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BMS抗电磁干扰的方法分享

作者:币游 发布时间:2020-08-10 16:34 点击数:

  BMS所处整车电磁环境比较复杂,由驱动电机、DC/AC逆变回路、AC/DC整流回路、DC/DC等组成的动力系统在工作时电压/电流高、功率大、开关频率高,形成较强的电磁干扰,可能会影响BMS的正常工作。例如,导致采集的电池电压、电流出现错误。

  12V低压系统的开关、继电器、直流电机等电感性器件在通断时会产生较大的~1ms左右瞬变电压,幅值可达-100V。瞬变电压的耦合方式为传导耦合,通过共用电源耦合到其他电子系统。另外,各种控制器等部件的主芯片、时钟电路、触发电路、数据线、信号线等在工作时,会产生频段覆盖150kHz-2.5GHz的电磁干扰。其他一些电器,例如:有刷直流电机、机械式电喇叭、点火系统等工作时产生的电火花也可能形成频谱很宽的辐射噪声。

  高压动力系统工作时,电机控制器和直流变化器的开关器件IGBT、功率二极管工作在高速开关状态,形成很高的du/dt和di/dt,产生较强的电磁干扰,并以传到和辐射方式影响BMS正常工作。

  下图是BMS硬件电路示意图,电路主要包括:电源模块、传感器模块、保护模块、MCU模块和通信模块等。此外,BMS由于散热、线束连接等需要,其外壳不可避免留有各种孔隙,外部或内部的电磁能量通过这些孔隙能够耦合进或辐射出壳体,影响电磁兼容性。BMS的电路板上有晶振、DSP芯片等大量电磁干扰器件,这增加了外壳的电磁泄露。对于采用金属铝制外壳的BMS,电磁干扰对BMS的耦合途径包括:车内低频瞬态和各种干扰以共模或差模干扰的形式直接通过BMS电源线耦合进BMS,而车内各种辐射干扰把能量耦合在BMS的连接线束,形成共模干扰电流后耦合进BMS。

  根据BMS外部的电磁干扰源和耦合机理,可以在BMS的电路设计、PCB设计和结构设计等方面采取EMC设计。通常,重点需要注意的部分包括:电源电路、敏感小信号采集电路、PCB元件布局和布线、PCB的EMC仿真分析和软件滤波技术等。

  BMS电源线V铅酸电池、DC/DC低压输出端、电机控制器低压电源端并联,并与其他车用电气设备共用电源,DC/DC和其他用电设备产生的低频瞬态和高频干扰、共模干扰通过电源耦合进BMS。通常可以考虑采取的措施:加入瞬态电压抑制器TVS,抑制电源输入中的瞬态干扰、提供ESD(静电放电)防护;采用大电流磁珠抑制电源输入中的高频干扰、同时抑制BMS内部向外发射高频干扰;构筑共模滤波器过滤电源输入中的共模噪声和谐波干扰;构成LC滤波电路滤除电源输入中的差模干扰。

  BMS内的另外一个电源是5V电源,该电源稳定性和抗干扰性直接影响信号采集准确度和稳定性。例如,采用LC 型差模滤波电路可以过滤电源线的差模干扰,一定程度上也可以抑制BMS板内可能传导到外部的差模干扰。

  模拟电源可以为BMS模拟采集运放电路提供稳定的电源。例如,在具有正负输出电压的单端反激型开关稳压电路中,工作基频的选择需要避开传导和辐射抗扰度等较敏感的频率段。

  电池电流信号属于mV级弱信号。例如,采用Mn-Cu精密分流器作为传感器时,信号幅度小,容易干扰,造成采集的电流不准,这种情况可以考虑在BMS输入端采用共模抑制电感和电容对采集的信号进行共模滤波处理。

  每个引脚采用串联磁珠和并联去耦电容,过滤外部高频干扰的传导耦合。磁珠和电容的选择既要有效过滤高频干扰,又要考虑引脚信号的电平变化速度和电流大小,综合考虑电容值大小、封装形式和寄生参数,引脚需要选用不同的磁珠和旁路电容。

  通常BMS四层电路板中,中间两层为电源层和接地层,顶层和底层为信号层。电源层分为5V数字电源、12V和15V模拟电源,按照功能将接地层隔离开,为模拟电路、数字电路和大电流功率输出电路设置单独的地,重点是减小信号采集电路走线长度。还可以使用EMC仿真软件对PCB进行建模仿真,进行优化。采用铝制外壳的BMS,PCB四周进行覆铜,并良好接地,也可以获得较好的屏蔽效果。

  除了硬件的ECM措施之外,还可以采用一阶滞后滤波等常见软件滤波方法,可有效消除采集数据过程中的瞬间脉冲干扰、随机干扰,让信号更加平滑,防止瞬间异常数据出现。


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