Addressing EMC Challenges in Electric Vehicle Supply Equipment

Hwee Yng Yeo, Keysight Technologies, Santa Rosa, Calif.

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在全球范围内，电动汽车充电设备(EVSE)数量在过去三年里翻了一番。2020年的最后一次统计显示，全球有140万个¹充电站。这个市场将在2026年超过140亿美元，在未来五年内的年均增长率为36%。这一势头是由各个市场不断增长的需求所推动的，而激励汽车消费者转向电动交通和推动零排放目标的政策则是其基础。

美国在电动汽车(EV)的应用方面落后于中国和欧洲，拜登政府于6月公布了两党基础设施框架²，以帮助汽车制造商提高电动汽车的产量。计划包括为公共充电基础设施增加75亿美元投资，目标是到2030年增加50万个电动车充电设施。在这个复杂的电动车生态系统的消费者端，电动车司机希望在任何一个充电站充电，就像给燃油汽车加油一样快捷。

EVSE供应商当然有动力来满足这个市场需求，但同时需要解决一些新的技术挑战：安全、性能和电动汽车与充电桩之间的互操作性。随着人们对更快和更高功率充电的期望，需要在越来越多的汽车型号和EVSE供应商中确保安全和性能。其中一个关键领域是确保EVSE的电磁兼容性(EMC)：EVSE与要充电的车辆和现代生活中的大量电子设备的电磁兼容。随着越来越多的充电站在城市中涌现，特别是在居民区和学校附近，EMC标准正在不断发展，以保护公众。对于EVSE制造商来说，需要确保他们的产品符合这些标准并具备安全性和可靠性。

在讨论电动车充电环境中的电磁干扰(EMI)的影响以及为什么EMC一致性测试如此重要之前，让我们来定义两个常见的缩写词:

·         EMI：使电子或电气设备性能下降的电磁干扰。

·         EMC：电气和电子系统及设备在其预定的电磁环境中运行而不会因电磁干扰而出现不可接受的退化的能力。

为什么EMC测试如此重要？

在使用充电站时，充电站会产生由电磁波引起的辐射，还可能产生来自电线中的电压和电流的传导辐射。这种电磁干扰可能会破坏其他机电设备和无线通信的正常运作，并可能对人们的健康造成威胁。随着互联自动驾驶技术和电动汽车的融合，至关重要的是，对EVSE进行测试，以确定和纠正对车载安全和通信系统的任何干扰。

在一项有趣的研究中，³ 来自慕尼黑工业大学(TUM)的研究人员测量了电动汽车和EVSE的电磁场以及对心脏病患者体内起搏器的影响。在大电流充电时，沿着充电电缆检测到的最大电磁场是116.5μT。电动车车厢内的场强较低：2.1至3.6μT。幸运的是，研究发现心脏起搏器的功能没有变化；然而，随着电动汽车和EVSE技术的不断发展，TUM的研究人员建议这些病人在车外时要小心，例如在使用高电流的2级(240V)和3级(400V)充电站附近充电时。

多项EMC标准

EVSE制造商在向市场发布产品之前必须满足几个EMC法规要求和认证。例如，欧洲IEC 61000 EMC标准规定了对有害干扰提供合理保护。这是解决电动汽车充电基础设施产品的EMI问题的指令。在美国，EMC合规性由联邦通信委员会监管。A类限值涵盖商业、商务和工业环境，而B类，即更严格的类别，涵盖住宅区的EVSE(表1)。在加拿大，ICES-003第5条标准要求在公众接触区域运营的电动汽车充电站必须符合B类标准。如果一个充电站没有B级认证，它必须提供一个警示标签，提醒用户它周围的磁场可能有问题。

其他关键的充电和EMC规范和标准包括：

·         IEC 61851-21——这是一个EMC产品标准，规定了道路充电系统的发射和免干扰限值(即最低测试水平)。

·         IEC/CISPR 11, EN 55011——涵盖了与9kHz至400GHz频率范围内的射频干扰有关的辐射要求。

·         TL 81000——涵盖了机动车中电子器件的EMC要求。

测量EMC符合性

确保EVSE满足安全和性能要求需要有全面的符合性测试流程和可靠的测试和测量设备，使工程师能够定义、调试和规避EMI的原因和影响。除了EVSE电路，用户界面，如触摸屏、显示器和无线通信接口，如用于非接触式支付的接口，必须针对传导和辐射发射进行全面测试。为了满足这些不断发展的一致性标准和法规，EVSE制造商必须在规划其设计、开发和生产周期时，计划其测试能力和处理日益增长的测试复杂性的能力(图1)。

图1 一个EMC测试实验室的能力。来源：Keysight EMC测试实验室。⁵

在当今竞争激烈的电动车市场，EVSE制造商必须迅速适应，以测试各种电动车，确保他们的充电产品符合必要的标准，而这些标准在世界各地都是不同的。在许多情况下，EVSE制造商无法获得关于电动汽车制造商如何实施其控制器或是否符合已发布标准的详细信息。出于这个原因，一个整体的符合性测试需要一个"合成"装置，它可以模拟充电站的真实环境，在适当的规范内运行，并提供适当的缺陷检测和分析手段。这种真实世界的模拟测试环境提供了进一步的优势：

·         在测试实验室中不需要真正的电动汽车：仿真器模拟了不同电动车型号。

·         充电时间不受限制，因为使用的是电子负载而不是容量有限的电池。

·         测试可以完全自动化，这对重复测试和大量测试特别有用，如生产线末端测试。

在这种模拟环境中进行EMC测试的一个关键因素是，测试设备本身是否有适当的屏蔽，以便为EMC符合性和认证测试提供必要的"无偏差"测量。

图2所示的EMC测试架构显示了一个经过EMC优化的仿真器——Keysight Scienlab Charging Discovery System (CDS)，它在这个用例中被配置为测试EVSE的电动汽车。仿真器和被测EVSE(DUT)都在一个暗室中，用于电动汽车充电基础设施的EMC抗扰度和发射测试，如直流快充站或交流或直流充电。

图2 用于EVSE的EMC测试装置。来源：Keysight Scienlab CDS.⁶

由于特殊的EMC屏蔽设计和内置的低噪音器件，仿真器的发射被降低到最低限度。可以在没有环境干扰的情况下，在真实的充电条件下对EVSE进行EMC测试。由于仿真器对外部电磁场有抗干扰能力，所以在抗扰度测试期间，它可以被放置在靠近EVSE的地方。

前景展望

在更快和更高功率的充电以及电动汽车融合自动驾驶功能等市场驱动力的推动下，EMC测试的需求在未来几年可能会增长。虽然新的一致性标准和法规可能会给EVSE制造商带来挑战，但它们却为提供EMC测试和认证服务的公司带来了机会。这种合作方式对行业来说是双赢的，使EVSE制造商能够专注于开发和部署安全、可靠的充电基础设施，为未来零排放交通建设做出贡献。

参考文献

1.    C. McKerracher, “EV Charging Data Shows a Widely Divergent Global Path,” Bloomberg, March 2021, Web. www.bloomberg.com/news/articles/2021-03-23/ev-charging-data-shows-a-widely-divergent-global-path.

2.    “FACT SHEET: President Biden Announces Support for the Bipartisan Infrastructure Framework,” The White House, June 2021, Web. www.whitehouse.gov/briefing-room/statements-releases/2021/06/24/fact-sheet-president-biden-announces-support-for-the-bipartisan-infrastructure-framework/.

3.    “Electric cars: No restrictions for patients with pacemakers and defibrillators,” Technical University of Munich, June 2018, Web. www.tum.de/en/global/international-locations/san-francisco-news/news-detail/article/34776/.

4.    “EMC Regulations,” LearnEMC, Web. https://learnemc.com/emc-regulations-and-standards.

5.    “Regulatory Test Test Lab, Böblingen Germany,” Keysight Technologies, Web. www.keysight.com/us/en/products/services/test-as-a-service-taas/emc-test-lab.html.

6.    “SL 1040A Series Scienlab Charging Discovery System (CDS),” Keysight Technologies, Web. www.keysight.com/us/en/products/hev-ev-grid-emulators-and-test-systems/sl1040a-series-scienlab-charging-discovery-system.html.