慮的問題。 1、 氫燃料電池系統分析 燃料電池系統與傳統車相比,主要特點是零部件比較多且整體布置復雜緊湊,...

                 氫燃料電池汽車相比純電動車和燃油車在替代燃料與零排放方面具有無可比擬的優勢。近兩年,國內對于氫能和燃料電池汽車的關注度極大的提升,目前已發布多個工作規劃,系統推進氫燃料電池汽車的研發與生產。氫燃料電池作為車內的電氣部件,與氫燃料電池汽車的續駛里程、安全性  息息相關,車企同樣會要求其EMC性能,如何進行EMC設計,成為了氫燃料電池電氣工程師必須考慮的問題。


          1、 氫燃料電池系統分析


                燃料電池系統與傳統車相比,主要特點是零部件比較多且整體布置復雜緊湊,為了使得系統中各零部件互不干擾,盡量在零部件設計源頭上就要充分做好相應的電磁兼容措施。當電磁干擾產生時,首先排除干擾源來自哪里,然后分析接地、濾波、屏蔽等是否可以優化以及是否能將干擾隔離等,其次再考慮被   干擾設備抗擾能力。




          1.1 大功率DC/DC類開關部件


                 燃料電池系統內含高壓DC/AC和高壓DC/DC轉換器,以及動力控制單元FCU內的DC/DC轉換器,IGBT功率管的高速切換導致高速變化的電壓(dv/dt)和電流(di/dt)以及浪涌電流和尖峰電壓,這會引起大量的輻射干擾。另外功率開關管開通和關斷瞬間,由于分布電感和分布電容的存在,電感電流容易發生高頻振蕩,系統內控制單元內部的時鐘晶振頻率也會產生高頻噪聲,這些因素都會產生強大的電磁干擾,這種電磁干擾處理不好會嚴重影響整車控制器與CAN通信,導致CAN通訊頻繁報錯,無法正常通訊。


          1.2 空壓機、水泵、氫循環泵等電機、電控類零部件


                   直流電機換向器的電流換向時會引起電流瞬間的大幅波動,產生強烈的電磁干擾。高頻干擾噪聲沿著電源線傳播,影響其他設備正常工作,形成傳導干擾。一定長度的電源線存在天線效應,能量通過線纜發射到周圍空間,形成輻射發射,對周邊電磁敏感設備造成影響。同時電機有線圈繞組,呈現感性,電機開啟與關停會引起電流突變,在感性線路中會產生劇烈的電壓脈沖,這種瞬間電壓突變會影響某些敏感器件正常工作,甚至具有破壞性。


          1.3 FCU、CVM等控制類以及組合閥、背壓閥等閥類零部件


                   控制器內都是采用單片機為核心的處理電路,處理各種數字電路,這些電路均工作于開關狀態或者利用脈沖寬度調制(PWM)進行控制,這種數字脈沖電壓和電流中包含了許多高次諧波干擾,這種干擾會通過空間或者公共電源或者公共地干擾其他設備。

                  零部件是干擾源,但干擾信號也會通過與零部件相連的電纜線束直接耦合傳導或者通過空間耦合發射出來,此時,線束作為天線。系統設備使用的低壓供電線束為非屏蔽線束,非屏蔽線會導致干擾通過電源線和信號線(雖然信號線屏蔽但其兩端未接地,且無法實施整根信號線屏蔽,并無屏蔽效果)向外耦合。高壓屏蔽線也不能實現360°可靠接地且接地阻抗較大,導致本該起屏蔽效果的屏蔽線成為驅動天線,且對外通過空間耦合方式產生輻射干擾。


          2、案例分析


                  某氫燃料電池系統進行輻射發射測試,產品狀態為:低壓DC24V,高壓DC450V,不涉氫,系統處于點火狀態,上位機通過CAN光隔與產品進行連接監控,燃料電池系統不發電;測試方法依據參考GB/T 18655-2010,測試限值采用GB/T 18655-2010等級3要求。測試數據結果發現:在低頻段,峰值與平均值為寬頻帶鼓起,無單個頻點突起,數據特點呈現寬帶噪聲;在高頻段(主要矛盾),峰值與平均值超出限值為固定頻率,單個頻點突起,數據特點呈現窄帶噪聲。超標數量:0.1MHz~2500MHz超出限值,低頻超標較為嚴重,*大超標三十多dB。


          0.15~30MHz

          30~200MHz

          200~1000MHz

          1000~2500MHz

          3、整改措施

          3.1 整改分析
                 通過頻譜儀以及輻射天線的有效長度,判斷出24V電源線(包含使能線)帶出很強的干擾,結合減少濾波器的方針,針對0.15-30MHz,選擇在靠近燃料系統端加低壓濾波器,并且使所有24V電源線通過此濾波器。1-30MHz有顯著改善,但10MHz左右依舊超標,通過簡單的頻譜分析儀測量,發現燃料系統和DC/AC之間的通訊線導致10MHz超標,采用磁環增加阻抗,降低該頻點的輻射量。

                 0.15-1MHz采用低壓濾波器仍沒有較大改善。初步排查實驗室高壓電源底噪遠遠滿足要求后,*后鎖定在高壓輸入線上,分析判斷出干擾是由DC/AC耦合到高壓輸入線上,*終導致0.15-1MHz嚴重超標。由于干擾在低頻段,即選擇在靠近DC/AC端剝開屏蔽層加上針對該頻段的高壓濾波器,并且使濾波器外殼和屏蔽層盡可能完整連接。
              
                  低壓濾波器對30-200MHz和1000-2500MHz頻段也起到了有效的干擾抑制,但仍有倍頻點超標。通過現場試驗確認,*終鎖定FCU帶出來的倍頻干擾。關掉與此次測試非相關的功能,只留下與燃料系統相關功能,30-200MHz和1000-25000MHz的倍頻點超標問題得以解決。

          3.2 性能提升方案
                   在FCU DC/DC輸入端加上103X電容,從源頭減少流入24V電源線上的干擾,使得1-30MHZ測試余量進一步改善。

                  200-1000MHz,總體趨勢在限值以下且余量充足。但倍頻點超標點嚴重,尤其375MHz等頻點,進一步分析過程如下:低壓不上電,且CAN通訊關閉。高壓上電,只要拔掉燃料系統和DC/AC通訊線的接插件,測試結果就可以滿足要求,由此把帶出干擾的天線鎖定在此通訊線上。處理措施如下:發現該接插件中只有兩根通訊線有用,其余5-7根線束并無用處(不影響燃料系統正常工作),為了避免串擾,將其余無用線束去掉,同時把剩下的兩根通訊線束雙絞。發現超標的頻點依舊存在。該通訊線加上屏蔽層,但由于無法做到整條通訊線束屏蔽且無法實現360°低阻抗接地,屏蔽效果幾乎沒有而且有可能起反作用。

                 DC/AC的PCB板串擾路徑多,綜合整改難度大,需要在該接插件端口做處理。進一步整改措施如下:基于200-1000MHz屬于高頻率段,其有效輻射天線為1/2-1/4波長,有效輻射天線長度很短,共模干擾的可能性極大。所以在緊貼接插件端口加上濾波措施即共模電感(375MHz處阻抗約為1300左右),為了增大插入耗損,5個共模電感緊密串聯。200-1000MHz頻段測試結果滿足要求,并且此時為解決10MHz低頻超標點,將纏繞的磁環取消(375MHz的5個共模電感取而代之,兼具低頻和高頻濾波作用),10MHz處結果也符合要求。自此RE所有頻段整改符合要求(3db余量)。



          3.3 整改效果
                   電磁兼容整改原則是:降低干擾源發射的能量,即降低各個零部件對外的干擾能量;切斷干擾源與敏感設備之間的耦合;提高敏感設備的抗干擾能力。

          整改后測試數據如下表所示,0.15~2500MHz全頻段都能滿足標準限值要求,達到電磁兼容準則。

          0.15~30MHz

          30~200MHz

          200~1000MHz

          1000~2500MHz

          4、總結

                   由于燃料電池發動機系統,相對于傳統零部件,其內部增加了高壓功率元件,具有高頻率、寬頻帶和大功率密度,它自身就是一個強大的電磁干擾(EMI)源, EMC問題主要有如下幾個特點:DC-DC和DC-AC轉換器作為工作于開關狀態的能量轉換裝置,產生的干擾強度較大;干擾源主要集中在功率開關器件以及與之相連的鋁基板和高頻變壓器;由于DC-DC和DC-AC轉換器與其它電子電路相連緊湊,部件內部同時含有高壓低壓電路,內部的電磁環境更加復雜,產生的EMI很容易造成不佳影響。嚴重時會導致周圍的電子設備功能紊亂,使通信系統傳輸數據錯誤、出現異常的停機和報警等,造成不可彌補的后果,采取濾波、接地、屏蔽等有效措施,可以解決產品后期電磁兼容問題,提高產品性能。

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