浅析：电动汽车中纹波测试是什么意思？

发表时间：2024-11-19 17:29

简述

纹波是叠加在直流电源上的扰动信号。例如，这种纹波来自于半导体元件的周期性开关操作。在电动汽车中，电驱动系统，特别是逆变器部分，是纹波电压的最大潜在来源。纹波抗扰度测试标准主要包括ISO组织所规定的例如ISO 21498-2和ISO7637-4和制造商标准，如MBN 11123, VW 80300和PSA B21 7712，由于不断发展的汽车工业以及大量传感器的接入，纹波抗扰度测试变得越来越重要。基于规范要求和部件特性，对电动汽车的不同部件进行纹波试验，而这部分需要强大的试验设备。下面，讨论了波纹的起源和危险，对测试设备的要求，规范要求等。

纹波起源

在电动汽车的驱动过程中，加速过程和由此产生的功率增加或变化而导致纹波电压叠加在电源电压上。根据傅里叶分析可以知道，时间上变化的信号必然会引起频域上信号的分布。具体到电动汽车上，转速和转矩在运行过程中的变化情况引起了电压和电流变化，从相关的测试数据来看，两者都不是平滑的或恒定的，而是由电驱动系统的逆变器部分引起的纹波叠加而成。电压纹波导致电源电压上高达15 Vp的电压差，进而导致电流曲线上高达325 Ap的纹波（当系统阻抗无限接近零时会，电流会无限大即系统谐振频率下的阻抗，也就是系统产生了相应的谐振）。由于诸如高压电池和高压逆变器等低阻抗组件，这些高电流在其他事物中发生，这将在以下章节中更详细地讨论。

纹波的危害

直流电源出现纹波会导致器件故障。一个典型的例子是关于高压电池供电耦合的波纹。电池管理系统(BMS)的测量频率通常在30KHz左右。纹波可以导致BMS产生故障，这种故障可以触发电池接触器误操作从而导致电动车彻底失去动力进而导致危害产生。这种现象也可能发生在其他组件上例如DC-DC转换器，并导致组件的不良故障发生。此外，由于非常高的纹波电压，元件可能会被破坏。一个例子是叠加在DC-DC转换器供电电压上的纹波，由于电压幅值高，可能导致输入滤波器损坏进而降低了产品的寿命。因此，对高压元件进行纹波测试以确保其对电压纹波有足够的抗扰性是非常重要的测试要求。

纹波测试的挑战

高压电池和高压逆变器通常在频率范围内具有较低的DUT阻抗，这就是为什么这两个组件被更深入地考虑验证，因为更低的阻抗会产生更高的纹波电流从而导致部分器件功能失效。

高压电池：

从下图的阻抗曲线中可以看出，在较低频率范围内，阻抗的低有效电阻占主导地位，直到电抗上升到高于较高频率时，总阻抗的值也随之上升。

图1.png

根据欧姆定律，由被测件阻抗和所需测试电压可以计算出所需纹波电流和所需纹波功率如下表所示：

频率	阻抗	电压纹波	电流纹波	纹波功率
100Hz	85mΩ	12Vp	141Ap (100Arms)	0.85KVA
1KHz	85.2mΩ	24Vp	282Ap (200Arms)	3.38KVA
10KHz	106mΩ	24Vp	230Ap (161Arms)	2.72KVA
100KHz	634mΩ	8Vp	13Ap (9Arms)	0.05KVA

具体如下图所示

图2.png

上图所示的峰值电流是根据ISO21498-2中的电压以及阻抗图中的阻抗计算得出的，用此图可以发现，纹波注入设备必须要满足至少300A峰值电流的输出才可以测试，这就需要及其强大的功放具有高电流的输出能力。

高压逆变器：

除了低阻抗高压电池的影响外，高压逆变器的纹波测试也是如此值得一提。高压逆变器在谐振点处的被测阻抗非常低。在来自下图中谐振频率为6.5 kHz时的阻抗约5mΩ。

图3.png

而根据ISO21498-2在6.5KHz时的纹波电压为24Vp，那么根据欧姆定律可以获得此时产生的电流高达4800Ap，这个电流会超过器件的险恶从而导致器件的损害，这是实验中不允许的。除了低阻抗高压电池的影响外，高压逆变器的纹波测试也是如此。由于高压逆变器在谐振点处的阻抗非常低。在试验中，确定高压电池的实际最大峰值电流是很重要的。在VW80300-2021的规范中，提了电流的限定参考值100Ap，但是也留了一个口子，最大限定电流需要由测试服务提供商和部件生厂商一起确定，基本上业界的电流为1000App。通过限值电流，那么测试电压需要根据电流和负载进行调整，如下图所示：

图4.png