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电动车辆高压元器件的直流标准和测试系统ISO 21498-2

时间：2022-10-31      阅读：4098

随着汽车行业智能化、网联化、电动化的变革，电动车辆的EMC测试，正日渐成为车辆研发测试中至关重要的领域。

作为汽车与新能源汽车 EMC 传导和辐射抗扰度测试解决方案的供应商，AMETEK CTS 的工程师对汽车行业的合规性要求有深刻的理解，我们的产品专家始终站在协助业界制定影响新一代电动汽车和自动驾驶汽车新兴标准的前沿，而我们的汽车测试设备也致力于满足当今和未来汽车行业的EMC测试要求。
AMETEK CTS 有多位产品研发工程师是 ISO / IEC 等国际标准委员会的专家委员，在推动未来 EMC 法规标准和测试设备开发的同时，也保持与全球汽车制造商的紧密合作，协助他们开发针对特定行业的测试解决方案。
在新能源车辆测试方面，我们的产品专家不但与众多欧洲车企保持着研发方面的深入合作，而且与大众等厂家共同合作开发制定相关的电磁兼容标准。这保证了我们的新能源测试应用能够覆盖包括ISO 21498、ISO 7637-4、ECE R 10、VW80300 在内的，行业内前沿、完整的测试应用。
通常意义上，电动车辆的EMC 测试，涵盖了高压元器件测试、整车测试和充电站测试三类应用，对应多种国际标准和汽车厂家标准、包含众多测试项目。我们将按照三类测试应用，对各个标准和测试项进行了详细的分析解读，旨在帮助研发测试工程师更加清晰、深入地了解和认识不同标准的测试条件、目的、意义和具体要求。

本篇是系列文章的第一部分，重点解读电动车辆高压元器件 EMC 测试标准与应用，以及 AMETEK CTS 实现相应测试的解决方案。

电动车辆 EMC 测试应用与标准一览

高压元器件测试


电动车辆高压元器件的直流标准和测试包括：

  • ISO 21498-2
  • LV 123 及相关标准
  • VW 80300
  • ISO TS 7637-4

下面，我们就来详细解析这些标准需要执行的测试。


ISO 21498 - 高压元器件测试标准

图片ISO 21498：电动道路车辆——B级电压系统和组件的电气规范和试验

图片

  • 此标准分为两个部分:


   第1部分-电压子类和特性
   第2部分-组件的电气试验


  • 标准于2021年3月发布
  • 用于B级电力推进系统
  • 获得所有主要汽车厂家支持
  • 与 LV 123 标准测试相类似

ISO 21498 标准的第 1 部分提供了可充电能量存储系统 (RESS) 和电力推进系统的电压子类和特性的定义。它根据工作电压定义了这些子类的，其中列出的电压子类用于当前或未来各种电动道路车辆的电压 B 级系统。第 2 部分提供了用于电动道路车辆的 B 级电压的电气和电子元件的电气测试。考虑到通常的驾驶场景以及与正常操作的偏差，涵盖了所有相关特性， 概括性地描述了测试的目的、设置、程序和要求。


图片ISO 21498-1 电压等级和运行状态

  • 电压等级

电压等级
电压上限
A (LV)
≤ 60 VDC / 30 VAC
B (HV)
> 60 and ≤ 1500 VDC
> 30 and ≤ 1000 VAC
B_220
220 VDC
B_420
420 VDC
B_470
470 VDC
B_750
750 VDC
B_850
850 VDC
B_1250
1250 VDC



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来源：ISO 21498

  • 运行状态

运行状态
描述
OS1
组件应提供规定的全部性能(不允许降低性能)。组件应根据与运行状态相关的电压自动改变其运行状态。
OS2
组件应在其允许偏差(允许的性能降低)的范围内提供规定的降低性能。组件应根据与运行状态相关的电压自动改变其运行状态。
OS3
出于自我保护的目的，该组件可以降低或切断其性能。组件应根据与运行状态相关的电压自动改变其运行状态。
OS4
该组件可以切断其性能。在复位或外部事件(如点火状态、重启车辆)的触发下，组件应根据与运行状态相关的电压改变其运行状态。


图片ISO 21498-2 元器件电气试验

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图片 ISO 21498-2 测试设置


  • 传导测试


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a    DUT

b    B 级电压电路

c    A 级电压电路

1    B 级电压连接：HV+

2    B 级电压连接：HV-

3    A 级电压功率

4    I/O 和总线信号

5    直接连接到电压等级 A 电池接地的端子

6    电动底盘

7    高压直流电源

8    电流传感器（可选）


9 UHV：DUT 上的相关电压


  • 发射测试


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a    DUT

b    B 级电压电路

c    A 级电压电路

f    与车辆内部一致的电缆，其长度应由客户和供应商商定

g    接地平面

h    可屏蔽盒（可选）

AN    人工网络（附录D）

CS   与B类电压电压源并联的去耦电容器，靠近人工网络（如需）

1    B 级电压连接：HV+

2    B 级电压连接：HV-

3    A 级电压功率

4    I/O 和总线信号

5    直接连接到电压等级 A 电池接地的端子

6    电动底盘

7    高压直流电源


LV 123 及相关标准




图片LV 123 标准概述

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  • 德国汽车厂家，奥迪、宝马、戴姆勒、保时捷和大众
  • 就电动汽车高压元器件的通用测试达成一致
  • 验证安全和电气参数
  • 作为制造商标准适用，即 MBN LV 123、VW 80303 等
  • 测试设置未定义，但应予以记录
  • 允许供应商使用相同的设备为多个 OEM 进行测试


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图片LV 123 - 高压电压范围


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LV 123 标准的一个特点是固定的电压范围：

  • 绿色范围是正常工作的电压范围，在此范围内组件必须正常工作或带有一定的限制；
  • 橘色范围是非正常工作的电压范围，组件可以降低其性能，但不会被破坏；
  • 电压变化测试则是测试组件在暴露于这些不同电压时的行为。


图片 电压变化


电压变化测试考察的是元器件在供电电压改变过程中的性能。


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测试要求：

  • 元器件具体运行状态的选择，取决于供电电压

  • 需在 EUT 端口进行电压测量

图片 电压变化的曲线


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图片 电压变化的解决方案


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VW 80300(2021)标准
图片VW 80300(2021) 标准概述

编号
描述
类型
EHV-01
在常规高压运行电压范围内运行
电压变化
EHV-02
在高压过压范围内运行
电压变化
EHV-03
在高压欠压范围内运行
电压变化
EHV-04
预充电
功能测试
EHV-05
生成的高压电压动态
发射测试
EHV-06
系统高压电压动态
电压变化
EHV-07
储能装置的高压电压动态
电池测试
EHV-08
产生的高压电压纹波
发射测试
EHV-09
系统高压电压纹波
直流纹波
EHV-10
抛负载 1
抛负载  2
抗扰度脉冲
EHV-11
高压电压偏移
电压变化
EHV-12
高压过流

EHV-13
高压使用寿命（附录）
生命周期测试
EHV-14
高压组件的开关耐久性测试
生命周期测试
EHV-15
高压联锁、服务断开和碰撞信号操作
功能测试
EHV-16
高压脉冲
脉冲
EHV-17
抛负载期间的电压限制
发射


图片VW 80300 - 测试设置


  • 高压测试设置 1 ——针对慢速事件


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  • 高压测试设置2——针对快速事件


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图片 ISO TS 7637-4 标准


图片ISO TS 7637-4：道路车辆 - 传导和耦合引起的电气干扰 - 第 4 部分：仅沿屏蔽高压电源线的电瞬态传导

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  • ISO 7637-4 标准是ISO 7637 系列的一部分
  • 作为技术规范于 2020 年 5 月发布
  • 已被多家 OEM 制造商和测试机构应用
  • 同时也包括高频测试

ISO 7637 标准的这一部分对测试方法和程序做出了规定，以确保在装载了 60 V-1,500 V DC 电气系统的乘用车和商用车辆上所安装的设备，其沿屏蔽高压供电线路的传导电气瞬变的兼容性，并保证车辆安装了与车身绝缘的供电电源。标准描述了包括瞬态注入和测量在内的台架测试，适用于所有类型的电气动独立驱动道路车辆（例如纯电动汽车（BEV）、或混合动力汽车（HEV）或插电式混合动力汽车（PHEV））。


编号
描述
类型
4.5
沿高压电源线的电压瞬态发射测试
发射测试
4.6.2
Pulse A
脉冲正弦干扰抗扰度测试的测试设置（1 - 10 MHz）
射频抗扰度
4.6.3
Pulse B
脉冲正弦干扰抗扰度测试 (3 - 300 kHz)
直流纹波


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RIPPLE IMMUNITY TESTING

   纹波抗扰度测试

纹波是一种叠加在高压直流电源线上的电气干扰，它是由逆变器内的电力电子设备产生的，并传输回高压系统。当逆变器改变电机的频率和电压以控制车辆速度时，纹波电压和电流会发生波动。当 BMS （电池管理系统）出现纹波时，车辆可能会受到不良影响，例如主继电器断开导致*断电。纹波电流具有破坏性，可能会损坏敏感元件，包括 DC-DC 转换器的输入滤波器。

纹波抗扰度测试即在直流电源线上的叠加纹波，进行抗扰度试验。ISO 21498、ISO 7637-4、LV 123、MBN 11123、VW 80300、Renault 36-800-811、BMW G5 95023 等许多国际和制造商标准都涵盖了纹波抗扰度测试的要求。


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测试条件
  • 通过耦合网络耦合
  • 供电电压 Uupper_limit、Umax_unlimited_op、Uinit、Umin_unlimited_op 和 Ulower_limit
  • 测试可以分为几个频率范围
  • 组件性能必须保持在 OS1
  • 可以限制谐振点的纹波电流


纹波幅度 ISO 21498


纹波的幅度和频率范围因标准而异，但通常在 10 Hz 至 300k Hz 内，最高可达 80Vpp。

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关于测试等级的定义

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电压纹波抗扰度峰值电压限值示例
来源：ISO FDIS 21498-2



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纹波抗扰度测试 - 未来的解决方案


AMETEK CTS 针对纹波抗扰度测试设计的解决方案——Ripple NX



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该解决方案的特点：


  • 这是一套用于电动汽车元器件（电池、逆变器、DC-DC 转换器等）测试的新型高功率纹波发生器
  • 纹波测试符合 ISO 21498-2、ISO 7637-4、LV 123、VW 80300 等标准
  • 高度集成的系统，包括放大器、耦合器和测量装置
  • 能够通过 CAN / Ethernet / OptoLink 实现远程控制
  • 可以通过 net.control 软件集成到现有的测试台或实现远程控制




生成纹波（发射测试）




测试生成的高压元器件纹波。
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测试条件


  • 组件为 OS1 中的组件
  • 供电电压 Uinit、Umax_unlimited_op 和 Umin_unlimited_op
  • 人工网络电压作为 Upeak·peak 进行测量
  • t_test = 1s
  • 最坏情况操作点


图片纹波 - 抗扰度 vs 发射限制



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图片纹波发射测试- 解决方案



AMETEK CTS 针对纹波发射测试设计的解决方案——HV-AN ISO 21498
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  • 用于高压组件测试的人工网络 / LISNs
  • 三种类型覆盖最常见的电动汽车测试标准
  • 屏蔽金属外壳 (SME) 作为附件提供

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LOAD DUMP EMISSION


  抛负载发射测试

抛负载发射测试，检验的是元器件在抛负载期间限制其电压的能力。

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测试条件

  • OS1 中的组件，并为电源供电
  • 供电电压 Umax_unlimited_op、Uinit 和 Umin_unlimited_op


图片 抛负载发射测试- 解决方案

  • 适用于抛负载发射测量的电子开关，符合 ISO 21498-2 和 MBN 11123 标准
  • 1,200 VDC，500- 1000A
  • 属于 EM TEST 电动汽车零部件测试解决方案的一部分





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