电动汽车-高压环境下的测试技术与方案

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》

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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 <V≤ 1500V (DC) 或30V <V≤ 1000V (AC) 。

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。

从事车辆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。