1.2.5 电池管理系统EMC问题

电池管理系统（BMS）具有以下功能：对电池的电压、温度、工作电流、电池电量等一系列电池相关参数进行实时监测或计算；根据环境状态、电池状态等相关参数对电池的充电或放电进行管理；单体电池间均衡功能。BMS硬件的拓扑结构分为集中式和分布式两种。集中式BMS是将所有功能集中在一个控制器里面，比较适合电池包容量比较小的场合。分布式BMS将主控板和从控板分开，有时把低压和高压的部分分开，以增加系统配置的灵活性，适用于不同容量、不同规格形式的模组和电池包。

BMS硬件电路主要包括主控芯片及其接口电路、电池参数采集模块、故障电路、均衡电路、接触器安全保护电路、通信电路等。随着对电池参数采集实时性和安全性的要求不断提高，对BMS硬件电路EMC设计提出了更高的要求。

BMS的PCB高速数字芯片内部晶体管的快速通断会产生同步开关噪声（SSN），导致电源完整性问题。与VCU电源完整性设计类似，有效抑制SSN的方法是在集成电路外部添加去耦电容，以满足电源分配网络（PDN）目标阻抗的需求。对目前的电动汽车BMS控制器，PCB添加合适的去耦电容被认为是高效、性价比高的方法。

串扰是BMS PCB面临的另一个非常严峻的问题，高速数据线和时钟产生的窄带干扰通过PCB走线间的互容和互感耦合到邻近的信号线上，造成信号线的信号失真、畸变。高速数据线传输速度越快，串扰和反射影响越大，阻抗匹配越来越重要。有文献提出用匹配端接电阻以减少反射信号的过冲和下冲电压以及电磁噪声的过程。有文献介绍了一种无源均衡器结构，这种结构可以减少16Gbit/s高速数据传输过程中产生的反射和串扰问题。有文献研究了电源线中的同步开关噪声对信号线产生的串扰问题，并通过设计带通滤波器减小信号线串扰噪声电压值。有文献针对时钟信号产生的窄带干扰对其他邻近信号电路产生的干扰，设计了屏蔽磁环结构和接地方式。有文献研究了平行信号线串扰干扰对车载调频收音机的影响，通过对比不同结构的地平面分割，抑制信号线的串扰电压。这些文献通过设计屏蔽结构、降低信号线回流路径阻抗来减小信号线反射和串扰效应。还可以通过在PCB下方紧贴一块导电平面的方法，抑制由同步开关噪声引起的差模环天线和共模双基天线辐射效应。多层导电平面对共模电流和差模电流的抑制方法研究十分重要。

另外，时钟电路和DC-DC模块是PCB的主要电磁干扰源。时钟周期性脉冲信号引起的电场强度谐振尖峰如图1-8所示。前期，许多学者对车载低压电子控制器EMI抑制开展了研究。有文献采用随机脉宽调制和扩频时钟调制的方法来抑制DC-DC模块MOSFET产生的EMI，然而这种方法效果有限，还需要其他吸收电路或者滤波电路来辅助抑制EMI。有文献分别提出了共模扼流圈吸收电路和旁路电容滤波电路减少EMI的方法。有文献设计了一种屏蔽环安装在PCB功率开关的周围，吸收功率开关产生的漏电流。还可以通过优化PCB上元件的布局，减少干扰的耦合路径。

图1-8 时钟周期性脉冲信号引起的电场强度谐振尖峰

目前，电动汽车BMS控制器普遍应用CAN网络进行通信。有文献研究了传统CAN总线控制器线束辐射发射，研究了屏蔽双绞CAN线的屏蔽效能和接地方式。有文献研究了CAN接点连接方式与CAN信号反射效应的关系，提出了一种降低反射的方法。有文献研究了电快速瞬变噪声对CAN收发器的影响，表明端口阻抗对称性是CAN收发器抑制共模噪声的重要因素。

本书首先提出一种BMS硬件PCB电源分配网络去耦电容选择方法；通过分析时钟信号的频谱特性和电磁干扰耦合路径，提出抑制时钟电磁干扰的方法；分析MOSFET产生的开关噪声频谱特性和耦合路径，设计开关噪声滤波器；通过仿真分析CAN总线反射特性，提出CAN总线电路抗干扰设计方法。最后，利用SIwave软件，对电动汽车BMS PCB电磁辐射进行仿真预测。