電動汽車高壓系統(tǒng)電性能測試研究

王子龍，楊國樑，王東升，譚金超

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300000）

整車電氣系統(tǒng)性能驗證測試，簡稱整車電性能測試，其目的在于在整車的電氣環(huán)境下，通過試驗獲得車輛電氣系統(tǒng)的實際工作特性，從而查找其與車輛理論指標的偏離--包括設(shè)計偏差、安全風險項、電氣系統(tǒng)漏洞等。通過實車測試及具體問題的分析與整改，最終達到有效提升整車電氣系統(tǒng)安全性與穩(wěn)定性的目的。

對于電動汽車車型，都包括由動力電池包及各種高壓部件 （分線盒、電動壓縮機、DC-DC等）構(gòu)成的高壓電氣系統(tǒng)和由低壓蓄電池及低壓負載構(gòu)成的低壓電氣系統(tǒng)。而相較于低壓電氣系統(tǒng)，高壓電氣系統(tǒng)由于其高電壓、大電流的特性，對安全要求及性能要求更加嚴格，因此高壓系統(tǒng)的電性能驗證測試在電動汽車電氣系統(tǒng)設(shè)計驗證收尾工作中具有重要意義。

本文主要探討電動汽車高壓電氣系統(tǒng)電性能驗證測試的內(nèi)容及目標：通過高壓電氣系統(tǒng)電性能測試，獲取實車環(huán)境下高壓電氣系統(tǒng)的工作特性，討論其與技術(shù)指標的偏離，從而修正車輛技術(shù)偏差，降低高壓電氣系統(tǒng)造成的車輛安全風險以及人身安全風險。

1 車輛安全性測試內(nèi)容

對于電動汽車而言，由于其具有區(qū)別于傳統(tǒng)燃油汽車的高壓電氣系統(tǒng)，因此首先應(yīng)該考慮的就是整車安全的相關(guān)要求，其次是電氣系統(tǒng)的功能及性能相關(guān)要求。

對于電動汽車影響車輛安全 （包括駕乘人員人身安全及車輛自身性能安全）的相關(guān)驗證測試需求，主要是針對高壓漏電防護以及車輛高壓上下電安全方面的相關(guān)要求，包括電位均衡、絕緣電阻、車輛主被動放電功能、絕緣涉水試驗等方面。

1.1 電位均衡測試［1］

電位均衡即電氣設(shè)備的外露可導電部分之間電位差最小化。電位均衡要求出現(xiàn)在電動車型上高壓部件的導體外殼／保護罩與車身搭鐵之間，或相鄰的高壓部件的導體外殼／保護罩之間。為保證車輛及使用者的安全，包括財產(chǎn)安全及人身安全，絕不能因高壓系統(tǒng)外殼／保護罩帶電、擊穿等原因，造成安全事故。

電位均衡測試將針對電動汽車每個高壓部件進行，測試內(nèi)容包括每個可導電的高壓部件外殼與車身搭鐵之間的電位均衡阻值以及相連的兩個可導電的高壓部件外殼之間的電位均衡阻值。測試設(shè)備可采用毫歐表進行，也可采用電氣安規(guī)分析儀進行。通過該項測試，獲取每個高壓部件外殼／保護罩與車身搭鐵之間、外殼相互連接的高壓部件之間的電位均衡電阻參數(shù)，判定其是否滿足低于0.1Ω的標準要求。 測試原理如圖1所示。

1.2 絕緣電阻測試

絕緣電阻是為了滿足電動汽車安全目的而確定的一個足夠的電阻值，由于電動汽車高壓系統(tǒng)與低壓系統(tǒng)是相互獨立的，因此絕緣電阻是表征電動車高壓系統(tǒng)及部件相對于低壓系統(tǒng)絕緣性能的直接參數(shù)。

絕緣電阻相對于不同的高壓電器部件的要求也不同：對于車載儲能裝置／動力電池，要求絕緣電阻瞬時值大于100Ω ／V［1］；對于整車絕緣電阻，要求大于1MΩ［1］。對于高壓元件單體絕緣電阻的要求，車載充電機為10MΩ［2］；驅(qū)動電機定子繞組對機殼的絕緣電阻一般要求高于20MΩ，濕熱試驗后高于0.5MΩ［3］；電機控制器絕緣電阻要求高于1MΩ［3］；電動汽車DC-DC絕緣電阻要求為不小于500Ω／V［4］；汽車空調(diào)用電動壓縮機定子繞組對機殼的絕緣電阻要求清空壓縮機內(nèi)部冷凍機油后大于50MΩ，充入冷凍機油及制冷劑后大于20MΩ，交變濕熱試驗后的熱態(tài)絕緣電阻大于1MΩ［4］；空調(diào)PTC絕緣電阻一般要求高于500MΩ。

絕緣電阻的測試要針對電動汽車每個高壓部件進行，要求測得每個高壓部件的正負極相對于低壓系統(tǒng) （車身搭鐵）的靜態(tài)絕緣電阻；同時，也要在車輛高壓上電之后的動態(tài)絕緣電阻進行監(jiān)控，確保電動汽車高壓部件各自的靜態(tài)絕緣電阻和整車的動態(tài)絕緣電阻均能夠達到限值要求。關(guān)于靜態(tài)絕緣電阻的測試，采用兆歐表進行，也可采用電氣安規(guī)分析儀進行；要求各高壓部件滿足各自的靜態(tài)絕緣電阻限值。關(guān)于動態(tài)絕緣電阻的測試，可采用絕緣電阻監(jiān)測裝置進行，或在確保車輛自身絕緣電阻監(jiān)測裝置準確性的條件下，通過車輛網(wǎng)絡(luò)讀取其絕緣電阻數(shù)據(jù)；要求整車動態(tài)絕緣電阻數(shù)據(jù)能夠滿足高壓部件中動態(tài)絕緣電阻的最低限值，即高于DC-DC要求的500Ω／V。絕緣電阻測試原理如圖2所示。

圖1 測試原理

圖2 絕緣電阻測試原理

1.3 車輛主被動放電功能測試

高壓電氣系統(tǒng)中的容性器件，在高壓部件工作后存在電勢累積。在高壓電源切斷后，該累積電勢必須在規(guī)定時間內(nèi)釋放至安全電壓以下，以避免出現(xiàn)高壓部件帶電，損壞部件，或造成人員觸電事故。

高壓部件根據(jù)其放電形式的不同可分為主動放電與被動放電。在高壓系統(tǒng)正常切斷時，高壓部件切入主動放電回路進行快速放電，即主動放電；而在主動放電功能異?；蚴r，高壓部件通過緩慢放電的形式進行放電，即被動放電。被動放電是始終有效的，不需要進行控制。

主動放電和被動放電測試過程中，主要通過使用高壓電壓采集探頭，監(jiān)控高壓部件的電壓變化情況，記錄高壓部件斷電后電壓下降至60V以下的時間，由于主動放電、被動放電并沒有具體的標準限值，因此主要以實車設(shè)計指標進行評價，驗證其是否滿足實車的設(shè)計要求。

1.4 絕緣涉水試驗

絕緣涉水試驗，是在電動汽車絕緣電阻測試的基礎(chǔ)上進行的絕緣涉水安全性測試，此試驗可在車輛進行涉水試驗的同時進行。在常溫狀態(tài)下記錄車輛的網(wǎng)絡(luò)報文信息，包括車輛絕緣電阻、高壓負載工作狀態(tài)等，進而在車輛進行涉水試驗的同時實時監(jiān)控車輛涉水過程中的網(wǎng)絡(luò)報文信息，與常溫狀態(tài)下的數(shù)據(jù)進行對比分析，判斷車輛高壓電氣系統(tǒng)在涉水過程中的安全性及穩(wěn)定性。

2 車輛電氣性能測試

對于電動汽車關(guān)于車輛功能實現(xiàn)或性能指標的相關(guān)測試內(nèi)容，主要包括電動汽車一些特定功能的實現(xiàn)情況，以及高壓部件的功能、性能相關(guān)的實現(xiàn)情況。相關(guān)測試內(nèi)容包括：預(yù)充電回路穩(wěn)定性、能量回收功能、電池包回路過電流斷開器 （維修開關(guān)MSD）性能、車載充電機 （OBC）性能、驅(qū)動電機及其控制器性能、DC-DC性能，電動壓縮機性能、PTC性能等。

2.1 預(yù)充電回路穩(wěn)定性測試

由于電動汽車動力系統(tǒng)電壓過高，為了防止主繼電器閉合時火花電弧及瞬間大電流的產(chǎn)生，降低沖擊，增加安全性，在主正繼電器處并聯(lián)設(shè)計預(yù)充電回路。

預(yù)充電回路包括預(yù)充繼電器及預(yù)充電阻兩部分，在高壓系統(tǒng)上電過程中，車輛接通主負繼電器后，首先接通預(yù)充繼電器，預(yù)充電阻的存在防止了繼電器觸點電火花及回路大電流沖擊現(xiàn)象的產(chǎn)生，在高壓系統(tǒng)電壓升高到要求的電壓值以上后，主正繼電器接通，預(yù)充繼電器斷開，高壓系統(tǒng)開始正常上電工作。

電動汽車通過預(yù)充電設(shè)計來保證高壓上電過程的安全性，避免產(chǎn)生繼電器粘連等安全隱患。因此預(yù)充電回路的性能穩(wěn)定性十分重要。需要嚴格控制預(yù)充電回路的工作時間以及預(yù)充電阻溫度。也可通過進行高壓系統(tǒng)多次上下電的耐久性試驗，驗證高壓系統(tǒng)連續(xù)多次啟動時預(yù)充電回路及預(yù)充電阻的性能變化。測試使用溫度傳感器、高壓電壓測試探頭及高精度電流傳感器進行，獲取高壓系統(tǒng)預(yù)充電回路的電流、電壓、預(yù)充電時間以及預(yù)充電阻溫度等參數(shù)，判定其是否符合車輛設(shè)計指標。

2.2 能量回收功能測試

當電動汽車的運行處于下坡或者滑行狀態(tài)時，可觸發(fā)能量回收模式，要求驅(qū)動系統(tǒng)能夠給其額定電壓的125%的電源進行充電。由于目前并沒有一個相關(guān)的具體標準對能量回收策略進行規(guī)定，因此電動車輛的能量回收策略各不相同。

在進行能量回收驗證測試時，需要根據(jù)車輛的實際能量回收策略規(guī)劃測試方案，如N擋不進行能量回收、D擋回收能量、電池包SOC在5%～95%之間回收能量等。測試可通過監(jiān)控車輛網(wǎng)絡(luò)報文信息進行，也可外接高壓電壓測試探頭及電流傳感器進行驗證，通過對實車實際能量回收情況的數(shù)據(jù)進行采集，與設(shè)計策略進行對比，判斷其能量回收功能的具體實現(xiàn)情況。能量回收功能測試原理如圖3所示。

圖3 能量回收功能測試原理

2.3 電池包回路過電流斷開器測試

電池包回路過電流斷開器 （一般為維修開關(guān)MSD），主要功能為在電動汽車高壓母線出現(xiàn)短路、過流情況時，能夠切斷電池包回路，防止進一步風險的發(fā)生；同時，在對電動汽車高壓系統(tǒng)進行維修時，也必須斷開維修開關(guān)MSD，確保電動汽車的維修安全，防止觸電危險的發(fā)生。

電池包回路過電流斷開器的性能測試，需要模擬電池包回路過電流及短路情況，對電池包回路過電流斷開器進行單獨的測試，記錄測試回路中的電流、電壓數(shù)據(jù)，以及斷開器的響應(yīng)時間，評價其是否滿足設(shè)計要求。

2.4 高壓部件性能測試

高壓部件的電氣性能測試，首先對其額定工作時的電氣參數(shù)進行采集，包括啟動電流沖擊，穩(wěn)態(tài)工作電流、電壓等，對于DC-DC、OBC等電源轉(zhuǎn)換器件，還要對其轉(zhuǎn)化效率進行評價。其次，測試還應(yīng)包括相關(guān)高壓部件邊緣工作條件的性能測試，如欠壓、過壓、高溫、低溫、高濕度等。具體測試指標詳述如下。

1）車載充電機性能測試，包括：工作濕度溫度測試 （濕度最高95%，溫度-20～85℃），輸入電壓范圍測試 （±15%），輸入頻率范圍測試 （50Hz±2%），充電效率測試 （充電效率大于90%），限壓限流特性測試 （能夠?qū)㈦妷?、電流限制在設(shè)計值以內(nèi)），過壓、欠壓、過溫、短路、反接、斷電保護測試，啟動沖擊電流測試，額定輸出電壓、電流誤差測試、電壓紋波系數(shù)測試、功率因數(shù)及充電效率測試、輸出響應(yīng)時間測試。

2）驅(qū)動電機及其控制器性能測試，包括：工作濕度溫度測試 （高溫濕度為最高95%，溫度為+40℃，試驗時間48h，試驗后測試絕緣電阻值；低溫溫度-20℃，測試運行4h），電壓波動測試 （電機及控制器能在電源電壓為125%的額定電壓下安全承受最大電流，在75%額定電壓下能夠最大電流運行，但不要求連續(xù)運行），堵轉(zhuǎn)測試 （堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩及堵轉(zhuǎn)電流測試，以及電機達到規(guī)定的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩值時，其堵轉(zhuǎn)電流不大于控制器提供的最大電流值），能量回收測試 （電機通過控制器能夠給125%額定電壓的電壓源充電，但饋電電流的大小及饋電效率根據(jù)產(chǎn)品而定），耐電壓測試，最高工作轉(zhuǎn)速測試，控制器過載測試。

3）DC-DC性能測試，包括：轉(zhuǎn)化效率測試 （輸出功率與輸入功率及附屬設(shè)備消耗的功率之和的比值），工作溫濕度測試 （溫度-20℃～+60℃，濕度95%測試，時間大于2h），額定功率測試 （額定功率下，持續(xù)穩(wěn)定工作2h以上），峰值輸出功率及持續(xù)時間測試 （DC-DC的過載輸出功率不小于其額定功率的1.2倍，額定電壓下，調(diào)整負載輸出電流，使其與額定功率的乘積為額定功率的1.2倍，測試6min以上），耐電壓測試。

4）電動壓縮機性能測試，包括：耐壓與漏電流測試，交變濕熱測試等。

5）PTC性能測試，包括：工作溫濕度測試 （溫度-20℃～+160℃測試；濕度90%，溫度25℃測試；測試前后的額定功率差在正負10%之內(nèi)），起始電流測試 （低于2.5倍額定工作電流），耐電壓測試 （測試前后的額定功率差在正負10%之內(nèi)）。

高壓部件的電氣性能測試，由于涉及到具體的高壓部件，部分試驗如短路、反接等，在整車條件下不能實現(xiàn)或存在較大風險，可對部件單體進行試驗。部分可在整車狀態(tài)下進行的試驗如高低溫、高濕度、耐壓、欠壓等試驗，相對風險性較低，也可在整車上進行驗證。

3 車輛其它電氣性能測試內(nèi)容

關(guān)于整車級別的高壓回路短路、過電流，回路突然切斷等測試，由于相對風險較高，目前國內(nèi)尚無相關(guān)標準規(guī)定或要求，還處于摸索階段。關(guān)于高壓沿電源線的瞬態(tài)傳導干擾相關(guān)測試，如高壓感性負載、拋負載等測試內(nèi)容，盡管可以實現(xiàn)，但缺少相關(guān)的評價標準，也需要根據(jù)項目經(jīng)驗進行總結(jié)，最終能夠得到適合企業(yè)自身的評價標準。

4 結(jié)論

目前國內(nèi)外并沒有具體的關(guān)于整車電性能測試方法的國家或國際標準可供參考，主要是通過安全標準、整車及零部件性能標準、測試經(jīng)驗及車輛易發(fā)問題項進行總結(jié)，提出測試方法及評價指標。

另外，隨著汽車制造仿真系統(tǒng)的不斷完善，國內(nèi)外整車廠越來越重視車輛的前期設(shè)計及仿真研究，通過電腦模型仿真來規(guī)避大部分的電氣系統(tǒng)問題，以達到減少車輛問題及后期測試成本的目的。