新能源汽車電子高低壓耦合自動測試研究

郭璋龍，林弘

（福建省產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)研究院，福建福州，350015）

0 引言

新能源汽車是新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的方向，是培育新動能、發(fā)展新經(jīng)濟(jì)、推動產(chǎn)業(yè)邁向中高端的重要內(nèi)容。與傳統(tǒng)汽車相比，其電子控制、能量管理、電力控制等系統(tǒng)的現(xiàn)代化程度越來越高，新能源汽車中的高壓動力驅(qū)動系統(tǒng)、信息化和智能化設(shè)備等多種類型的電力、電氣、電子設(shè)備采用集中布置的方式，更是構(gòu)成極其惡劣的電磁環(huán)境。為防止高強(qiáng)度的電磁信號影響車內(nèi)其它零部件正常工作，高壓線束都采用雙層屏蔽方式來抑制騷擾能量的發(fā)射。一旦高壓線束屏蔽層屏蔽效果不良，輕者往往會導(dǎo)致車內(nèi)與其鄰近的低壓電子設(shè)備工作異常，重者則可能直接影響行車安全，造成嚴(yán)重后果。因此高壓線束與低壓線束之間的串?dāng)_，我們稱之為高低壓耦合測試，對保障新能源汽車的安全性能就顯得格外重要。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

針對高低壓耦合測試，國內(nèi)外檢測機(jī)構(gòu)大都采用信號源注入方法進(jìn)行，因?yàn)樵谶M(jìn)行該方式測試時，受試設(shè)備需保持通電狀態(tài)，比較貼近設(shè)備正常工作時的工況。該測試方法參考的標(biāo)準(zhǔn)主要有國際標(biāo)準(zhǔn)CISPR25:2016和國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18655-2018（修改采用CISPR25:2016）。然而該方法測試步驟繁多，現(xiàn)階段國內(nèi)外實(shí)驗(yàn)室在測試時大都采用直接購買儀器廠商現(xiàn)成測試軟件的方式，需花費(fèi)大量資金重新購置整套儀器廠商的設(shè)備，且設(shè)備間兼容性問題仍然存在，這也給后續(xù)功能升級帶來影響。

2 研究內(nèi)容

由于新能源汽車內(nèi)高壓部件的增多，帶來的電磁兼容的問題也更加復(fù)雜，一般情況，高壓部件工作時產(chǎn)生的對外電磁騷擾遠(yuǎn)高于低壓部件。高壓部件中高壓電路對低壓電路的耦合，本身并不會產(chǎn)生電磁騷擾，但如果高壓電路與低壓電路之間存在較強(qiáng)的電磁耦合，從而使高壓部件產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁騷擾問題，尤其是高壓部件在進(jìn)行電壓變換時，高壓干擾極易耦合到?jīng)]有任何屏蔽措施的低壓電路，從而對低壓部分的元件產(chǎn)生明顯的電磁騷擾，這種現(xiàn)象，我們稱之為高低壓耦合。

國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T18655-2018在其附錄I.5條款定義了高壓（下稱HV）系統(tǒng)（工作電壓為60V～1000V）和低壓（下稱LV）系統(tǒng)（低于60V的直流工作電壓）間的兩種高低壓耦合的試驗(yàn)方法：信號源注入法和S參數(shù)網(wǎng)絡(luò)分析儀法。鑒于S參數(shù)法測試時端口阻抗匹配難度大，不確定因素多，往往選擇信號源注入法進(jìn)行測試。其中，信號源注入法內(nèi)包含傳導(dǎo)發(fā)射電壓法，其測試原理是，射頻信號通過耦合設(shè)備（電流鉗）將干擾能量注入到被測樣品的高壓部分，同時對低壓部分的電源線和地線依照常規(guī)方法進(jìn)行監(jiān)測，查看測試結(jié)果是否超過規(guī)定的限值，與常規(guī)方法相比，主要是增加了高壓部分的布局。，下面將對該方法進(jìn)行詳細(xì)討論。

注入法是實(shí)驗(yàn)室最常用的高低壓耦合測試方法，分為校準(zhǔn)和測量兩部分。

■ 2.1 試驗(yàn)信號注入和校準(zhǔn)

試驗(yàn)信號校準(zhǔn)布置如圖1所示。使用到的儀器主要有射頻信號源、功率放大器、功率計、電流注入鉗、高壓人工電源網(wǎng)絡(luò)、屏蔽箱、測量接收機(jī)等。

圖1 HV-LV coupling試驗(yàn)信號校準(zhǔn)布置圖

首先應(yīng)對注入的試驗(yàn)信號電平進(jìn)行校準(zhǔn)，確保試驗(yàn)電平滿足標(biāo)準(zhǔn)對應(yīng)的試驗(yàn)等級要求。試驗(yàn)等級按照GB/T18655-2018標(biāo)準(zhǔn)中平均值規(guī)定的HV限值，測試需根據(jù)對應(yīng)等級和測試頻率范圍制定校準(zhǔn)電平。

試驗(yàn)信號應(yīng)分別通過電流探頭（由ISO11452-4：2011定義）或耦合電容（由ISO7637-3：2016定義）注入HV+和HV-兩個端口進(jìn)行校準(zhǔn)。在150kHz～108MHz范圍內(nèi)采用帶寬為9kHz的平均值檢波器或峰值檢波器進(jìn)行測量。

校準(zhǔn)過程中受試樣品應(yīng)不通電。射頻信號源輸出連續(xù)波電平，通過耦合元件注入到受試樣品的HV輸入線上，然后通過對應(yīng)連接的HV人工網(wǎng)絡(luò)將耦合信號電平饋送到測量接收機(jī)，測試系統(tǒng)需自動調(diào)整射頻信號源輸出電平大小直到測量接收機(jī)讀值等于當(dāng)前頻率對應(yīng)的校準(zhǔn)電平限值，隨后記錄信號源當(dāng)前輸出電平用于后續(xù)高低壓耦合測試。上述校準(zhǔn)需在測試頻段內(nèi)的各頻率點(diǎn)進(jìn)行。當(dāng)信號電平從HV+端口注入時，測量接收機(jī)應(yīng)連接于HV+ AN的射頻輸出接口；當(dāng)信號電平從HV-端口注入時，測量接收機(jī)應(yīng)連接于HV- AN的射頻輸出接口。正負(fù)端口需分別校準(zhǔn)。根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，由于受到受試設(shè)備內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響，不同樣品，以及樣品的不同極性端口將導(dǎo)致校準(zhǔn)電平的巨大差異。同時，根據(jù)不同的試驗(yàn)等級和測試頻率對應(yīng)的測試電平，應(yīng)酌情在射頻信號源后端添加射頻功率放大器以確保注入電平有足夠的功率來達(dá)到所需的校準(zhǔn)電平。整個校準(zhǔn)過程中所使用的射頻路徑需保持不變，已確保后續(xù)高低壓耦合測試中輸入電平的一致性。

■ 2.2 傳導(dǎo)發(fā)射—電壓法

傳導(dǎo)發(fā)射電壓法是測量LV側(cè)電壓的騷擾電壓。測量時，受試設(shè)備應(yīng)放置在非導(dǎo)電、低相對介電常數(shù)(εr≤1.4)材料上，距參考接地平面上方50mm±5mm的位置，受試設(shè)備外殼應(yīng)與參考接地平面相連，為了模擬實(shí)際車輛布置。受試設(shè)備各表面距參考接地平面邊界至少100mm。受試設(shè)備外殼接地時，接地點(diǎn)離參考接地平面邊緣至少100mm。低壓人工電源網(wǎng)絡(luò)連接器與受試設(shè)備連接器之間的電源線長度為200mm，高壓人工電源網(wǎng)絡(luò)連接器與受試設(shè)備連接器之間的電源線長度為1800mm。線束沿一條直線放置在非導(dǎo)電、低相對介電常數(shù)(εr≤1.4)材料上，距參考接地平面上方50mm±5mm的位置。所有導(dǎo)線和電纜應(yīng)放置在距離參考接地平面邊緣至少為100mm的位置。

受試設(shè)備若帶負(fù)載，將負(fù)載直接放置在參考接地平面上方。如果負(fù)載外殼為金屬，則外殼應(yīng)與參考接地平面搭接。在進(jìn)行傳導(dǎo)發(fā)射電壓法測試時，射頻信號源按照之前校準(zhǔn)步驟記錄的輸出電平將射頻能量注入到HV端口上，此時，應(yīng)將測試接收機(jī)連接至LV人工網(wǎng)絡(luò)，測量LV側(cè)干擾電壓。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)信號分別注入于HV+端口和HV-端口時，都應(yīng)對LV+和LV-分別進(jìn)行測量。測量結(jié)果需滿足標(biāo)準(zhǔn)中平均值與校準(zhǔn)用限值相同等級的LV發(fā)射限值要求。

■ 2.3 傳導(dǎo)發(fā)射—電流法

傳導(dǎo)發(fā)射電流法是測量LV側(cè)的騷擾電流。

在進(jìn)行傳導(dǎo)發(fā)射電流法測試時，射頻信號源按照之前校準(zhǔn)步驟記錄的輸出電平將射頻能量注入到HV端口上，此時，應(yīng)將測試接收機(jī)連接至LV線束上的電流鉗，測量LV側(cè)線束上的騷擾電流。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)信號分別注入于HV+端口和HV-端口時，都應(yīng)對LV+和LV-電源線上分別（如果可行）和一起進(jìn)行測量，并且，電流探頭應(yīng)分別放置于與受試樣品距離50mm和750mm（取決于線束的長度）進(jìn)行測量。測量結(jié)果需滿足標(biāo)準(zhǔn)中平均值與校準(zhǔn)用限值相同等級的LV發(fā)射限值。

■ 2.4 HV—特殊輻射發(fā)射試驗(yàn)

這種方法是測量整個布置的輻射發(fā)射。

在進(jìn)行輻射發(fā)射測試時，射頻信號源按照之前校準(zhǔn)步驟記錄的輸出電平將射頻能量注入到HV端口上，此時，應(yīng)將測試接收機(jī)連接至接收天線，測量整個試驗(yàn)布置的輻射發(fā)射場強(qiáng)。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)信號分別注入于HV+端口和HV-端口時，都應(yīng)對水平極化和垂直極化分別進(jìn)行測量。測量結(jié)果需滿足標(biāo)準(zhǔn)中平均值與校準(zhǔn)用限值相同等級的LV發(fā)射限值。

■ 2.5 高低壓耦合測試的軟件實(shí)現(xiàn)

高低壓耦合測試軟件開發(fā)的總體框架為：儀器初始化→設(shè)置儀器通訊地址，讀取數(shù)據(jù)庫內(nèi)容→設(shè)置射頻信號源輸出頻率和電平→調(diào)整功率放大器輸出功率→讀取功率放大器的前向功率和反向功率→電流注入鉗將干擾信號耦合至線束→讀取人工電源網(wǎng)絡(luò)端測量電平→判斷當(dāng)前頻點(diǎn)的電平是否滿足測試要求→頻率步進(jìn)→判斷當(dāng)前頻率值是否大于終止頻率→測試結(jié)束，軟件流程簡圖如圖2所示。

圖2 高低壓耦合軟件設(shè)計流程簡圖

整個測試系統(tǒng)采用上位機(jī)控制，通過GPIB總線或網(wǎng)線，發(fā)送NI VISA協(xié)議與試驗(yàn)儀器設(shè)備連接通信，聯(lián)動控制射頻信號源輸出電平、功率放大器的工作狀態(tài)以及功率計的前向功率、反向功率實(shí)時采集，測量端接收機(jī)實(shí)時采集電壓數(shù)據(jù)。自動控制軟件則采用智能化編程語言LabVIEW實(shí)現(xiàn)對整個測試裝置的控制、顯示與測試，完成整個校準(zhǔn)和測試工作。系統(tǒng)連接示意如圖3所示。

圖3 HV-LV coupling系統(tǒng)連接圖

首先，應(yīng)設(shè)置測試系統(tǒng)中所調(diào)用的信號發(fā)生器、射頻功率放大器、功率計、測量接收機(jī)，用于監(jiān)看前向注入功率和反射功率，在軟件中設(shè)定它們的VISA通訊地址和儀器型號。

其次，測試軟件應(yīng)能根據(jù)實(shí)際試驗(yàn)需要，由測試人員定義不同頻段處所使用的信號鏈路設(shè)置，比如在低頻段低等級時應(yīng)使用射頻功率放大器放大注入電平以滿足高電平校準(zhǔn)要求，而在高頻段則需使用射頻信號源直接注入的方式，以避免功率放大器底噪對低電平測試的影響。

接著，應(yīng)設(shè)置測量接收機(jī)的各個測量參數(shù)，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，在校準(zhǔn)過程中，應(yīng)采用帶寬為9kHz的平均值檢波器，同時，需定義頻率步進(jìn)，通過頻率掃描完成整個測試頻段的測試。

■ 2.6 注入信號的校準(zhǔn)

首先，將信號源的輸出端連接至HV側(cè)耦合注入電流鉗或電容上，將HV AN的射頻輸出端口連接至測量接收機(jī)。計算機(jī)控制測量接收機(jī)設(shè)置其測量帶寬、測量時間和檢波器，并設(shè)定接收機(jī)的調(diào)諧頻率，使其與信號源的輸出頻率相同。

接著，根據(jù)當(dāng)前校準(zhǔn)所需的校準(zhǔn)電平，控制軟件根據(jù)需要選擇利用射頻功率放大器放大射頻信號源輸出電平，或?qū)⑸漕l信號源輸出電平直接注入到耦合設(shè)備上。開啟信號源電平輸出，然后讀取測量接收機(jī)的讀數(shù)，根據(jù)接收機(jī)讀數(shù)自動調(diào)整信號源的輸出電平，直到符合所需校準(zhǔn)電平大小，隨后軟件記錄下當(dāng)前頻率下注入電平所需的信號源設(shè)定值，用于后續(xù)高低壓耦合測試。之后軟件根據(jù)試驗(yàn)設(shè)定的步進(jìn)進(jìn)行下一個頻率點(diǎn)的電平校準(zhǔn)，直到完成整個測試頻段，測試系統(tǒng)軟件校準(zhǔn)界面如圖4所示。

圖4 測試系統(tǒng)軟件校準(zhǔn)界面圖

■ 2.7 高低壓耦合的自動測試

高低壓耦合的三種測試方法的測試原理基本相同，主要差異在于測試布置的不同和測試信號獲取方式的不同。對于測試系統(tǒng)來說，其基本原理就是，由測試軟件控制射頻信號源復(fù)現(xiàn)校準(zhǔn)過程中記錄的注入電平，同時，由測量接收機(jī)讀取測量耦合設(shè)備（如LV人工網(wǎng)絡(luò)，電流監(jiān)測鉗，雙錐天線等）輸出端口的電平，然后通過軟件的系數(shù)轉(zhuǎn)換，形成最終測試結(jié)果。

在測試過程中，首先仍然由測試軟件設(shè)定信號源注入的射頻路徑，以及測試時測量接收機(jī)所用的相關(guān)設(shè)定。然后，測試人員選擇當(dāng)前需要注入的HV端口和測試的LV端口。此時軟件同時控制射頻信號源和測試接收機(jī)設(shè)定至相同的測試頻率，并控制信號源輸出校準(zhǔn)過程中記錄的試驗(yàn)電平，然后測試軟件控制測量接收機(jī)讀取測量耦合端口輸出的電壓并加上當(dāng)前設(shè)備的耦合系數(shù)，形成當(dāng)前頻率的最終測試結(jié)果，顯示于軟件界面，并繼續(xù)下一個頻率點(diǎn)測試，直至完成整個測試頻段的測試。

3 結(jié)束語

高低壓耦合的測量是非常值得去研究和探討的測試。對高壓部件在新能源汽車上的使用越來越頻繁，如果能對高壓電路到低壓電路的耦合傳導(dǎo)路徑進(jìn)行判定，如何提前避免高壓部件對低壓部件的干擾和串?dāng)_是需要高度重視的一個方向。高低壓耦合的測量方法給出了提早避免這些問題的一個方法。此方法是首次提出，還有很多細(xì)節(jié)之處需要進(jìn)一步研究。完善這個方法將有助于新能源汽車事業(yè)的發(fā)展。