沿高壓屏蔽電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo)測(cè)試方法解析

付國(guó)良，孫志穎，覃寶山，王嘉靖

（1. 廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434；2. 中汽研汽車檢驗(yàn)中心（廣州）有限公司，廣州 511340）

引言

區(qū)別于傳統(tǒng)車輛，新能源車輛在啟動(dòng)、行駛、充電等過程中可能伴隨著高壓動(dòng)力線纜上的電壓波動(dòng)，這類電壓波動(dòng)峰峰值較高且能量較大，可能影響連接到高壓動(dòng)力線纜上的其它電器部件的正常工作，對(duì)車輛的功能性和安全性造成威脅。2020年5月發(fā)布的ISO 7637-4:2020《道路車輛 由傳導(dǎo)和耦合引起的電騷擾 第4部分：沿屏蔽高壓電源線的電瞬態(tài)傳導(dǎo)》對(duì)車載高壓電氣系統(tǒng)的沿高壓屏蔽電源線的電瞬態(tài)發(fā)射和電瞬態(tài)傳導(dǎo)抗擾度的考核方法做出了明確規(guī)定。

ISO 7637-4:2020規(guī)定了車載電氣設(shè)備沿高壓屏蔽電源線的電瞬態(tài)發(fā)射和電瞬態(tài)抗擾度的測(cè)試方法以及限值等級(jí)，適用于電壓范圍在大于60 V（DC）且小于1 500 V（DC）內(nèi)的車載電氣系統(tǒng)高壓屏蔽電源線電瞬態(tài)傳導(dǎo)的測(cè)試。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的測(cè)試方法對(duì)所有類型的電動(dòng)汽車均適用。

1 典型脈沖

電氣驅(qū)動(dòng)道路車輛為滿足其電氣結(jié)構(gòu)、苛刻的使用環(huán)境的要求，而設(shè)置了較高的安規(guī)要求，其動(dòng)力線纜特別是高壓電纜會(huì)進(jìn)行屏蔽處理，并且電氣驅(qū)動(dòng)道路車輛電氣系統(tǒng)中存在大量的功率轉(zhuǎn)換模塊[1]，而這些轉(zhuǎn)換都有可能會(huì)對(duì)連接在動(dòng)力網(wǎng)中的的其他高壓模塊造成影響。例如，車載電氣設(shè)備高壓電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的半導(dǎo)體高頻工作的開關(guān)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)電磁干擾，其產(chǎn)生的騷擾以傳導(dǎo)和輻射兩種形式通過與之相連的線纜向外進(jìn)行傳播，從而影響了其他高壓部件的正常工作[2,3]。

ISO 7637-4:2020對(duì)高壓直流模塊的兩種典型脈沖：正弦波脈沖騷擾（脈沖A）和低頻正弦波騷擾（脈沖B）進(jìn)行了闡述。正弦波脈沖騷擾（脈沖A）和低頻正弦波騷擾（脈沖B）脈沖波形見圖1、圖2。在抗擾度測(cè)試中，脈沖A表示高壓半導(dǎo)體的開關(guān)操作產(chǎn)生的振鈴，用于模擬高頻率的振蕩（例如開關(guān)快速通斷）；脈沖B表示由電驅(qū)動(dòng)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)以及電網(wǎng)諧波產(chǎn)生的正弦波，且大部分能量存在于低頻諧波成分中，因此用于測(cè)量受試設(shè)備DUT的瞬態(tài)電壓抗擾性。高壓電源線上的正弦波脈沖騷擾是由方波信號(hào)的過沖引起的波動(dòng)信號(hào)，例如由高壓電氣系統(tǒng)中的開關(guān)IGBT與電機(jī)系統(tǒng)的寄生電容和電感的相互作用、DC-DC變換器以及任何其他種類的高壓開關(guān)/換向系統(tǒng)引起。高壓電源線上的正弦波脈沖騷擾既可以是共模，也可以是差模。

圖1 脈沖A波形

圖2 脈沖B波形

對(duì)比歷次草案稿[4]和正式發(fā)布的版本可以看出，草案中的脈沖B和脈沖C在進(jìn)行傅里葉變換后可以得到脈沖A，因此在最終發(fā)布版中，將草案中的脈沖B和脈沖C分別修改為脈沖A和脈沖B，而將草案稿中的脈沖A刪除。

2 試驗(yàn)設(shè)備及測(cè)試要求

1）參考接地平板：應(yīng)采用至少0.5 mm厚的銅板、黃銅板或鍍鋅鋼板。接地平板的最小寬度應(yīng)為1 000 mm，或比整個(gè)布置寬度（不包括電源和瞬態(tài)脈沖發(fā)生器）的兩邊大200 mm，兩種情況取其大者。最小長(zhǎng)度應(yīng)為2 000 mm，或比整個(gè)布置長(zhǎng)度（不包括電源和瞬態(tài)脈沖發(fā)生器）的兩邊大200 mm，兩種情況取其大者。建議DUT與所有其他導(dǎo)電結(jié)構(gòu)（例如屏蔽室的壁面）之間的最小距離需大于0.5 m。

2）屏蔽的高壓電源人工網(wǎng)絡(luò)HV-AN：5 μH、50 Ω高壓人工網(wǎng)絡(luò)。

3）高壓電源：最大噪聲紋波UPP不大于標(biāo)稱電壓的1.5 %。

4）電源負(fù)載（電阻器并聯(lián)電容器）：電阻器R=500 Ω±5 %、電容器C=10 μF±10 %，10 kHz時(shí)的等效串聯(lián)電阻ESR＜5 mΩ，最小電流承載能力要求為10 kHz時(shí)為50 A（RMS）。

5）示波器：帶寬至少為400 MHz，采樣率至少為2 GHz/s（單次觸發(fā)模式）。

6）差分探頭：帶寬要求DC～100 MHz，輸入阻抗要求直流時(shí)Z≥1 MΩ。

7）電壓探頭：帶寬要求DC～200 MHz，輸入阻抗要求直流時(shí)Z≥1 MΩ；電容≤110 pF，衰減為100:1。

8）脈沖發(fā)生器：

正弦波脈沖騷擾發(fā)生器（脈沖A）：頻率范圍1～10 MHz，輸出功率應(yīng)達(dá)到試驗(yàn)要求（100 VPP時(shí)25 W，300 VPP時(shí)225 W）。圖3給出了脈沖正弦波騷擾發(fā)生器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 脈沖正弦波騷擾發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖

低頻正弦波騷擾發(fā)生器（脈沖B）：頻率范圍3～300 kHz，如果不能實(shí)現(xiàn)線性或?qū)?shù)掃描，則脈沖發(fā)生器應(yīng)能每十倍頻產(chǎn)生產(chǎn)生幾個(gè)頻率，每個(gè)頻率的脈沖持續(xù)時(shí)間應(yīng)至少為2 s；電壓能力要求：3～250 kHz時(shí)為30 V（RMS），250～300 kHz時(shí)為20 V（RMS），電流能力要求為16 A（RMS）。

9）平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器及耦合變壓器：

在正弦波脈沖騷擾抗擾度線對(duì)線試驗(yàn)不平衡模式到平衡模式轉(zhuǎn)換時(shí)，可能需要在信號(hào)發(fā)生器輸出端連接平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器（巴倫），需滿足ANSI C37.90.1:2012附錄D的要求。

在進(jìn)行低頻正弦波騷擾抗擾度試驗(yàn)時(shí)，可使用耦合變壓器將騷擾信號(hào)耦合至DUT，并將低頻信號(hào)發(fā)生器與DUT之間的直流成分進(jìn)行隔離，耦合變壓器應(yīng)符合頻率范圍使用要求，頻率范圍為3～300 kHz。

測(cè)試時(shí)應(yīng)考慮DUT的各種工作模式和工作條件，DUT應(yīng)在典型工況下運(yùn)行，該工況會(huì)在測(cè)量過程中產(chǎn)生最大的騷擾，并且具有最大的敏感性。這是每個(gè)測(cè)試和頻率階躍的最壞情況。運(yùn)行工況應(yīng)與車輛制造商和供應(yīng)商之間達(dá)成一致。

所有試驗(yàn)應(yīng)在HV+和HV-間、HV+與地之間、HV-與地之間分別進(jìn)行測(cè)量。

3 測(cè)試方法

3.1 沿高壓電源線的電壓瞬態(tài)發(fā)射試驗(yàn)

3.1.1 測(cè)試示意圖

圖4給出了高壓線正極與高壓線負(fù)極之間的沿高壓電源線的電壓瞬態(tài)發(fā)射測(cè)試示意圖；圖5給出了高壓線正極與地之間的沿高壓電源線的電壓瞬態(tài)發(fā)射測(cè)試示意圖；圖6給出了高壓線負(fù)極與地之間的沿高壓屏蔽電源線的電瞬態(tài)發(fā)射的測(cè)試示意圖。

圖4 HV+與HV-之間的沿高壓電源線的電壓瞬態(tài)發(fā)射測(cè)試示意圖

圖5 HV+與地之間的沿高壓電源線的電壓瞬態(tài)發(fā)射測(cè)試示意圖

圖6 HV-與地之間的沿高壓電源線的電壓瞬態(tài)發(fā)射測(cè)試示意圖

3.1.2 試驗(yàn)要求

測(cè)試時(shí)，要使用屏蔽的高壓人工網(wǎng)絡(luò)，DUT通過人工網(wǎng)絡(luò)連接到高壓電源。DUT和所有連接線置于接地平板上方（50±5）mm處的非導(dǎo)電、低相對(duì)介電常數(shù)）（r≤1.4）的材料上。高壓電源線的長(zhǎng)度建議為（500+200/0）mm。DUT應(yīng) 通 過 車 輛 上原裝長(zhǎng)度和直徑的線束連接至接地平板，如果測(cè)試計(jì)劃中未另行指定，則默認(rèn)長(zhǎng)度為（200±50）mm。采用金屬外殼的DUT應(yīng)接地，接地直流電阻不應(yīng)超過2.5 mΩ。

測(cè)試時(shí)應(yīng)在電源端子處使用電壓探頭和示波器或波形采集設(shè)備在靠近待測(cè)端子的位置測(cè)量電源電壓UN和干擾電壓。電壓幅值、瞬態(tài)參數(shù)（上升時(shí)間、下降時(shí)間、瞬態(tài)持續(xù)時(shí)間）等應(yīng)進(jìn)行記錄。

3.2 沿高壓電源線的電壓瞬態(tài)抗擾度試驗(yàn)

3.2.1 正弦波脈沖騷擾（脈沖A）

圖7為脈沖A差模（線對(duì)線）測(cè)試示意圖。圖8給出了脈沖A共模（高壓線正極與地之間）測(cè)試示意圖。對(duì)于線束（高壓線正極或高壓線負(fù)極）和地之間的耦合，信號(hào)發(fā)生器的一端應(yīng)通過屏蔽的高壓人工網(wǎng)絡(luò)與高壓線正極或高壓線負(fù)極連接，另一端應(yīng)接地。差分探頭的一個(gè)端子與高壓線正極或高壓線負(fù)極連接，另一個(gè)端子則需接地。對(duì)試驗(yàn)線束的要求與瞬態(tài)發(fā)射試驗(yàn)一致。

圖7 脈沖A差模（線對(duì)線）測(cè)試示意圖

圖8 脈沖A共模（高壓線正極與地之間）測(cè)試示意圖

圖9給出了脈沖A差模測(cè)試（線對(duì)線）設(shè)備校準(zhǔn)示意圖；圖10給出了脈沖A共模測(cè)試（線對(duì)地）設(shè)備校準(zhǔn)示意圖。

圖9 脈沖A差模測(cè)試設(shè)備校準(zhǔn)示意圖

圖10 脈沖A 共模測(cè)試設(shè)備校準(zhǔn)示意圖

3.2.2 脈沖B

圖11為脈沖B差模（線對(duì)線）測(cè)試示意圖。圖12為脈沖B共模（高壓線正極與地之間）測(cè)試示意圖。對(duì)于高壓線正極或高壓線負(fù)極和地之間的耦合，耦合變壓器的一端應(yīng)連接到高壓線正極或高壓線負(fù)極，另一端應(yīng)通過電容器接地。相應(yīng)地，電壓探頭的一個(gè)端子需連接到高壓線正極或高壓線負(fù)極，另一個(gè)端子則需接地。

圖11 脈沖B差模（線對(duì)線）測(cè)試示意圖

圖12 脈沖B共模（高壓線正極與地之間）測(cè)試示意圖

應(yīng)在高壓電源線上并聯(lián)一個(gè)容值≥100μF的電容器。選用的測(cè)量耦合的脈沖電流的電流監(jiān)測(cè)設(shè)備，不可用于測(cè)量EUT電流。對(duì)試驗(yàn)線束的要求與瞬態(tài)發(fā)射試驗(yàn)一致。

對(duì)于高壓線正極和高壓線負(fù)極之間的耦合，示波器和高壓探頭連接在高壓線正極和高壓線負(fù)極之間；對(duì)于高壓線正極或高壓線負(fù)極和地之間的耦合，示波器和高壓探頭一端與高壓線正極或高壓線負(fù)極相連，另一端接地。

4 試驗(yàn)等級(jí)

4.1 高壓電源線的電壓瞬態(tài)發(fā)射試驗(yàn)限值

依據(jù)所選試驗(yàn)脈沖A/B嚴(yán)酷等級(jí)來判定發(fā)射限值。

4.2 沿高壓電源線的電壓瞬態(tài)抗擾度試驗(yàn)等級(jí)

表1和表2分別給出了脈沖A和脈沖B的嚴(yán)酷等級(jí)。

表1 脈沖A的抗擾度試驗(yàn)參數(shù)

表2 脈沖B的抗擾度試驗(yàn)參數(shù)

5 結(jié)語(yǔ)

ISO 7637-4:2020標(biāo)準(zhǔn)中給出的脈沖A和脈沖B為典型脈沖波形，在車輛實(shí)際運(yùn)行過程中還會(huì)產(chǎn)生各種其他形式的瞬態(tài)脈沖波形。另外，新能源汽車的核心部件，例如電池包、DC/DC、電驅(qū)動(dòng)等,這些部件的高壓瞬態(tài)干擾及抗干擾能力對(duì)于整車的功能性和安全性都具有重要意義[5]。ISO 7637-4 正式版本于2020年5月發(fā)布，國(guó)內(nèi)對(duì)于該標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)測(cè)分析尚不充足，下一步有待開展實(shí)車高壓電源線的電瞬態(tài)脈沖波形采集與特征提取，并搭建平臺(tái)驗(yàn)證。