CN105140571B - 一种具有高电磁兼容性能的锂离子电池组系统 - Google Patents

一种具有高电磁兼容性能的锂离子电池组系统 Download PDF

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Abstract

一种具有高电磁兼容性能的锂离子电池组系统，包含系统外框、若干电池模块、LECU组件、BMU组件、高压线束、低压线束、通讯线束和模块采样线束。高压线束采用多层结构，并与低压线束采取垂直布线方式，增强了系统射频抗干扰的能力，在低压接插件处安置磁环，既增强了系统传导抗干扰和抗大电流注入的能力，又可以减小系统内部高频噪声通过低压线束对外的传导发射，通讯线束采用双绞连接方式，既增强了系统射频抗干扰的能力，又减小了高频噪声对外的辐射发射，BMU组件中的PCB板金属外壳密封方式及接地方式，增强了PCB板射频抗干扰的能力及系统传导抗干扰的能力。

Description

一种具有高电磁兼容性能的锂离子电池组系统
技术领域
本发明涉及电动汽车用锂离子电池系统领域，尤其涉及一种具有高电磁兼容性能的锂离子电池组系统。
背景技术
电磁兼容性能EMC是指设备在电磁环境中正常工作的能力。在电力系统中，当电路的电压、电流在极短时间内急速变化时，会使设备所处的外部环境发生复杂变化，从而产生电磁干扰。
电池组系统是电动汽车内的一个重要零部件，具备良好电磁兼容性能的电池组系统不仅可以保证该系统在整车内部电磁环境下能够正常工作，还避免了该系统对整车内其他电子设备产生电磁干扰，大大提高了电动汽车的可靠性和安全性。
目前，整车相关电气设备电磁干扰的测试方法和限值要求已有相应国际标准，例如IEC CISPR25-2008，在此基础上，各企业根据自身要求对电磁干扰的限值重新规定，生成企业标准。一般情况下，电磁兼容性能的相关测试分为抗干扰类测试和干扰发射类测试，分别用射频抗干扰-半电波暗室法、大电流注入法以及传导抗干扰测试对系统抗干扰性能进行评估；用辐射发射、传导发射-电压法、传导发射-电流法以及瞬态传导发射测试对系统发射的噪声值进行评定，以此判定系统电磁兼容性能的优劣。
目前已公开的电磁兼容性能方面的专利都着重于PCB板的布线设计方面，在专利102014602A中提出的一种提高大功率器件及大功率器件模组电磁兼容性能的设计方法，包括4个部分：单个大功率器件的PCB模块、多个大功率器件串联的PCB模块、由多个输入输出端口器件串联构成的PCB模块、输入或者输出有一端共用构成的PCB模块，利用电流回路本身构造互相抵消的多个电磁场，达到高性能EMC的目标。该专利认为PCB板很大程度上影响了整个系统的电磁兼容性能，但对PCB板进行整改需要耗费很高的成本，况且有些系统内部的PCB板已经定型，难以进行较大的改动，无法通过改动PCB板来提高电磁兼容性能。
发明内容
本发明提供一种具有高电磁兼容性能的锂离子电池组系统，通过优化这些零部件的结构排布设计和电气连接方式来改善整个系统的电磁兼容性，工艺操作便利，可靠性高。
为了达到上述目的，本发明提供一种具有高电磁兼容性能的锂离子电池组系统，包含：
系统外框；
若干电池模块，其设置在系统外框内；
LECU组件，其固定设置在系统外框内；
BMU组件，其固定设置在系统外框内；
高压线束，其串联若干电池模块，该高压线束通过高压接插件与系统外框相连；
低压线束，其连接BMU组件，并通过低压接插件与系统外框相连；
通讯线束，其分别连接每一个电池模块和LECU组件，并分别连接每一个连接电池模块和BMU组件；
模块采样线束，其分别连接每一个电池模块和LECU组件；
所述的BMU组件包含：
PCB板支架，其与系统外框固定；
PCB板金属外壳，其连接PCB板支架，该PCB板金属外壳包含金属上盖和金属下盖，金属下盖连接PCB板支架，金属上盖和金属下盖采用带有粘性的铜箔进行密封；
PCB板，其设置在PCB板金属外壳内，该PCB板的地线与PCB板金属外壳固定；
所述的高压线束包含：
线芯；
绝缘层，其包覆线芯；
屏蔽层，其包覆绝缘层，该屏蔽层通过高压接插件与系统外框相连，屏蔽层与系统外框电导通；
外绝缘层，其包覆屏蔽层；
所述的低压线束上设置磁环，该磁环的位置位于系统外框内，并靠近低压接插件处，磁环紧紧包裹所有低压线束；
所述的高压线束、低压线束和模块采样线束采用垂直布线方式，遵循以下布线原则：
1、使高压线束与低压线束保持垂直的走线方式；
2、使高压线束和低压线束之间的距离≥300mm；
3、减小低压线束及模块采样线束的回路面积；
所述的通讯线束采用双绞方式连接。
每个电池模块包含若干串联或者并联的单体电池。
所述的PCB板支架通过螺栓与系统外框固定。
所述的PCB板的地线通过螺栓与PCB板金属外壳固定。
所述的PCB板金属外壳采用铝材质，PCB板金属外壳不加绝缘层。
所述的铜箔的厚度为1um~50um。
所述的屏蔽层采用铜网材料。
所述的磁环选用铁氧体Mn－Zn作为材料，磁环的内径与低压线束的外径匹配，以使磁环紧包低压线束。
本发明具有以下有益效果：
1、高压线束采用多层结构，并与低压线束采取垂直布线方式，增强了系统射频抗干扰的能力；
2、在低压接插件处安置磁环，既增强了系统传导抗干扰和抗大电流注入的能力，又可以减小系统内部高频噪声通过低压线束对外的传导发射；
3、CAN通讯线的双绞连接方式，既增强了系统射频抗干扰的能力，又减小了高频噪声对外的辐射发射；
4、PCB板金属外壳密封方式及接地方式，增强了PCB板射频抗干扰的能力及系统传导抗干扰的能力。
附图说明
图1是本发明提供的一种具有高电磁兼容性能的锂离子电池组系统的结构示意图和线束连接示意图。
图2是本发明中电池管理单元的结构示意图。
图3是本发明中高压线束的剖面图。
具体实施方式
以下根据图1～图3，具体说明本发明的较佳实施例。
如图1所示，本发明提供一种具有高电磁兼容性能的锂离子电池组系统，包含：
系统外框1；
若干电池模块8，其设置在系统外框1内，每个电池模块8包含若干串联或者并联的单体电池；
LECU （本地电控单元，Local Electric Control Unit）组件2，其固定设置在系统外框1内；
BMU（电池管理单元，Battery Management Unit）组件3，其固定设置在系统外框1内；
高压线束4，其串联若干电池模块8，该高压线束4通过高压接插件9与系统外框1相连；
低压线束5，其连接BMU组件3，并通过低压接插件10与系统外框1相连；
通讯线束6，其分别连接每一个电池模块8和LECU组件2，并分别连接每一个连接电池模块8和BMU组件3；
模块采样线束7，其分别连接每一个电池模块8和LECU组件2，该模块采样线束7采集电池模块8中每个单体电池的电压，并将该电压信号传递至LECU 组件2。
如图2所示，所述的BMU组件3包含：
PCB板支架32，其通过螺栓与系统外框1固定；
PCB板金属外壳31，其连接PCB板支架32，该PCB板金属外壳31包含金属上盖31-1和金属下盖31-2，金属下盖31-2连接PCB板支架32，金属上盖31-1和金属下盖31-2采用带有粘性的铜箔33进行密封；
PCB板21，其设置在PCB板金属外壳31内，该PCB板21的地线通过螺栓与PCB板金属外壳31固定。
所述的PCB板金属外壳31采用铝材质，外壳不加绝缘层，在金属上盖31-1和金属下盖31-2的接缝处采用具有粘结性能的铜箔33进行密封，铜箔33的厚度为1um~50um。在电池组系统工作时，系统内部空间有着复杂的电磁环境，所以对PCB板的屏蔽措施尤为重要，铝作为常用的金属材料，对空间的电磁干扰有着良好的屏蔽作用，铝壳不加绝缘层加强了屏蔽效果，在上下盖接缝处用铜箔密封则是为了避免在安装时因材料的形变造成的缝隙导致密封不良的现象，该密封方式主要增强了PCB板射频抗干扰的能力。
PCB板21的地线通过螺栓与PCB板金属外壳31固定，PCB板金属外壳31与PCB板支架32相连，PCB板支架32与系统外框1采用固定螺栓相连，保证PCB板21与系统金属外框1处于同一接地状态，该接地方式相当于增大PCB板的接地平面，减小了地线的阻抗，可以有效抑制因为地阻抗过高导致PCB板内部出现差模干扰，增强了系统传导抗干扰的能力，系统的金属外框也有利于屏蔽系统外的电磁干扰。
所述的LECU组件2与BMU组件3的装配方式相同。
如图3所示，所述的高压线束4包含：
线芯44；
绝缘层43，其包覆线芯44；
屏蔽层42，其包覆绝缘层43，该屏蔽层42通过高压接插件9与系统外框1相连，屏蔽层42与系统外框1电导通；
外绝缘层41，其包覆屏蔽层42。
所述的高压线束4采用多层结构，其中屏蔽层42采用铜网材料，该铜网通过高压接插件9与系统外框1相连，其目的在于通过屏蔽层有效隔离外界高频噪声导入系统内部，铜网连接系统外框增大了屏蔽层面积，增强了系统射频抗干扰的能力。
所述的低压线束5上设置磁环51，该磁环51的位置位于系统外框1内，并靠近低压接插件10处，磁环51紧紧包裹所有低压线束5。
所述的磁环51选用铁氧体Mn－Zn作为材料，根据低压线束5的粗细选择与之匹配的磁环51，注意磁环内径必须紧包线束，避免漏磁。由于磁环能对高频噪声产生高阻抗，而对低频信号阻抗很小，故对高频干扰有着良好的抑制作用，既增强了系统传导抗干扰和抗大电流注入的能力，又可以减小系统内部高频噪声通过低压线束对外的传导发射。
所述的高压线束4、低压线束5和模块采样线束7采用垂直布线方式，遵循以下布线原则：
1、尽量使高压线束4与低压线束5保持垂直的走线方式；
2、使高压线束4和低压线束5保持较大的空间距离，当平行走线时，使高压线束4和低压线束5之间的距离≥300mm；
3、减小低压线束5及模块采样线束7的回路面积。
由于电池组系统的特殊性，在工作时高压线束上有较大的交变电流，根据电磁感应定律，该变化的电流在低压线束及模块采样线束构成的低压回路中产生磁场的变化，从而在低压线束中产生感应电流，影响低压线束本身的功能，而垂直的布线方式、足够的空间距离以及减小低压线束回路面积，都能有效的改善高压线束的交变电流对低压回路的干扰，增强了系统内部的射频抗干扰能力。
所述的通讯线束6采用双绞方式连接。
CAN通讯线束6为各电池模块8对应LECU组件2与BMU组件3连接的通讯线，该通讯线的CANL和CANH采用双绞方式连接。CAN总线为高频信号线，会对外界产生电磁波，采用双绞连接可以使CANL和CANH对外的电磁干扰互相抵消，并在CAN总线受到外界干扰时，外界噪声对CANL和CANH的影响近似相等，不影响其本身的差分信号，双绞方式连接既增强了系统射频抗干扰的能力，又减小了高频噪声对外的辐射发射。
将本发明提供的一种具有高电磁兼容性能的锂离子电池组系统与未经处理的原始的锂离子电池组系统分别进行如下测试：
射频抗干扰测试-半电波暗室法：
使电池组系统处于正常工作状态，测试线束长度为1700mm，在线束中心正前方放置发射天线，在频段范围200 MHz到3000MHz内对测试线束射频干扰。
射频抗干扰测试-大电流注入法：
使电池组系统处于正常工作状态，系统的所有线束都置于注入钳内，在频段范围1MHz到400MHz内，注入钳分别置于距系统150mm，450mm，750mm的位置注入100mA的电流调制波形进行测试。
辐射发射：
使电池组系统处于正常工作状态，测试线束长度为1700mm，在规定的距离内，用不同的天线在频段范围0.15MHz到2500MHz测量辐射噪声值。
传导发射-电压法：
使电池组系统处于正常工作状态，低压接插件10与人工网络间线束长度为200mm，在频段范围0.15MHz到108MHz范围内，测量系统低压供电线传导出的噪声值。
传导发射-电流法：
使电池组系统处于正常工作状态，所有线束除电源线及地线都应放到测试探头中，在距离低压接插件10长度为50mm、750mm的位置测试传导出的噪声值。
上述试验结果表明：
在射频抗干扰-半电波暗室法试验中，未经处理的系统绝缘采样功能受到影响，绝缘采样误差最大偏离实际值50%；本发明提供的一种具有高电磁兼容性能的锂离子电池组系统所有功能未受到影响。
在射频抗干扰测试-大电流注入法试验中，未经处理的系统在频段范围280MHz到300MHz内，系统单体电压采样功能出现异常，偏离实际值4%；本发明提供的一种具有高电磁兼容性能的锂离子电池组系统所有功能未受到影响。
在辐射发射试验中，未经处理的系统在30MHz到200MHz频段范围内，噪声峰值和平均值分别超出IEC CISPR25-2008标准中CLASS 3的限值约1db和9db，本发明提供的一种具有高电磁兼容性能的锂离子电池组系统仅在噪声平均值上超出CLASS 3对应限值2db；
在传导发射-电压法试验中，未经处理的系统在20MHz到100MHz频段范围内，每隔0.5M出现峰值噪声尖峰，最高达到57db，无法达到IEC CISPR25-2008标准中要求的CLASS3；本发明提供的一种具有高电磁兼容性能的锂离子电池组系统的噪声尖峰消失，可达到CLASS 3；
在传导发射-电流法试验中，未经处理的系统在30MHz-40MHz 频段范围内，平均值噪声最高达到10db，无法达到IEC CISPR25-2008标准中要求的CLASS 3，本发明提供的一种具有高电磁兼容性能的锂离子电池组系统可达到CLASS 3；
根据试验结果可得：本发明提供的一种具有高电磁兼容性能的锂离子电池组系统的电磁兼容性能得到了明显改善。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种具有高电磁兼容性能的锂离子电池组系统，其特征在于，包含：
系统外框（1）；
若干电池模块（8），其设置在系统外框（1）内；
LECU组件（2），其固定设置在系统外框（1）内；
BMU组件（3），其固定设置在系统外框（1）内；
高压线束（4），其串联若干电池模块（8），该高压线束（4）通过高压接插件（9）与系统外框（1）相连；
低压线束（5），其连接BMU组件（3），并通过低压接插件（10）与系统外框（1）相连；
通讯线束（6），其分别连接每一个电池模块（8）和LECU组件（2），并分别连接每一个连接电池模块（8）和BMU组件（3）；
模块采样线束（7），其分别连接每一个电池模块（8）和LECU组件（2）；
所述的BMU组件（3）包含：
PCB板支架（32），其与系统外框（1）固定；
PCB板金属外壳（31），其连接PCB板支架（32），该PCB板金属外壳（31）包含金属上盖（31-1）和金属下盖（31-2），金属下盖（31-2）连接PCB板支架（32），金属上盖（31-1）和金属下盖（31-2）采用带有粘性的铜箔（33）进行密封；
PCB板（21），其设置在PCB板金属外壳（31）内，该PCB板（21）的地线与PCB板金属外壳（31）固定；
所述的高压线束（4）包含：
线芯（44）；
绝缘层（43），其包覆线芯（44）；
屏蔽层（42），其包覆绝缘层（43），该屏蔽层（42）通过高压接插件（9）与系统外框（1）相连，屏蔽层（42）与系统外框（1）电导通；
外绝缘层（41），其包覆屏蔽层（42）；
所述的低压线束（5）上设置磁环（51），该磁环（51）的位置位于系统外框（1）内，并靠近低压接插件（10）处，磁环（51）紧紧包裹所有低压线束（5）；
所述的高压线束（4）、低压线束（5）和模块采样线束（7）采用垂直布线方式，遵循以下布线原则：
A、使高压线束（4）与低压线束（5）保持垂直的走线方式；
B、使高压线束（4）和低压线束（5）之间的距离≥300mm；
C、减小低压线束（5）及模块采样线束（7）的回路面积；
所述的通讯线束（6）采用双绞方式连接。
2.如权利要求1所述的具有高电磁兼容性能的锂离子电池组系统，其特征在于，每个电池模块（8）包含若干串联或者并联的单体电池。
3.如权利要求1所述的具有高电磁兼容性能的锂离子电池组系统，其特征在于，所述的PCB板支架（32）通过螺栓与系统外框（1）固定。
4.如权利要求1所述的具有高电磁兼容性能的锂离子电池组系统，其特征在于，所述的PCB板（21）的地线通过螺栓与PCB板金属外壳（31）固定。
5.如权利要求1所述的具有高电磁兼容性能的锂离子电池组系统，其特征在于，所述的PCB板金属外壳（31）采用铝材质，PCB板金属外壳（31）不加绝缘层。
6.如权利要求1所述的具有高电磁兼容性能的锂离子电池组系统，其特征在于，所述的铜箔（33）的厚度为1um~50um。
7.如权利要求1所述的具有高电磁兼容性能的锂离子电池组系统，其特征在于，所述的屏蔽层（42）采用铜网材料。
8.如权利要求1所述的具有高电磁兼容性能的锂离子电池组系统，其特征在于，所述的磁环（51）选用铁氧体Mn－Zn作为材料，磁环（51）的内径与低压线束（5）的外径匹配，以使磁环（51）紧包低压线束（5）。
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