降低电动汽车充电基础设施测试中的电磁干扰风险

政府鼓励购车者考虑电动交通工具，并制定了一系列推动零排放目标的政策；受此影响，电动汽车的需求与日俱增，电动汽车（EV）充电站的需求也在不断增长。根据Research and Markets 的预测，全球EV 充电站市场将从2022 年的235 万个增长到 2027 年的1,460 万个，年复合增长率达到44.1%。

在EV 采用率落后于中国和欧洲的美国，《基础设施投资和就业法案》旨在帮助汽车制造商提高EV 产量。该法案包括投入75 亿美元用于公共充电基础设施建设，目标是在2030 年前增加50 万个EV 充电设施。

电动乘用车的销量远远超出了公共充电基础设施投资的数量，这为EV 充电设备（EVSE）市场留下了充足的增长空间。

全球的EVSE 投资正在呈上升趋势，这将有助于消除里程焦虑，即对抵达下一个充电站之前电量会耗尽的担忧。

充电站必须符合EMC 标准

EVSE 供应商必须解决一系列技术难题，包括安全性、性能以及EV 和EVSE 之间的互操作性。

用户希望充电的速度能够更快、功率能够更高，这就要求越来越多的车型和EVSE 厂商确保产品的安全性和性能。这其中的一个关键领域是确保EVSE 的电磁兼容性（EMC），EMC不只是针对将要充电的车辆，还要针对我们现代生活中不可或缺的大量电子器件。

随着越来越多的充电站的涌现，尤其是在住宅区和学校附近，为保护公众和行业免受伤害，EMC 标准也在不断发展。

对于EVSE 制造商而言，遵守EMC 标准有助于确保产品的安全性、性能和可靠性，同时也有利于树立市场信心，提升品牌声誉。

在深入探讨EV 充电环境中电磁干扰（EMI）的影响以及EMC 一致性测试的重要性之前，我们先来看一看这两个缩写词：

• EMI ：指导致电子或电气设备性能下降的电磁干扰

• EMC ：指电气和电子系统和器件在预期的电磁环境下运行而不会因电磁干扰而导致性能下降（到无法接受）的能力

为什么EMC 测试如此重要？

在使用过程中，充电站会产生由电磁波引起的辐射发射。当电压或电流流过电源线时，EMC还会产生传导发射。

这些电磁干扰会破坏其他机电设备和无线通信的正常运行，并可能对人们造成健康风险。随着互联自动驾驶汽车与电动汽车的融合，测试充电站对车载安全和通信系统是否存在干扰就变得至关重要。

德国慕尼黑工业大学的研究人员研究了EV 和EVSE 电磁场及其对植入了起搏器的心脏病患者的影响。在大电流充电（116.5 μT）期间，最强的电磁场出现在充电电缆沿线。EV 车厢内的场强较低，为2.1 至3.6 μT。

研究人员发现，起搏器的功能没有发生变化。但是，研究人员表示，随着EV 和EVSE 技术的发展，患者在使用强电流的2 级（240 V）和3 级（400 V）充电站周围时应当保持谨慎。

兼顾多种 EMC 标准

EVSE 制造商必须满足EMC 法规要求，并通过认证，才能将产品推向市场。

例如，欧洲IEC 61000 EMC 标准就对限值做出了规定，目的是提供合理保护，以免产生有害干扰。该指令解决了EV 充电基础设施产品的 EMI 问题。

美国的联邦通信委员会（FCC）对EMC 合规性做出了规定。A 类限值涵盖工商业环境。B 类限值更为严格，涵盖了住宅区的EVSE（见表1）。

按照加拿大ICES-003 第5 部分标准的要求，在公众活动区域运营的EV 充电站必须要符合B 类标准。如果充电站未获得B 类认证，则必须张贴警示标签，提醒用户其周围的磁场可能存在问题。此类警示不利于EVSE 供应商建立市场信心。

其他关键的充电及EMC 规范和标准包括：

• IEC 61851-21：此EMC 产品标准规定了电动道路车辆充电系统的发射和抗扰度限值（最低测试水平）。

• IEC / CISPR 11，EN 55011：CISPR 11 标准涵盖了与9 kHz 至400 GHz 频率范围内的射频干扰相关的发射要求。

• TL 81000：此标准涵盖了机动车电子元器件的电磁兼容性要求。

测量EMC 合规性

为确保EVSE 符合安全和性能标准，业界需要全面的合规性测试流程和可靠的测试测量设备。这些是测量电气噪声的原因及影响的基本要素，能够帮助工程师找到合适的方法来定义、调试和规避 EMI 原因和影响。

除了测试EVSE 的电路外，制造商还必须对用户界面的传导和辐射发射进行彻底的测试。这些界面包括触摸屏、显示屏和非接触式支付等无线通信。

为了满足不断发展的一致性标准和法规要求，EVSE 制造商在规划设计、开发和生产周期时需要将自身的测试能力以及处理复杂测试的能力（参见图2）纳入考虑。

在实验室重新创建充电站

当今的电动汽车市场竞争激烈，EVSE 制造商必须迅速做出调整才能完成各种电动汽车测试，确保其充电产品符合全球不同标准的要求。在大多数情况下，关于EV 制造商如何实施其控制器或者是否符合已经发布的标准，EVSE 制造商无法获得详细的信息。

出于这个原因，整体合规性测试需要采用一种“综合”设置，通过这种设置来仿真充电站的真实环境，在指定的技术指标内运行，还要提供适当的缺陷检测和分析方法。这种“仿真真实世界”的测试环境具有多种优势：

• 测试实验室里不需要真正的电动汽车。仿真器可以假设不同EV 车型的技术指标。

• 充电时间不受限制，因为测试采用了电子负载来代替容量有限的电池。

• 此外，测试可以完全自动化进行，这对于重复测试序列和下线测试等大量单元测试尤其有帮助。

在这种仿真环境下进行EMC 测试时，我们要考虑的一个关键因素是测试设备是否经过适当屏蔽，能够提供EMC 合规性和认证测试所需的无偏测量。

图3 所示的EMC 测试体系结构展示了一套经过EMC 优化的充电测试系统，即Keysight SL1040A-EM2 Scienlab Charging Discovery 系统（CDS）——用于EVSE 测试的EMC 系列。在图示中，CDS 充当电动汽车，用于测试EV 供电设备。

测试系统和EVSE（即本例中的被测器件(DUT)）都在消声室内运行，用于在交流或直流充电期间对EV 充电基础设施进行EMC 抗扰度和发射测试（传导或辐射）。

特别的EMC 屏蔽设计和内置低噪声元器件有助于将仿真器辐射降至最低水平。这个过程能够在不存在环境干扰的真实充电条件下对EVSE 进行EMC 测试。此外，由于测试系统不受外部电磁场影响，因此在抗扰度测试期间，它可以靠近被测器件放置。

Keysight SL1040A Scienlab Charging Discovery 系统—— EMC 系列（图4）支持交流和直流充电通信标准。

该系统支持以下标准中定义的交流充电模式：

• IEC 61851-1（PWM）

• SAE J1772（PWM）

• ISO 15118

• GB/T 18487.1（PWM）

该系统支持以下标准中定义的直流快充模式：

• DIN SPEC 70121

• ISO 15118

• GB / T 27930

• CHAdeMO

该解决方案还具有以下优势：

• 能够可靠且可以互操作地仿真具有SL1040A-EMC 的EV 充电通信控制器或具有SL1040A-EM2 的EVSE 充电通信控制器

• 能够通过Windows 控制软件或客户的自动化软件（使用CDS 远程接口）轻松配置充电协议和操作点

• 系统性能高、死区时间短的实时控制PC

• 配有接地触点弹簧的便携式屏蔽“镀锌金属”外壳

注：IPC 通常放置在EMC 消声室外。

EVSE 测试展望

未来几年，受快速充电和大功率充电等市场驱动因素影响，再加上电动交通平台上互联自动驾驶功能融合的推动，EVSE 测试的需求可能会增长。虽然新的一致性标准和法规可能会给EVSE 制造商带来挑战，但它们为提供EMC 测试和认证服务的测试机构创造了商机。

这种协作方式对行业而言具有双赢效果，使得EVSE 制造商能够集中精力开发和部署安全、可靠的充电基础设施，为在将来实现零碳足迹交通做出贡献。

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