1.2.5 電池管理系統EMC問題

電池管理系統（BMS）具有以下功能：對電池的電壓、溫度、工作電流、電池電量等一系列電池相關參數進行實時監測或計算；根據環境狀態、電池狀態等相關參數對電池的充電或放電進行管理；單體電池間均衡功能。BMS硬件的拓撲結構分為集中式和分布式兩種。集中式BMS是將所有功能集中在一個控制器里面，比較適合電池包容量比較小的場合。分布式BMS將主控板和從控板分開，有時把低壓和高壓的部分分開，以增加系統配置的靈活性，適用于不同容量、不同規格形式的模組和電池包。

BMS硬件電路主要包括主控芯片及其接口電路、電池參數采集模塊、故障電路、均衡電路、接觸器安全保護電路、通信電路等。隨著對電池參數采集實時性和安全性的要求不斷提高，對BMS硬件電路EMC設計提出了更高的要求。

BMS的PCB高速數字芯片內部晶體管的快速通斷會產生同步開關噪聲（SSN），導致電源完整性問題。與VCU電源完整性設計類似，有效抑制SSN的方法是在集成電路外部添加去耦電容，以滿足電源分配網絡（PDN）目標阻抗的需求。對目前的電動汽車BMS控制器，PCB添加合適的去耦電容被認為是高效、性價比高的方法。

串擾是BMS PCB面臨的另一個非常嚴峻的問題，高速數據線和時鐘產生的窄帶干擾通過PCB走線間的互容和互感耦合到鄰近的信號線上，造成信號線的信號失真、畸變。高速數據線傳輸速度越快，串擾和反射影響越大，阻抗匹配越來越重要。有文獻提出用匹配端接電阻以減少反射信號的過沖和下沖電壓以及電磁噪聲的過程。有文獻介紹了一種無源均衡器結構，這種結構可以減少16Gbit/s高速數據傳輸過程中產生的反射和串擾問題。有文獻研究了電源線中的同步開關噪聲對信號線產生的串擾問題，并通過設計帶通濾波器減小信號線串擾噪聲電壓值。有文獻針對時鐘信號產生的窄帶干擾對其他鄰近信號電路產生的干擾，設計了屏蔽磁環結構和接地方式。有文獻研究了平行信號線串擾干擾對車載調頻收音機的影響，通過對比不同結構的地平面分割，抑制信號線的串擾電壓。這些文獻通過設計屏蔽結構、降低信號線回流路徑阻抗來減小信號線反射和串擾效應。還可以通過在PCB下方緊貼一塊導電平面的方法，抑制由同步開關噪聲引起的差模環天線和共模雙基天線輻射效應。多層導電平面對共模電流和差模電流的抑制方法研究十分重要。

另外，時鐘電路和DC-DC模塊是PCB的主要電磁干擾源。時鐘周期性脈沖信號引起的電場強度諧振尖峰如圖1-8所示。前期，許多學者對車載低壓電子控制器EMI抑制開展了研究。有文獻采用隨機脈寬調制和擴頻時鐘調制的方法來抑制DC-DC模塊MOSFET產生的EMI，然而這種方法效果有限，還需要其他吸收電路或者濾波電路來輔助抑制EMI。有文獻分別提出了共模扼流圈吸收電路和旁路電容濾波電路減少EMI的方法。有文獻設計了一種屏蔽環安裝在PCB功率開關的周圍，吸收功率開關產生的漏電流。還可以通過優化PCB上元件的布局，減少干擾的耦合路徑。

圖1-8 時鐘周期性脈沖信號引起的電場強度諧振尖峰

目前，電動汽車BMS控制器普遍應用CAN網絡進行通信。有文獻研究了傳統CAN總線控制器線束輻射發射，研究了屏蔽雙絞CAN線的屏蔽效能和接地方式。有文獻研究了CAN接點連接方式與CAN信號反射效應的關系，提出了一種降低反射的方法。有文獻研究了電快速瞬變噪聲對CAN收發器的影響，表明端口阻抗對稱性是CAN收發器抑制共模噪聲的重要因素。

本書首先提出一種BMS硬件PCB電源分配網絡去耦電容選擇方法；通過分析時鐘信號的頻譜特性和電磁干擾耦合路徑，提出抑制時鐘電磁干擾的方法；分析MOSFET產生的開關噪聲頻譜特性和耦合路徑，設計開關噪聲濾波器；通過仿真分析CAN總線反射特性，提出CAN總線電路抗干擾設計方法。最后，利用SIwave軟件，對電動汽車BMS PCB電磁輻射進行仿真預測。