?BMS的电磁兼容处理

baoshijie

BMS的电磁兼容方面关注比较多，发现一些文献资料对BMS电磁兼容方面的设计参考意义比较好，整理出来供交流。

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。

1、低压/高压系统干扰

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。

2、BMS耦合干扰

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。



3、BMS抗电磁干扰方法

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。

供电电源电路

BMS电源线与12V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 π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。

敏感信号采集电路

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。

接口电路

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。

PCB设计

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。

软件滤波

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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以下是电磁兼容的一般性概念

电磁兼容（EMC，electromagnetic compatibility）包括两个方面的内容：一方面是设备能够在规定电磁环境下正常工作，即满足电磁敏感性（EMS，electromagnetic sensitivity）要求，另一方面设备本身产生的电磁干扰（EMI，electromagnetic interference）也不能干扰其他设备的工作，即需要满足电磁发射（EME，electromagnetic emission）要求。

一般的电路设计中需要考虑的电磁兼容问题：

1、器件选取

在设计中尽量少用低电平电子器件，也不盲目选择高速器件。选择高速器件的时候，在PCB设计中应该采取相应措施。

2、PCB设计

在高速数字电路中，电源与地层应尽可能靠近一平面，中间不安排布线。所有布线层都尽量靠近一平面，优先选择地平面作为隔离层。尽量为时钟信号、高频信号和敏感信号灯关键信号提供专门的布线层，保证其最小的回路面积。采取手工优先布线、屏蔽和加大安全间距等方法。电源层和底层之间的 EMC环境较差，避免布置对干扰敏感的信号。

3、原件布局

使用相同电源的原件应尽量放在一起，以便后面的电源分割。集成电路的去耦电容应尽量靠近芯片的电源教，高频最靠近原则，形成电源与地之间的最短回路。旁路电容均匀分布在集成电路四周。用于阻抗匹配的阻容器件应根据其属性合理布局。匹配电容电阻的布局要分清用法，对于多负载的终端匹配一定要放在信号的最远端进行匹配。匹配电阻布局要靠近该信号的驱动端，距离一般不超过500mil。

4、系统滤波及接地

PCB的输入电源在其输入端使用一个大容量电解电容进行容性滤波，

根据频率选10-100?F，与0.1?F电容仅靠并联。集成元件滤波应通过集成电路的VCC/GND引脚，接0.01?F电容实现，VCC/GND引脚与电容的间隔应靠近，电容引线极可能短，使寄生电容最小。至少每3个原件应有一个最小为0.001?F的电容。在并联谐振回路中，电感和电容应取一点接地，使谐振回路本身形成一个闭合回路，此时高频大电流将不通过接地面，从而抑制产生地回路干扰。

电动汽车高压、低压系统的电磁干扰源。