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每日速递：电动汽车-高压环境下的测试技术与方案

2023-03-10 12:00:48来源：汽车测试网

本文节选自

白皮书

《imc E-Mobility 数据采集技术所面临的测试挑战》

【资料图】

文末附白皮书下载方式！

电动汽车在高电压环境下的主要测试挑战：

高电压环境下的安全问题。高电压环境下，电动汽车的电池和电驱动系统可能会对测试人员和设备造成微信。由此，必须要采取严格的安全措施来确保测试的安全。高电压环境下的电磁兼容问题。高电压环境下，电动汽车的电子设备可能会收到电磁干扰，从而影响测试结果，需要采取适当的电磁屏蔽措施来消除电磁干扰。高电压环境下的测试设备选择问题。在高电压环境下，测试设备必须能够承受高电压和高电流的冲击，并且必须具有足够的精度和稳定性来确保测试准确性。针对以上应用场景的测试挑战与要求，德国imc测试测量采用高压隔离或光纤隔离等测量技术，为电动汽车相关测试提供高安全性、高品质、高精度的测试系统解决方案。

车辆电气系统部件合规性试验

应用实例：根据高压环境标准测试车辆电气系统组件

为保障在复杂系统环境下的平稳运行，必须测试电动汽车组件，以确保其符合此类电气系统标准要求。在高压安全测试机上，根据LV124、LV123、LV148标准进行认证测量。测试过程中，除其他外，将组件置于车辆电气系统预设配置条件下，包括所谓的“抛负载”（即，出现电压峰值）。为可靠测量所产生的电压，必须使用合适的高压测量模块。

电力驱动的部件细节

高压环境下的测量技术

通过可靠的温度测量优化热管理

除测量高压电池的温度和电压外，在电动汽车环境中开展的新的计量任务还包括电动汽车驱动器的温度采集。根据各机构，如德国电气和电子制造商协会（ZVEI）或德国社会事故保险联合会（DGUV）、国际劳工组织（ILO）或国际社会保障协会（ISSA）定义，混合动力和燃料电池技术以及电动汽车的高压范围为 60V

除电动汽车驱动外，还需监测和分析组件上的其他温度测量点。例如，一辆典型的测试车辆可能约有400个测量点。这些测量点往往位于充电单元和外部充电基础设施之间、电池上以及内部加热用PTC元件及电动空调压缩机之间。除先前讨论过的电池系统和其他储能系统（如燃料电池）外，还要对供电电路、驱动器、电力电子组件、电缆线束及连接器进行测试。这些测试涉及耐久性和性能、效率、热管理或过载等问题。例如，电驱动温度过高会导致材料绕组隔离或轴承润滑受损，加速老化，从而影响电机的稳定性和使用寿命。

在高压环境下开展温度测量时，面临的挑战在于：不仅需要关注如何实施测量，更应注重人身安全。需采用专为测量高压设计的测量技术。高压环境中的数据采集系统不仅需确保测试的安全可靠，还应根据职业健康和安全条例，确保部署人员的安全。对此，可采用以下两种解决方案：
• 高隔离数据采集模块与传统高压热电偶
• 带有光纤传感器的数据采集模块

在高压环境下采用“传统”和光纤测量技术测量温度的比较情况

电气高隔离测量技术

传统高压测量模块具有高隔离电流测量电子设备，适用于热电偶、RTD 传感器（PT100/1000）和NTC传感器等传感器。这些传感器通过专属隔离电缆连接。

高压环境测量硬件必须符合设备安全标准DIN EN 61010-1/2。如需应用在能源供应网络中，这些硬件在设计时，还应满足各自应用环境的适当 CAT等级要求。用于测量输入的连接器也必须适用于高压环境。

高隔离6通道CAN测量模块可与其他CAN测量模块组合使用，用于测量电压，温度（RTD）和电阻（NTC）。

采用电气高压测量技术测量温度

优点：

• 除温度测量外，高压测量模块有时还可为其他传感器和测量模式提供支持（如获取电流、电压或振动数据），因此功能范围更加广泛。

• 传统高压测量技术还可适应当前传感器仪器，甚至是那些可能并非明确适合高隔离的仪器。如果当前传统传感器设备仅限用于人员无法进入的区域，那么只需将这部分仪器转换为完全符合标准且采用指定高压连接和测量技术的仪器就已足够。这样一来，即可通过明确分离的接线盒形式，定义安全传输接口。

高压接线盒定义了安全传输接口，是完全符合高压标准布线和测量的设备。

面临挑战与潜在问题：

• 仅允许受过专门训练的人员（电工）操作仪器和测试车辆。
• 测试系统所有组件必须保障人员安全（符合CAT 规范）。
• 电缆绝缘层厚度和传感器（如PT100）尺寸可能加大组装难度，甚至影响测试对象的特性，例如，当必须移动电机绕组时。
• 电缆和传感器中的金属物质可能会改变测试对象的磁性（电机绕组中的磁场）。
• 电缆的笨重绝缘也加大了在车辆中布设多通道测试的难度。
• 当传感器故障时，必须考虑替换整套电缆、传感器和连接器，因为它们是一个集成的测试单元。
• 传感器不灵敏时，可能导致测试过程中的时间损失。
• 传统传感器的信号质量会受到电磁干扰（EMC）、静电放电（ESD）及高电位等因素的影响，而这些因素在电力电子（转换器）环境中普遍存在。

光纤测量技术

采用光纤布拉格光栅传感器的光纤测量技术是一种测量原理，也适用于高压环境。

光纤布拉格光栅（FBG）是位于玻璃纤维芯部的光学干涉滤光片。测量过程中，来自宽带激光源的“白光”被投射到光纤上，然后选择性反射到干涉光栅上。测量值由传感器返回的具有布拉格波长特征的窄光谱表示。该波长与有源区域的应变和温度成正比，而有源区域的应变和温度决定了光纤光栅间距。

在温度传感器中，敏感区域仅对温度自膨胀（ α (T)）和石英玻璃的折射行为（作为函数f(T)）作出反应。因此，嵌入光纤时，应确保零应力，以避免外部膨胀或机械应力影响。光纤传感器由包裹着光纤的玻璃毛细管组成，其直径仅为0.5mm。还有一种光纤传感器变体，附有额外的陶瓷和聚四氟乙烯涂层，其机械性能更为坚固，但热性能稍差，直径为 1.5mm，尺寸仍足够小。在评估设备（即测量模块）中评估采集的光谱的布拉格波长。在FBG技术中，该测量模块也被称为“询问器”。

采用光纤测量技术测量温度的优点：

• 传感器直径较小，便于处理和测量极窄的和要求严苛的测量点（例如，电机绕组）。
• 缩短传感器安装时间。
• 在极具动态的过程中（如电机加速测试），第一次就可实现轻松测量和优化。FBG传感器的设计精巧且具有相应最小的热惯性，使其能够在100ms的时间常数内快速响应。
• 按照纯光学测量原理，传感器采用隔离设计，因此十分适合高压环境测试，而完全不受电磁干扰。

应用实例：使用光纤传感器验证电池组的温度模型

研究表明，测量电池组的正负极温度并采用几何模型反向计算，这不足以实现电池组的热保护。实际上，考虑到材料、当前充电状态、热环境及电池组的几何形状等因素，实际温度和模型测量结果之间的温度差异可高达25℃。在试验中，对两个电池组中间箔上的64个FBG传感器开展了验证测量。之前，已通过测试项目校准了这些FBG传感器。

光纤测量模块采用小巧便携的设计

光纤传感器（红色）与热电偶（蓝色）温度（作为电流（绿色）和速度(黄色）的函数)的比较情况

在高压环境中测量时的职业健康和安全

光纤布拉格光栅（FBG）测量技术的核心要点和优势显而易见：如果整个技术不涉及任何金属导体，而是完全依赖光学原理运作(即，用户不会与高压接触)，那么可从根本上缓解了昂贵且复杂的人身保护、专业培训和安全相关措施，并已“从源头上”完全避免了这些方面。

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电气方面的工作尤其是装有高压电池的电动车，必须有高严格的安全要求和专门的人员培训。

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白皮书《imc E-Mobility 数据采集技术所面临的测试挑战》

了解在电动汽车高电压环境中，如何精确、安全地开展电池组性能、优化电池容量的测试解决方案？以及优化锂电池测试系统设计？

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责任编辑：hnmd003