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氫燃料電池系統(tǒng)電磁兼容性能提升解決方案及實踐

日期:2024-10-19 08:06
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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(yōu)勢。近兩年,國內(nèi)對于氫能和燃料電池汽車的關(guān)注度極大的提升,目前已發(fā)布多個工作規(guī)劃,系統(tǒng)推進(jìn)氫燃料電池汽車的研發(fā)與生產(chǎn)。氫燃料電池作為車內(nèi)的電氣部件,與氫燃料電池汽車的續(xù)駛里程、**性 息息相關(guān),車企同樣會要求其EMC性能,如何進(jìn)行EMC設(shè)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(tǒng)分析 燃料電池系統(tǒng)與傳統(tǒng)車相比,主要特點是零部件比較多且整體布置復(fù)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(yōu)勢。近兩年,國內(nèi)對于氫能和燃料電池汽車的關(guān)注度極大的提升,目前已發(fā)布多個工作規(guī)劃,系統(tǒng)推進(jìn)氫燃料電池汽車的研發(fā)與生產(chǎn)。氫燃料電池作為車內(nèi)的電氣部件,與氫燃料電池汽車的續(xù)駛里程、**性  息息相關(guān),車企同樣會要求其EMC性能,如何進(jìn)行EMC設(shè)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(tǒng)分析


      燃料電池系統(tǒng)與傳統(tǒng)車相比,主要特點是零部件比較多且整體布置復(fù)雜緊湊,為了使得系統(tǒng)中各零部件互不干擾,盡量在零部件設(shè)計源頭上就要充分做好相應(yīng)的電磁兼容措施。當(dāng)電磁干擾產(chǎn)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(yōu)化以及是否能將干擾隔離等,其次再考慮被   干擾設(shè)備抗擾能力。




1.1 大功率DC/DC類開關(guān)部件


       燃料電池系統(tǒng)內(nèi)含高壓DC/AC和高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器,以及動力控制單元FCU內(nèi)的DC/DC轉(zhuǎn)換器,IGBT功率管的高速切換導(dǎo)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(guān)管開通和關(guān)斷瞬間,由于分布電感和分布電容的存在,電感電流容易發(fā)生高頻振蕩,系統(tǒng)內(nèi)控制單元內(nèi)部的時鐘晶振頻率也會產(chǎn)生高頻噪聲,這些因素都會產(chǎn)生強大的電磁干擾,這種電磁干擾處理不好會嚴(yán)重影響整車控制器與CAN通信,導(dǎo)致CAN通訊頻繁報錯,無法正常通訊。


1.2 空壓機、水泵、氫循環(huán)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(chǎn)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(shè)備正常工作,形成傳導(dǎo)干擾。一定長度的電源線存在天線效應(yīng),能量通過線纜發(fā)射到周圍空間,形成輻射發(fā)射,對周邊電磁敏感設(shè)備造成影響。同時電機有線圈繞組,呈現(xiàn)感性,電機開啟與關(guān)停會引起電流突變,在感性線路中會產(chǎn)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(nèi)都是采用單片機為核心的處理電路,處理各種數(shù)字電路,這些電路均工作于開關(guān)狀態(tài)或者利用脈沖寬度調(diào)制(PWM)進(jìn)行控制,這種數(shù)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(shè)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(dǎo)或者通過空間耦合發(fā)射出來,此時,線束作為天線。系統(tǒng)設(shè)備使用的低壓供電線束為非屏蔽線束,非屏蔽線會導(dǎo)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(xiàn)360°可靠接地且接地阻抗較大,導(dǎo)致本該起屏蔽效果的屏蔽線成為驅(qū)動天線,且對外通過空間耦合方式產(chǎn)生輻射干擾。


2、案例分析


        某氫燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行輻射發(fā)射測試,產(chǎn)品狀態(tài)為:低壓DC24V,高壓DC450V,不涉氫,系統(tǒng)處于點火狀態(tài),上位機通過CAN光隔與產(chǎn)品進(jìn)行連接監(jiān)控,燃料電池系統(tǒng)不發(fā)電;測試方法依據(jù)參考GB/T 18655-2010,測試限值采用GB/T 18655-2010等級3要求。測試數(shù)據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn):在低頻段,峰值與平均值為寬頻帶鼓起,無單個頻點突起,數(shù)據(jù)特點呈現(xiàn)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(shù)據(jù)特點呈現(xiàn)窄帶噪聲。超標(biāo)數(shù)量:0.1MHz~2500MHz超出限值,低頻超標(biāo)較為嚴(yán)重,*大超標(biāo)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(jié)合減少濾波器的方針,針對0.15-30MHz,選擇在靠近燃料系統(tǒng)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(biāo),通過簡單的頻譜分析儀測量,發(fā)現(xiàn)燃料系統(tǒng)和DC/AC之間的通訊線導(dǎo)致10MHz超標(biāo),采用磁環(huán)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(dǎo)致0.15-1MHz嚴(yán)重超標(biāo)。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(biāo)。通過現(xiàn)場試驗確認(rèn),*終鎖定FCU帶出來的倍頻干擾。關(guān)掉與此次測試非相關(guān)的功能,只留下與燃料系統(tǒng)相關(guān)功能,30-200MHz和1000-25000MHz的倍頻點超標(biāo)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(jìn)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(biāo)點嚴(yán)重,尤其375MHz等頻點,進(jìn)一步分析過程如下:低壓不上電,且CAN通訊關(guān)閉。高壓上電,只要拔掉燃料系統(tǒng)和DC/AC通訊線的接插件,測試結(jié)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(fā)現(xiàn)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(tǒng)正常工作),為了避免串?dāng)_,將其余無用線束去掉,同時把剩下的兩根通訊線束雙絞。發(fā)現(xiàn)超標(biāo)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(xiàn)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?dāng)_路徑多,綜合整改難度大,需要在該接插件端口做處理。進(jìn)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(lián)。200-1000MHz頻段測試結(jié)果滿足要求,并且此時為解決10MHz低頻超標(biāo)點,將纏繞的磁環(huán)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(jié)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(fā)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(shè)備之間的耦合;提高敏感設(shè)備的抗干擾能力。

整改后測試數(shù)據(jù)如下表所示,0.15~2500MHz全頻段都能滿足標(biāo)準(zhǔn)限值要求,達(dá)到電磁兼容準(zhǔn)則。

0.15~30MHz

30~200MHz

200~1000MHz

1000~2500MHz

4、總結(jié)

         由于燃料電池發(fā)動機系統(tǒng),相對于傳統(tǒng)零部件,其內(nèi)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(zhuǎn)換器作為工作于開關(guān)狀態(tài)的能量轉(zhuǎn)換裝置,產(chǎn)生的干擾強度較大;干擾源主要集中在功率開關(guān)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(zhuǎn)換器與其它電子電路相連緊湊,部件內(nèi)部同時含有高壓低壓電路,內(nèi)部的電磁環(huán)境更加復(fù)雜,產(chǎn)生的EMI很容易造成不佳影響。嚴(yán)重時會導(dǎo)致周圍的電子設(shè)備功能紊亂,使通信系統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)錯誤、出現(xiàn)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(chǎn)品后期電磁兼容問題,提高產(chǎn)品性能。

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