隨著電池成組技術(shù)和底盤(pán)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(tái)）進(jìn)行電性能測(cè)試變得越來(lái)越重要，常見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)如LV 123、VW 80300、ISO 7637-4、ISO 21498-2等均可應(yīng)用于動(dòng)力電池及其系統(tǒng)的測(cè)試。

此外，由于整車(chē)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(guò)大、電源網(wǎng)絡(luò)振蕩、控制器無(wú)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(chē)主辦，上海虹橋國(guó)際中央商務(wù)區(qū)管委會(huì)、上海閔行區(qū)人民政府指導(dǎo)，上海南虹橋投資開(kāi)發(fā)（集團(tuán)）有限公司協(xié)辦的2022第二屆汽車(chē)動(dòng)力電池論壇上，北京東方中科集成科技股份有限公司市場(chǎng)拓展經(jīng)理張芳杰進(jìn)行了題為《動(dòng)力電池包高壓動(dòng)態(tài)電性能的挑戰(zhàn)與測(cè)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(chǎng)拓展經(jīng)理

電性能測(cè)試本身不特別，但是由于新的智能化底盤(pán)、滑板底盤(pán)、電池集成、碳化硅開(kāi)關(guān)、升壓充電等高壓技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)下，電池包動(dòng)態(tài)電性能的測(cè)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(dòng)力電池包和整車(chē)的高壓動(dòng)態(tài)電性能測(cè)試的解決方案：

通過(guò)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(gè)測(cè)試要求的合規(guī)性。既可針對(duì)直流母線上的紋波噪聲頻帶及幅度進(jìn)行測(cè)試整改，又可針對(duì)用電網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)阻抗進(jìn)行分析改善，有效地解決高壓電池包和滑板底盤(pán)的測(cè)試難題，能夠滿足各種測(cè)試場(chǎng)景需求。

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高壓電性能的測(cè)試范圍包括了所有高壓元器件，也就是與動(dòng)力電池包相連接的設(shè)備，如：1、電動(dòng)機(jī)及控制器；2、DC-DC變換器/車(chē)載充電機(jī)OBC；3、車(chē)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(chǔ)能設(shè)備（包含動(dòng)力電池包）；6、變速箱；7、PDU/線束/電纜；8、混動(dòng)系統(tǒng)；9、滑板底盤(pán)/線控底盤(pán)。

按照目前行業(yè)內(nèi)流行的LV 123標(biāo)準(zhǔn)，即大眾集團(tuán)標(biāo)準(zhǔn)，也是最早將整個(gè)高壓電池包以及平臺(tái)納入其中的標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)的主機(jī)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(gè)高壓部件的附加要求”對(duì)高壓部件的要求，并具體規(guī)定了PV測(cè)試和合規(guī)性測(cè)試的階段性電性能驗(yàn)證要求，已經(jīng)覆蓋了研發(fā)、測(cè)試、上車(chē)的不同階段。

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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(méi)有功率要求；B1指的是高壓器件處于全運(yùn)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(yùn)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(shí)，需自動(dòng)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(huì)進(jìn)入未定義狀態(tài)，尤其是不會(huì)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(shí)，可以通過(guò)復(fù)位或者簡(jiǎn)單人工干預(yù)以滿足規(guī)定性能。

進(jìn)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(dá)到250V/ms，即1000V滿量程拉載時(shí)間要控制在4ms以?xún)?nèi)，才能滿足電池包和高壓零部件測(cè)試的規(guī)定，而傳統(tǒng)的高壓零部件測(cè)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(dòng)態(tài)電性能測(cè)試配置一臺(tái)高性能的高壓直流電源是十分必要，也是滿足測(cè)試規(guī)范的最基礎(chǔ)要求。

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挑戰(zhàn)二：高壓直流紋波測(cè)試的困難性。高壓動(dòng)態(tài)電性能測(cè)試核心是直流紋波測(cè)試，而紋波騷擾的來(lái)源主要是MCU等電源電路的開(kāi)關(guān)信號(hào)，對(duì)直流母線的影響會(huì)通過(guò)各種各樣的耦合、反射被進(jìn)一步放大，隨著碳化硅器件在高壓零部件的汽車(chē)電源領(lǐng)域應(yīng)用增多，這部分要求肯定會(huì)進(jìn)一步提升。

以ISO 21498-2的紋波測(cè)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(shí)在做對(duì)數(shù)掃描，需要連續(xù)變化。以此類(lèi)推，紋波的幅度需要隨著頻率連續(xù)地進(jìn)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(shí)際上，因?yàn)楦邏弘娫葱袠I(yè)的現(xiàn)狀，想用單臺(tái)高壓電源按照標(biāo)準(zhǔn)要求直接輸出信號(hào)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(duì)于300 Hz以下的測(cè)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(guò)主電源DC+AC的模式進(jìn)行紋波輸出；過(guò)渡到高頻紋波（＞300Hz）時(shí)，主電源恢復(fù)到純DC輸出，利用紋波耦合系統(tǒng)精確地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)掃頻控制，從而滿足整體的紋波測(cè)試要求。

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接下來(lái)是挑戰(zhàn)三：動(dòng)力電池包的低阻特性需求更多的紋波功率。

因?yàn)榧y波輸出的頻率越高，自身電源內(nèi)阻和耦合阻抗也會(huì)越高，內(nèi)外負(fù)載出現(xiàn)不平衡的情況，導(dǎo)致負(fù)載端的有效功率不足，紋波Vpp衰減，無(wú)法滿足合規(guī)需求。動(dòng)力電池包的紋波測(cè)試實(shí)例可見(jiàn)，按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行30Vpp的掃頻時(shí)，實(shí)際拉載的紋波電流高達(dá)600App，有效紋波功率在4.5 kVA以上。

動(dòng)力電池包作為典型的超低動(dòng)態(tài)阻抗的被測(cè)件，其直流紋波測(cè)試的注意點(diǎn)：由于輸入輸出兩端的阻抗匹配不斷變化，需要?jiǎng)討B(tài)檢測(cè)輸出端情況，必須以動(dòng)態(tài)的方式去監(jiān)測(cè)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(duì)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?yàn)閮?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(fù)載輸出系統(tǒng)，一般推薦動(dòng)力電池相關(guān)的測(cè)試行業(yè)直接選擇10 kVA型號(hào)，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(gè)測(cè)試的合規(guī)性。對(duì)于直流主電源，考慮到動(dòng)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(cè)試場(chǎng)景。

基于這兩臺(tái)設(shè)備，可以對(duì)電驅(qū)和電池系統(tǒng)測(cè)試的場(chǎng)景做完整地覆蓋。未來(lái)，考慮到滑板底盤(pán)的測(cè)試場(chǎng)景，我們也會(huì)提供兩個(gè)通道以上的紋波輸出能力，從而將電池測(cè)試場(chǎng)景和動(dòng)力底盤(pán)測(cè)試相結(jié)合。

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挑戰(zhàn)四：被測(cè)件動(dòng)態(tài)阻抗曲線。這一點(diǎn)對(duì)于很多系統(tǒng)集成工程師都并不了解，電機(jī)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(cè)試場(chǎng)景里還存在一些諧振頻點(diǎn)，可能會(huì)造成整個(gè)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(duì)于碳化硅、氮化鎵一類(lèi)新的第三代半導(dǎo)體應(yīng)用與推廣之后，整個(gè)電源的電路開(kāi)關(guān)特性會(huì)變得更加高頻和劇烈，100kHz以上的開(kāi)關(guān)頻率會(huì)產(chǎn)生更多的高頻紋波。因此，這一方面的問(wèn)題不可小覷。

另外，行業(yè)內(nèi)普遍存在的一個(gè)測(cè)試痛點(diǎn)是：零部件雖然通過(guò)了電性能測(cè)試，但是集成到整車(chē)上還是會(huì)出現(xiàn)各種各樣的電性能問(wèn)題，使得整車(chē)上EMC的問(wèn)題變得更加復(fù)雜。因此，提供被測(cè)件動(dòng)態(tài)阻抗曲線也有助于測(cè)試人員后續(xù)對(duì)整車(chē)零部件去作調(diào)試。

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因此，對(duì)于電池包以及高壓零部件的動(dòng)態(tài)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，通過(guò)紋波掃頻輸出，即可測(cè)量高壓零部件在每個(gè)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(cè)試相關(guān)方案。針對(duì)VW 80300（2021）標(biāo)準(zhǔn)，前面的一些項(xiàng)目是比較常規(guī)的直流緩變測(cè)試，只需要20-40V/ms就可以滿足測(cè)試需求；越往后的測(cè)試就會(huì)變得更加復(fù)雜，從EHV-8、EHV-9開(kāi)始，涉及到紋波的測(cè)試，就要在10 Hz-150kHz的范圍內(nèi)進(jìn)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(cè)試所需設(shè)備則配套高壓實(shí)驗(yàn)電源+拋負(fù)載發(fā)生器+耦合網(wǎng)絡(luò)。因此，不僅要更復(fù)雜的測(cè)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(cè)試覆蓋。

東方中科以“科技無(wú)限、服務(wù)創(chuàng)新”為使命，依托中科院、東方科儀集團(tuán)及國(guó)內(nèi)外知名設(shè)備廠商資源，實(shí)現(xiàn)技術(shù)協(xié)作和深度共建；專(zhuān)注于新能源汽車(chē)領(lǐng)域，順應(yīng)“電動(dòng)化”、“智能化”、“網(wǎng)聯(lián)化”、“共享化”的新四化趨勢(shì)；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(hào)級(jí)仿真測(cè)試到功率級(jí)性能測(cè)試，從零部件到系統(tǒng)級(jí)，再到整車(chē)級(jí)的“一站式”解決方案。

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

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