隨著電池成組技術(shù)和底盤一體化技術(shù)的發(fā)展，包括電池包在內(nèi)的高壓零部件（尤其是800V平臺）進行電性能測試變得越來越重要，常見標(biāo)準(zhǔn)如LV 123、VW 80300、ISO 7637-4、ISO 21498-2等均可應(yīng)用于動力電池及其系統(tǒng)的測試。

此外，由于整車集成的布線工藝、高低壓耦合和復(fù)雜的寄生參數(shù)的影響，仍可能發(fā)生系統(tǒng)性功能失效和嚴(yán)重故障，比如高壓紋波噪聲過大、電源網(wǎng)絡(luò)振蕩、控制器無法正常工作等，排障變得極為困難。

2022年11月17日，由蓋世汽車主辦，上海虹橋國際中央商務(wù)區(qū)管委會、上海閔行區(qū)人民政府指導(dǎo)，上海南虹橋投資開發(fā)（集團）有限公司協(xié)辦的2022第二屆汽車動力電池論壇上，北京東方中科集成科技股份有限公司市場拓展經(jīng)理張芳杰進行了題為《動力電池包高壓動態(tài)電性能的挑戰(zhàn)與測試解決方案》的演講。

張芳杰｜北京東方中科集成科技股份有限公司 市場拓展經(jīng)理

電性能測試本身不特別，但是由于新的智能化底盤、滑板底盤、電池集成、碳化硅開關(guān)、升壓充電等高壓技術(shù)的發(fā)展趨勢下，電池包動態(tài)電性能的測試正面臨很多新的挑戰(zhàn)。東方中科推出一套全新紋波系統(tǒng)可用于動力電池包和整車的高壓動態(tài)電性能測試的解決方案：

通過在低頻段輸出更多電流，以及在高頻段給到更大的輔助電壓，以保證整個測試要求的合規(guī)性。既可針對直流母線上的紋波噪聲頻帶及幅度進行測試整改，又可針對用電網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)阻抗進行分析改善，有效地解決高壓電池包和滑板底盤的測試難題，能夠滿足各種測試場景需求。

圖片來源：東方中科

高壓電性能的測試范圍包括了所有高壓元器件，也就是與動力電池包相連接的設(shè)備，如：1、電動機及控制器；2、DC-DC變換器/車載充電機OBC；3、車載逆變器/升壓充電模塊；4、高壓空調(diào)/熱系統(tǒng)或熱泵；5、所有儲能設(shè)備（包含動力電池包）；6、變速箱；7、PDU/線束/電纜；8、混動系統(tǒng)；9、滑板底盤/線控底盤。

按照目前行業(yè)內(nèi)流行的LV 123標(biāo)準(zhǔn)，即大眾集團標(biāo)準(zhǔn)，也是最早將整個高壓電池包以及平臺納入其中的標(biāo)準(zhǔn)，國內(nèi)的主機廠很多也在引用這一套標(biāo)準(zhǔn)。LV123標(biāo)準(zhǔn)的第7節(jié)“電氣特性和高壓安全要求”中有關(guān)高壓組件的電氣特性和電氣安全要求，以及第8節(jié)“單個高壓部件的附加要求”對高壓部件的要求，并具體規(guī)定了PV測試和合規(guī)性測試的階段性電性能驗證要求，已經(jīng)覆蓋了研發(fā)、測試、上車的不同階段。

圖片來源：東方中科

挑戰(zhàn)一：高壓直流電源的電壓變化斜率要求更高。按照LV 123的標(biāo)準(zhǔn)要求，先看高壓器件的工作狀態(tài)區(qū)分：B0指的是高壓器件處于工作狀態(tài)，沒有功率要求；B1指的是高壓器件處于全運行狀態(tài)，滿足規(guī)定的性能指標(biāo)；B2指的是高壓器件處于全運行狀態(tài)，性能在工況B2允許的偏差范圍內(nèi)，當(dāng)高壓器件恢復(fù)到工況B1時，需自動滿足規(guī)定的性能指標(biāo)。B3指的是，高壓器件仍然可以工作，不會進入未定義狀態(tài)，尤其是不會引起其他高壓器件失效。B4指的是，高壓器件仍然可以工作，但可能切斷輸出，當(dāng)恢復(fù)至B3/B2/B1時，可以通過復(fù)位或者簡單人工干預(yù)以滿足規(guī)定性能。

進一步地，標(biāo)準(zhǔn)要求B3狀態(tài)下高壓直流電源的瞬態(tài)響應(yīng)需要達到250V/ms，即1000V滿量程拉載時間要控制在4ms以內(nèi)，才能滿足電池包和高壓零部件測試的規(guī)定，而傳統(tǒng)的高壓零部件測試電源的20~90V/ms響應(yīng)并不能滿足這一合規(guī)性要求。因此，給高壓動態(tài)電性能測試配置一臺高性能的高壓直流電源是十分必要，也是滿足測試規(guī)范的最基礎(chǔ)要求。

圖片來源：東方中科

挑戰(zhàn)二：高壓直流紋波測試的困難性。高壓動態(tài)電性能測試核心是直流紋波測試，而紋波騷擾的來源主要是MCU等電源電路的開關(guān)信號，對直流母線的影響會通過各種各樣的耦合、反射被進一步放大，隨著碳化硅器件在高壓零部件的汽車電源領(lǐng)域應(yīng)用增多，這部分要求肯定會進一步提升。

以ISO 21498-2的紋波測試要求為例，10Hz到1kHz的范圍內(nèi)，用12V的峰值去輸出直流紋波，1kHz-50kHz的范圍內(nèi)，則是用24V的較高輸出幅度，50 kHz -100 kHz的范圍內(nèi)，幅度和頻率同時在做對數(shù)掃描，需要連續(xù)變化。以此類推，紋波的幅度需要隨著頻率連續(xù)地進行輸出調(diào)整。

理想模型是直流電源+紋波耦合網(wǎng)絡(luò)+紋波功放，但是實際上，因為高壓電源行業(yè)的現(xiàn)狀，想用單臺高壓電源按照標(biāo)準(zhǔn)要求直接輸出信號是不可能的，業(yè)內(nèi)主推的是采用電感耦合的方式，構(gòu)成紋波耦合回路，好處在于：1、可調(diào)互感器可以控制紋波電壓或者電流的變化；2、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠性高；3、退耦電容不受直流額定電流影響。

對于300 Hz以下的測試頻段，可調(diào)互感器的紋波功率衰減雖然嚴(yán)重，但可以通過主電源DC+AC的模式進行紋波輸出；過渡到高頻紋波（＞300Hz）時，主電源恢復(fù)到純DC輸出，利用紋波耦合系統(tǒng)精確地實現(xiàn)自動連續(xù)掃頻控制，從而滿足整體的紋波測試要求。

圖片來源：東方中科

接下來是挑戰(zhàn)三：動力電池包的低阻特性需求更多的紋波功率。

因為紋波輸出的頻率越高，自身電源內(nèi)阻和耦合阻抗也會越高，內(nèi)外負載出現(xiàn)不平衡的情況，導(dǎo)致負載端的有效功率不足，紋波Vpp衰減，無法滿足合規(guī)需求。動力電池包的紋波測試實例可見，按照標(biāo)準(zhǔn)要求進行30Vpp的掃頻時，實際拉載的紋波電流高達600App，有效紋波功率在4.5 kVA以上。

動力電池包作為典型的超低動態(tài)阻抗的被測件，其直流紋波測試的注意點：由于輸入輸出兩端的阻抗匹配不斷變化，需要動態(tài)檢測輸出端情況，必須以動態(tài)的方式去監(jiān)測輸出端功率并不斷調(diào)整。低頻區(qū)間往往需要更多的電流，保證對應(yīng)電壓能夠準(zhǔn)確地推至電池包兩端；高頻區(qū)間，需要更多的紋波電壓，去抵消因為內(nèi)阻變化而導(dǎo)致的分配功率不平衡。

目前，Ametek推出了emtest RIPPLE NX低阻負載輸出系統(tǒng)，一般推薦動力電池相關(guān)的測試行業(yè)直接選擇10 kVA型號，能夠更好地解決紋波功率難題，在低頻段輸出更多的電流，在高頻段給到更大的輔助電壓，保證整個測試的合規(guī)性。對于直流主電源，考慮到動力電池包以及高壓的電驅(qū)系統(tǒng)功率的需求，emtest PowerWave大功率電池模擬器能夠?qū)崿F(xiàn)250 kVA~1 MVA的超大功率四象限的電源輸出，具備1250V/ms以上的電壓擺率要求，能夠滿足很多的測試場景。

基于這兩臺設(shè)備，可以對電驅(qū)和電池系統(tǒng)測試的場景做完整地覆蓋。未來，考慮到滑板底盤的測試場景，我們也會提供兩個通道以上的紋波輸出能力，從而將電池測試場景和動力底盤測試相結(jié)合。

圖片來源：東方中科

挑戰(zhàn)四：被測件動態(tài)阻抗曲線。這一點對于很多系統(tǒng)集成工程師都并不了解，電機控制器、高壓電池包和用電設(shè)備之間的阻抗和頻率曲線分布都有很大的區(qū)別，在部分的測試場景里還存在一些諧振頻點，可能會造成整個電源系統(tǒng)內(nèi)部的振蕩，更容易產(chǎn)生功能上的限制。尤其對于碳化硅、氮化鎵一類新的第三代半導(dǎo)體應(yīng)用與推廣之后，整個電源的電路開關(guān)特性會變得更加高頻和劇烈，100kHz以上的開關(guān)頻率會產(chǎn)生更多的高頻紋波。因此，這一方面的問題不可小覷。

另外，行業(yè)內(nèi)普遍存在的一個測試痛點是：零部件雖然通過了電性能測試，但是集成到整車上還是會出現(xiàn)各種各樣的電性能問題，使得整車上EMC的問題變得更加復(fù)雜。因此，提供被測件動態(tài)阻抗曲線也有助于測試人員后續(xù)對整車零部件去作調(diào)試。

圖片來源：東方中科

因此，對于電池包以及高壓零部件的動態(tài)狀態(tài)進行實時檢測，通過紋波掃頻輸出，即可測量高壓零部件在每個頻段上的阻抗表現(xiàn)。

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最后，總結(jié)歸納一下東方中科所提供的高壓電性能測試相關(guān)方案。針對VW 80300（2021）標(biāo)準(zhǔn)，前面的一些項目是比較常規(guī)的直流緩變測試，只需要20-40V/ms就可以滿足測試需求；越往后的測試就會變得更加復(fù)雜，從EHV-8、EHV-9開始，涉及到紋波的測試，就要在10 Hz-150kHz的范圍內(nèi)進行紋波掃描；EHV-10要求的電壓脈沖有250V/ms和3000V/ms兩種波形，測試所需設(shè)備則配套高壓實驗電源+拋負載發(fā)生器+耦合網(wǎng)絡(luò)。因此，不僅要更復(fù)雜的測試手段，還要組合式的配套設(shè)備，才能夠?qū)崿F(xiàn)整體的測試覆蓋。

東方中科以“科技無限、服務(wù)創(chuàng)新”為使命，依托中科院、東方科儀集團及國內(nèi)外知名設(shè)備廠商資源，實現(xiàn)技術(shù)協(xié)作和深度共建；專注于新能源汽車領(lǐng)域，順應(yīng)“電動化”、“智能化”、“網(wǎng)聯(lián)化”、“共享化”的新四化趨勢；緊盯行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，持續(xù)研發(fā)，不斷創(chuàng)新；圍繞“三高三智一安全”的技術(shù)方向，為行業(yè)用戶量身打造從信號級仿真測試到功率級性能測試，從零部件到系統(tǒng)級，再到整車級的“一站式”解決方案。

圖片來源：東方中科

（以上內(nèi)容來自北京東方中科集成科技股份有限公司市場拓展經(jīng)理張芳杰于2022年11月17日由蓋世汽車主辦，上海虹橋國際中央商務(wù)區(qū)管委會、上海閔行區(qū)人民政府指導(dǎo)，上海南虹橋投資開發(fā)（集團）有限公司協(xié)辦的2022第二屆汽車動力電池論壇上發(fā)表的《動力電池包高壓動態(tài)電性能的挑戰(zhàn)與測試解決方案》主題演講。）

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