如何最大限度地降低鋰電池系統中的EMI

2025 年 5 月 24 日

潘李博士

湖北大學理學博士，中南大學材料科學與工程博士後。長期從事高性能電極材料、防爆電池、低溫電池等領域的研究，具備紮實的科學研究基礎和豐富的實務經驗。

最大限度地減少電磁幹擾 (EMI) 鋰電池系統對於提升效能和安全性至關重要。 EMI 會幹擾電纜和連接器等重要組件，可能導致系統故障。透過實施接地、屏蔽、優化 PCB 佈局以及使用濾波技術等策略，可以顯著提高鋰電池系統的可靠性。此外，採用無線通訊有助於降低 EMI，並提高每次充電的續航里程。

關鍵要點

採用良好的接地方法，確保幹擾訊號有清晰的路徑。這可以降低幹擾，確保系統更好地運作。
添加屏蔽裝置（例如法拉第籠或屏蔽線）以消除噪音。這可以確保零件安全並符合行業規範。
設計PCB佈局時，電源線和訊號線之間應留有足夠的空間。這可以減少干擾，確保鋰電池系統正常運作。

第 1 部分：了解 EMI 和鋰電池系統

1.1 什麼是電磁幹擾（EMI）？

電磁幹擾是指電磁波對電子設備效能造成的干擾。它主要有兩種形式：傳導 EMI 和輻射 EMI。傳導 EMI 源自於導體之間的直接接觸，而輻射 EMI 則透過感應傳播，無需物理接觸。在較低頻率下，幹擾主要透過傳導方式產生，而在較高頻率下，則會導致輻射干擾。

為了更好地理解 EMI，請考慮以下分類：

幹擾類型	產品說明
允許幹擾	不會造成有害影響。
可接受的干擾	已確認但仍可能影響設備性能。
有害幹擾	對設備運作造成不利影響。

了解這些類型有助於您有效識別和解決鋰電池系統中的 EMI 問題。

1.2 為什麼 EMI 在鋰電池系統中如此重要

由於電池管理系統 (BMS) 和其他電子元件的敏感性，EMI 與鋰電池系統密切相關。電磁幹擾會破壞組件之間的通訊或導致故障，從而危及這些系統的運作安全。

解決EMI問題對於確保電磁相容性和維護系統可靠性至關重要。抑制輻射、削弱傳播路徑、增強電路抗干擾能力是至關重要的策略。屏蔽、濾波和接地等技術在減輕幹擾和確保安全性能方面發揮著至關重要的作用。

1.3 電池應用中的關鍵 EMI 挑戰

鋰電池系統面臨與EMI相關的獨特挑戰。 BMS中的高頻開關會產生嚴重的干擾，而緊湊的設計和密集的元件佈局則加劇了這個問題。環境因素（例如附近的射頻源）會進一步加劇EMI問題。

為了克服這些挑戰，您可以實施諸如板載EMI濾波器、射頻墊片等屏蔽材料以及優化PCB佈局等解決方案。這些措施可以增強電磁相容性並減少干擾，從而確保鋰電池系統的穩定性和效率。

第二部分：鋰電池系統電磁幹擾的原因

2.1 電池管理系統（BMS）中的高頻開關

電池管理系統 (BMS) 中的高頻開關是電磁幹擾的主要來源之一。 BMS 中電力電子裝置的快速開關會產生電壓和電流漣波，這會導致損耗增加並縮短組件壽命。這些漣波效應也會引發與傳導電磁幹擾相關的挑戰，影響系統的電磁相容性 (EMC)。

此外，高頻開關會造成電壓和電流瞬變。這些瞬變可能導致破壞性的過壓情況，損害組件的完整性和整體 EMC 性能。例如：

電壓和電流漣波會降低系統效率並縮短組件的使用壽命。
開關引起的瞬變可能導致嚴重的過電壓，尤其是當電池組中的接觸器突然打開時。
電池組本身可能會產生危險的瞬變，進一步加劇幹擾問題。

為了減輕這些影響，您應該考慮實施先進的濾波技術並優化開關頻率。這些措施有助於抑制雜訊並提高系統的抗干擾能力。

2.2 緊湊的設計和密集的元件佈局

鋰電池系統設計趨向緊湊、元件密集排列，這為電磁幹擾管理帶來了新的挑戰。隨著設備尺寸越來越小，元件之間的距離也越來越近，這可能導致電磁場意外耦合。這種耦合通常會導致更高水平的傳導電磁幹擾和輻射雜訊。

在緊密安裝的系統中，組件之間缺乏物理隔離，導致幹擾更容易傳播。例如，印刷電路板 (PCB) 上的電源和訊號走線可能會無意中充當天線，放大幹擾。此外，空間的縮小限制了屏蔽措施的有效性，使得敏感組件與雜訊源的隔離更加困難。

為了應對這些挑戰，您應該專注於優化 PCB 佈局。諸如分離高功率和低功率電路、最小化環路面積以及使用接地層等技術可以顯著降低幹擾。此外，採用射頻墊片等屏蔽措施有助於抑制電磁輻射並保護敏感元件。

2.3 導致 EMI 的環境因素

環境因素在鋰電池系統中電磁幹擾的產生和傳播中扮演重要角色。外部幹擾源，例如附近的射頻 (RF) 發射器，可能會引入輻射干擾，從而乾擾敏感組件的運作。同樣，來自工業設備或電力線的環境雜訊也會加劇傳導電磁幹擾。

溫度波動和濕度水平也會影響屏蔽措施和其他EMI緩解技術的性能。例如，高溫會使屏蔽材料性能下降，隨著時間的推移，其有效性會降低。濕度會導致凝露，可能形成非預期的導電路徑，增加干擾風險。

為了最大限度地減少環境因素的影響，您應該實施強大的屏蔽措施並確保正確接地。使用能夠承受惡劣環境條件的材料將增強EMI緩解策略的耐用性和有效性。此外，在實際條件下定期進行系統測試有助於識別和解決潛在的漏洞。

第三部分：減少電磁幹擾的實用方法

3.1 降低EMI的接地技術

有效的接地技術在抑制鋰電池系統中的電磁幹擾方面發揮關鍵作用。接地為幹擾訊號提供了一條低電阻路徑，確保它們安全消散，而不會影響系統性能。您可以實施諸如單點接地（可最大程度減少接地迴路）或多點接地（適用於高頻應用）等策略。

為了增強接地效果：

在 PCB 設計中使用接地層來降低阻抗並提高訊號完整性。
確保金屬部件之間正確連接以消除電位差。
避免接地路徑急彎，因為它們會充當天線並放大干擾。

接地技術在電動車電源系統中尤其重要，因為高頻開關和緊湊設計會增加電磁幹擾 (EMI) 風險。優先採用可靠的接地措施，可顯著減少電磁幹擾並提高系統可靠性。

3.2 屏蔽以盡量減少外部和內部幹擾

電磁屏蔽是抑制電磁幹擾最有效的方法之一。屏蔽材料可以阻擋或吸收電磁噪聲，防止其與敏感元件耦合。您可以使用法拉第籠、屏蔽電纜和導電外殼等技術來減輕外部和內部幹擾。

屏蔽技術	產品說明
法拉第籠	由導電材料製成的可阻擋電磁場的外殼。
屏蔽電纜	帶有金屬編織或箔包裹的電纜可防止電磁雜訊耦合。
外殼屏蔽	使用銅、鋁和鋼等材料阻擋外部 EMI 的導電外殼。
接地和固定	確保不需要的訊號通過低電阻路徑消散，從而減少電位差。
電磁干擾濾波器	阻擋高頻噪聲，同時允許電源和訊號通過。
射頻吸收器	吸收電磁波並將其轉化為熱的材料。
墊片和塗層	透過密封金屬外殼的開口來增強屏蔽效果。
PCB屏蔽	使用接地層和屏蔽罐等技術來保護 PCB 上的敏感電路。

在屏蔽材料中添加碳纖維或金屬纖維等填充物可以增強其有效性。對於汽車應用，屏蔽效能等級通常在 40 dB 至 80 dB 之間，取決於標準。透過採用這些技術，您可以抑制電磁幹擾並確保符合業界標準。

3.3 針對EMI和鋰電池系統優化PCB佈局

PCB佈局優化對於減少鋰電池系統中的電磁幹擾至關重要。不良的PCB設計會導致電磁場意外耦合，進而放大幹擾。您可以遵循以下設計指南來最大限度地降低EMI：

使用地面填充網格改善接地並減少噪音傳播。
策略性地放置鐵氧體磁珠來抑制高頻噪音。
保持電源和訊號走線之間的適當分離以防止耦合。
有效率地佈置返迴路徑以最小化環路面積。

這些策略已通過統計結果驗證，證明能夠顯著降低EMI。例如，高效率的迴路佈線可以顯著減少輻射，而適當的元件隔離則可以最大限度地減少傳導幹擾。透過優化PCB佈局，可增強電磁相容性，並提升鋰電池系統的效能。

3.4 使用濾波器和電容器抑制噪音

濾波器和電容器是抑制鋰電池系統中電磁幹擾的重要工具。接地雜訊濾波器可降低傳導線路發射，確保電子控制設備的可靠性。電容器，尤其是 Y 型電容器，在降低各頻段輻射 EMI 方面發揮關鍵作用。

測試表明，濾波器性能會隨阻抗和負載變化，凸顯了其對不同電氣條件的適應性。例如：

在 30 MHz 時，電容超過 86 pF 的 Y 電容器可確保插入損耗低於 1。
在 167 MHz 時，電容超過 30 pF 的 Y 電容器可達到類似的性能。

頻率（MHz）	電容要求（pF）	電感要求 (nH)
30	> 86	<327
167	> 30	<30

濾波元件的選擇對於有效抑制EMI至關重要。透過在實際條件下評估濾波器技術，您可以確保其在瞬態電流下的可靠性，並優化降噪效果。

3.5 為電池系統選擇符合 EMI 標準的組件

選擇符合EMI標準的組件對於確保系統可靠性和符合業界標準至關重要。組件必須滿足特定的輻射和抗擾度要求，這取決於地區和應用。

區域/標記	排放要求	需要免疫	允許自我聲明	值得注意的說明
FCC（美國）	可以	沒有	是的，僅限於第 15B 部分輻射和傳導發射	重點關注輻射和傳導發射。無需進行抗擾度測試。
CE（歐盟）	可以	可以	可以	要求根據 EMC 指令採用協調的 EN 標準進行發射和抗擾度測試。
UKCA（英國）	可以	可以	可以	技術要求與CE標準一致。文件和聲明流程分開。
加拿大教育部	可以	沒有	是（經過認可的實驗室測試）	需要通過 ISO 17025 認證實驗室的排放測試。無需進行抗擾度測試。
VCCI（日本）	可以	沒有	是（註冊後）	適用於IT和數位設備。僅關注排放。自願性，但已被廣泛遵循。