近年来全球大力发展新能源汽车产业，新能源汽车零部件具有电压高，电流大的特点，所以其EMC性能问题也日益受关注。在2016年，ISO标准化组织更新了CISRR 25标准，相较于老版本而言，新版本标准增加了新能源汽车高压电气化产品的EMC测试方法和要求，其中包括新能源汽车电机带载状态的EMC测试方法，主要有3种方法：传导发射电流法、传导发射电压法、辐射发射法。本文主要是针对不同的测试工装设计方案对辐射发射测试结果的影响进行相关研究分析。 01研究背景 根据标准中要求，辐射发射测试布置按照图1进行，测试电机安装在暗室内测功机台架上，电机控制器放置在绝缘支撑上，外壳需要与接地平板相连；LV线束和HV线束长度为1700~2000mm，与接地平板前端平行的线束长度应为1500mm；电机控制器与电机之间的三相线的长度应不超过1000mm。所有线束除非物理上不可行都应放置在绝缘支撑上。这些部分在标准中都有较为详细的描述，但是一些细节上标准中并未有涉及，比如说需要如何制作测试电机与测功机连接的工装、对此工装在材质与结构上有何要求、电机加载EMC测试需要在什么样的工况下进行测试，这些细节在标准中都是没有规定，然而这些也都是我们每次测试会碰到也必须解决的问题。图1 电机加载辐射发射测试布置图（以杆天线为例） 02测试方法与数据分析 在标准中有提到电机机械轴承与测功机传动轴连接的工装设计处理方案,可能会使电机传动轴成为噪声的泄露途径。所以我们根据这一点，来研究对不同测试工装设计方案是否会对测试结果有影响。因为我们使用的暗室内测功机台架设计方式是测功机传动连接轴与电机L型安装支架是导通的，所以此处是针对测功机传动轴与电机机械轴两种不同的连接方式来进行分析比对。一种方案是使用金属轴将测功机传动轴与电机机械轴相连，这个方案在电机安装上去之后，电机的机械轴与测功机传动连接轴和电机L型安装支架导通，也就是说电机的机械轴与电机的外壳导通。另一种方案是绝缘轴方案，电机的机械轴与测功机传动轴和L型安装支架隔离，不导通。以下是某个电机与控制器二合一样品的两种方案的辐射发射测试结果。以峰值检波器为例，蓝色线为金属轴测试数据，绿色线为绝缘测试数据。图2 0.15~30MHz_垂直 图3 30~200MHz_垂直 图4 30~200MHz_水平 图5 200~1000MHz_垂直 图6 200~1000MHz_水平 图7 1000~2500MHz_垂直 图8 1000~2500MHz_水平 从图2至图8的测试数据曲线上可以看出，两种工装设计方案所测得的数据主要存在差异的频点是在杆天线测试的2MHz~30MHz，最大相差30多dB。回过头来看，两种工装设计方案的目的都是为了使电机的机械轴连接到测功机的传动轴来实现带载工况，首先从电驱系统工作的原理上来分析，在电驱系统工作时，由逆变器功率器件 IGBT 的快速通断形成的陡峭电压边沿通过电机内的寄生电容产生干扰电流。该电流被称之为轴电流。一般轴电流分为两种，见图9。 图9 轴电流第一种是环电流，由上述开关电压边沿变换在绕组与机壳之间的等效电容以及对地都将产生高频容性漏电流，这类漏电流将导致电机轴周围定子绕组的磁通不平衡，从而感应出高频轴电压Vshaft。当电机轴承上的润滑油膜的绝缘性寄生电容不能承受轴电压而击穿，容性电流形成，该电流沿着轴循环，通过轴承，然后沿着框架到另一个轴承，然后回到轴上。同时该循环电流总是伴随着静电放电电流，所以这也是影响辐射发射测试结果的因素之一。而这种电流环路信号在两种工装方案中都会存在。 第二种是转子轴电流，在金属轴工装方案中电机绕组与机壳之间的寄生电容流过的高频容性“漏电流”所引起的环流回流途径电机轴承上→电机轴→工装金属轴→到接地系统，再到电机控制器。从辐射发射测试的本质来说，这个“漏电流”大小是变化的，该电流所在的环路可以等效成一个天线，对外产生辐射。然后在绝缘轴方案中，是通过绝缘片将此信号电流隔离，没形成这个回路，所以也未形成这个对外的空间辐射。根据以上情况，通过使用轴电流探头，发现在金属轴工装上测得在小于30MHz的频率下，有较大的电流信号。 导论 以上结果分析表明，电机加载EMC测试工装的设计影响着辐射发射测试结果，本文主要讲述了使用绝缘轴与金属轴的结果差异，除此之外还有绝缘轴绝缘层厚度、若使用轴承连接，使用轴承的数量等方面同样也会影响到测试结果。上电科作为专业科研检测机构，有着专业的技术团队以及专门的新能源产品试验室，正在更进一步的研究新能源汽车高压部件的测试。
07-15
2020
燃料电池作为一种将燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置，其理论热效率高达近100%，实际转换效率也可达50%~60%，且其产物仅有水，因此其能量转化效率高、功率密度高、噪音低以及零排放等方面具有不可比拟的优势。被“时代周刊”列为改变未来世界的十大新科技之一。氢燃料电池堆是整个燃料电池产业链的核心部分，而氢燃料电池堆的关键零部件的性能直接关系到电池堆的使用可靠性，单体零部件的性能对燃料电池堆的整体性能起着决定性的影响，因此电池堆关键零部件的性能成为电池堆生产商选材必须要考虑的问题，因此在电堆集成前需要对各个部件的工作稳定性进行测试。本文梳理了质子交换膜燃料电池的关键零部件的典型测试要求，包括质子交换膜、电催化剂、膜电极、双极板、扩散层等。1. 质子交换膜质子交换膜是电堆的核心组件，以聚合物膜作为电解质，其性能直接影响燃料电池的性能。 质子交换膜主要作用：一方面为电解质提供氢离子通道，一方面作为隔膜隔离两级反应气体，此外还需要对催化剂层起到支撑作用。测试标准依据GB/T 20042.3-2009《质子交换膜燃料电池 第3部分：质子交换膜测试方法》。主要测试项目包括：厚度均匀性、透气率质子交换传导率、离子交换当量、拉伸性能、吸水率和溶胀率。以测试项目中的力学性能试验-拉伸强度测试为例，需要采用万能试验机测量材料在拉伸过程中承受的最大拉伸应力，以MPa表示。材料的拉伸强度作为一项重要的力学性能，其性能直接关系到材料使用过程中的可靠性，对于拉伸强度较小的材料，会因使用过程中拉伸外力造成材料断裂现象引起材料失效。试验样品：哑铃型或长条形，每方向3根；在温度25℃±2℃，相对湿度50%±5%的条件下至少处理4h；试验参数：50-200mm/min。 图1 万能试验机 a-脆性材料，b和c-有屈服点的韧性材料，d-无屈服点的韧性材料图2 典型拉伸应力-应变曲线2. 电催化剂电催化剂使电极、电解质界面上的电荷转移加速反应的一种催化剂，催化剂是质子交换膜燃料电池膜电极（MEA）的关键材料之一，决定了电池的放电性能和寿命。电催化剂测试标准依据GB/T 20042.4-200《质子交换膜燃料电池 第4部分：电催化剂测试方法》。主要测试项目包括：Pt含量测试、电化学活性面积、比表面积、孔容、孔径分布、形貌及粒径分布、催化剂密度等。 图3 气相色谱仪3. 膜电极膜电极是燃料电池堆的核心零部件，是燃料电池发生电化学反应的场所，其性能直接决定着燃料电池的发电能力及寿命。膜电极测试标准依据GB/T 20042.5-2009《质子交换膜燃料电池 第5部分：膜电极测试方法》。主要测试项目包括：厚度均匀性、Pt担载量、单电池极化曲线、渗氢电流密度、活化极化过电位和欧姆极化过电位。其中极化曲线测试是燃料电池测试中最常采用的性能评价测试方法，反映的是燃料电池膜电极在不同电流密度下的电位。04图4 典型燃料电池极化测试曲线 4. 双极板双极板是将质子交换膜燃料电池串联起来组装成电堆的关键部件，双极板用于分隔氢气与氧气并收集电流，双极板两侧分别与阳极和阴极的膜电极接触，并支撑其他部件，其质量直接影响燃料电池电堆的输出功率和使用寿命。双极板原材料主要包括：石墨、金属材料、复合材料。测试标准依据GB/T 20042.6-2011《质子交换膜燃料电池 第6部分：双极板特性测试方法》。主要测试项目包括：气密性、抗弯强度、密度、电阻、和腐蚀电流等；双极板部件的主要测试项目包括气体致密性、阻力降、面积利用率、厚度均匀性、平面度和电阻。双极板材料体积电阻率和接触电阻测试采用四探针电阻测试仪，试验样品5cm×5cm，或有供需双方决定，数量5个（至少保证3个有效值）；体积电阻率作为材料的一个重要性能，其性能优异直接代表了材料使用的绝缘可靠性，体积电阻率较高的材料代表在同等使用工况下其绝缘可靠性更高；体积电阻率测试：靠近边缘和中心的5个位置进行测试，记录不同部位体积电阻值。图5 四探针法测电阻率装置原理图接触电阻测试：电极为镀金铜电极，测试时扩散层碳纸作为试样两侧支撑物，压力每增加0.1MPa进行一次测试，直到两次变化率≤5%；取出样品后剩下装置分别测试不同压力下的电阻值。图6接触电阻测试装置示意图 5. 碳纸碳纸是目前应用最广泛的扩散层材料，气体扩散层用于分布反应气体，在电极和双板之间传导子热量，测试标准依据GB/T 20042.7-201《质子交换膜燃料电池 第7部分：炭纸特性测试方法》。测试项目包括：厚度均匀性、电阻、机械强度、透气率、孔隙率和表观密度、面密度、粗糙度。用到的设备主要是扫描电子显微镜。扫描电子显微镜(SEM) 是一种介于透射电子显微镜和光学显微镜之间的一种观察手段。其利用聚焦的很窄的高能电子束来扫描样品, 通过光束与物质间的相互作用, 来激发各种物理信息, 对这些信息收集、放大、再成像以达到对物质微观形貌表征的目的。此外, 扫描电子显微镜和其他分析仪器相结合, 可以做到观察微观形貌的同时进行物质微区成分分析。图7 扫描电镜及原理示意图 总结综上，本文介绍了燃料电池关键部件的一些材料力学、电学基础性能和微观形貌分析测试，主要是参照国家标准、以及评估材料性能对于关键部件的基础性能的影响来进行测试。单体部件的性能对燃料电池电堆的整体性能（发电效率、环境适应性、长期使用可靠性等）起着决定性的影响，因此其各项性能检测在研发、生产过程中至关重要。
07-15
2020
新能源车的续航里程和安全性成为新能源车关注的焦点，续航里程增加，要求能量越高，动力电池系统潜在的风险增大。国内外针对电池系统展开了测试评价工作，制定了相关的标准和测试手册，且整车企业要求往往参照并高于相应标准，结合整车实际使用条件展开测试。目前，电性能方面的研究主要是根据车用的常用工况及使用条件，成品电池系统在测试过程中，有诸多影响其电性能的因素，本文主要是针对同一电池系统，相同的温度条件下，采用不同的环境箱规格尺寸，不同的出风口位置，不同的测试布局，对电池系统的电性能测试结果进行研究。 01 理论分析 锂离子电池的充电过程表现为吸热反应，放电为放热反应。充电初期，电池的极化内阻较小，内阻产热较小，此时吸热反应占主导地位，表现为电池的温升基本不变甚至可能出现温度些许降低的现象；充电后期，电池的内阻较大，电池的内阻耗热较高，此时释放的热量高于吸热的，表现为电池的温度快速升高。 为保证电池系统的寿命和安全使用，每个电池系统均有其允许工作的最高温度和最低温度、允许的最大电流（功率）等。在整车实际运行 过程中，电池系统中BMS允许输出的电流（功率）是根据电池系统的实际运行条件实时调整的。如若在放电阶段散热不及时，温升较高，限制其在工作时最大的输出功率；而在接下来的充电启动时，若温度不能有效降低，同样会限制其允许的最大充电电流，可能会出现暂时的不能充电情况。因此，在成品电池系统测试过程中，其所处的环境条件对测试结果的影响会较大。电池系统中的模组布局，周围有水冷管道，也有BMS、热管理系统、电气系统等，不同位置的电芯其散热速度不尽相同，比如靠近高压接口等电气系统位置的电芯，散热相对较慢；测试所采用的不同规格环境箱的内部空间体积不同、散热出风口位置不同，对电池系统的电性能测试结果影响较大。从理论上分析，搭建的布局方式影响着电池系统的散热效果，可能会出现其不同位置的模组的温度偏差较大，长期保持会导致电池系统内模组或电芯的不一致性加剧，缩短电池系统的使用寿命，同时也增大了安全隐患。 02 试验验证 本试验是依据委托单位提供的动力电池系统电性能及热管理测试方案进行，试验过程中监控动力电池系统的电压、电流、各单体电芯电压、温度变化。为保证试验数据的有效性，试验结果的可比对性，本试验是同一测试工程师，采用相同的充放电通道、相同的水冷制度进行搭建。 本试验采用两种不同规格的环境箱，对同一电池系统进行相同条件的试验。试验一采用的10立方环境箱，内尺寸为2.5m*2m*2m，开门方式为2.5m方向全开门，出风口在2m方向的底侧（如下图1），电池系统的布局方式如图1所示；试验二采用的15立方环境箱，内尺寸为3m*2.5m*2m，开门方式为2.5m方向全开门，出风口在2.5m方向的底侧（如下图2），电池系统的布局方式如图2所示。在45℃的环境箱温度下，启动电池系统跟随BMS的请求信号进行充放电循环测试，试验结果差异较大。图1 10立方环境箱及电池系统布局方式 图2 15立方环境箱及电池系统布局方式03 结果分析 试验一和试验二，在高温循环过程中电池系统的电压、电流和电芯的最高和最低温度变化分别如下图3和图4所示。图3 试验一电池系统循环过程电压、电流、电芯温度曲线图4 试验二电池系统循环过程电压、电流、电芯温度曲线 试验一在循环过程中电芯最高温度为54.5℃，试验二的为53℃，试验一中电芯温升更高；试验一进行四个循环的时间几乎是试验二时间的2倍。我们将其中一个循环放大，比较二者的电流和温度情况，结果如下图5所示。可以清晰地看出，两个试验中电流变化出现很大的不同，试验二的大电流充电和放电时间均较试验一长，试验一中充电初期电流几乎维持在0左右。 试验中实际输出的电流是根据请求整车的BMS信号中允许的最大电流进行输出的，为了保证电池系统的安全及其有效寿命，一般控制电池系统在一定的温度条件下进行工作，同时也设定过流保护、过温保护等条件，因此，试验中，当温度升高到一定程度时，会通过减小实际输出的电流（功率）来降低电池系统的温度。当温度达到合理的温度时，实际输出的电流（功率）会相应增大。也就是说，整车的BMS允许输出的电流（功率）是根据电池系统不同的SOC、不同的绝缘状态、不同的温度、不同的温差等条件实时调整的。 从图5中可以看出，试验一在放电结束时，电池系统中的电芯最高温度达到了53.5℃，接近电池系统允许的最高温度，此时整车中允许的充电电流（功率）基本为0，导致试验中实际的充电电流值维持在0左右，随着温度的降低，整车允许的电流（功率）增大，然而10立方的环境箱及布局方式不利于其散热，导致即便在冷水机开启的情况下，电芯的最高温度回升较高，从而再次降低了充电电流。试验二中放电结束时电芯的最高温度为51℃，15立方环境箱充分保证了散热，加上接下来的充电过程为吸热反应，在冷水机开启的状态下，整车允许的充电电流逐渐增大，并维持在一定的电流范围内，在充电后期，随着电池系统SOC的升高，允许的充电电流逐渐降低，直至达到满充电状态。由试验数据可以看出，同一个循环，试验一的用时几乎是试验二的1.5倍。 再从温差方面来看，试验一的温差较大，最大温差出现在电池系统的电芯温度达到最高温度点的时候，最大温差达到6℃，随后的过程中，温差基本维持在4.5℃~6℃之间；而试验二中，最大温差同样出现在最高温度点附近，约为5℃，在充电后期温差基本维持在2.5℃以内。不同规格的环境箱、不同的布局方式，电池系统内的各单体电芯的温度不同，温度偏差不同。图5 第一个循环过程，试验一和试验二比对曲线图图6 第一个循环过程，试验一和试验二温差变化图 从电池系统内各个温度点的变化曲线来看（如图7和图8），试验一的各个温度点出现了温度分层，上层模组的几个温度点比其他的温度点最高相差6℃，两层间温度相差2℃左右；试验二的各个温度点的温度集中在某一温度范围内，没有明显的温度分层现象。因此，环境箱的大小、环境箱出风口的位置，也影响电池系统内温度的温升及散热情况，影响最终的温差。电池系统内各处温度点代表着相应的模组或电芯的温升情况，温度出现分层，会导致在之后的使用中各处的温度不一致，温差相对较大，影响电芯的性能及寿命，造成电池系统内各电池模组及电芯的一致性差，最终影响电池系统的性能和寿命。 图从以上试验结果来看，动力电池系统在实际安装在电动汽车上时，也需相应考虑动力电池系统的散热空间以及其与出风口的相对位置，使得动力电池系统在良好的散热基础上，也能够尽量地保持其电芯及模组的一致性，提升电池系统的电性能、寿命及安全性。8 试验二，第一个循环中电池系统内各个温度变化曲线。04 结论 动力电池系统的性能影响着电动汽车行业的发展，对其研究需要结合整车实际使用需求，从动力电池机理进行分析，参照相应标准进行试验。本试验主要研究了针对同一动力电池系统样品，在相同的水冷条件下，采用不同规格的环境箱、相对出风口不同位置进行测试，结果表明：1）环境箱空间较大的有利于动力电池系统的散热，温升较低；2）出风口位置垂直模组的排布方向摆放时，动力电池系统的温升较低，且模组间温度不会出现分层现象；3）在整车安装上，需同时考虑动力电池系统的散热空间及其与出风口的相对位置，以提高动力电池系统的电性能、寿命及安全性。 作者简介： 郭慰问 上海电器设备检测所汽车事业部电池试验室部长，主要致力于动力电池的测试分析以及国内外电池标准的研究。国家汽车电气化产品及系统 质量监督检验中心介绍 上海电器设备检测所有限公司-国家汽车电气化产品及系统质量监督检验中心（简称STIEE-汽车国家中心），STIEE-汽车国家中心具有全面的汽车电气化产品测试能力，下设电磁兼容、环境可靠性、电化学、功能安全、材料、失效分析等专业共性实验室，产品类别涵盖低压零部件，动力电池、驱动电机及控制器等各类高压部件，充电桩及充电机，车用继电器、智能网联终端等汽车电气化部件产品，为行业、企业提供国内专业一流的一站式第三方检测服务。电机加载暗室 AVL 充放电系统 温度、湿度、振动、充放电四综合系统两箱式温度冲击箱 业务联系人：张华中021-62574990-146；15000879117 zhanghz@seari.com.cn技术联系人：潘青梅 021-62574990-775；15902176329 panqm@seari.com.cn
06-05
2020
新能源动力电池由多个电芯组成一个模组，多个模组放在一起组成动力电池。多个模组的串联就必然要用到导电连接。目前，新能源汽车主要用的是软铜排串联方式，因为软铜排的良好的导电效率，有外层的绝缘保护，中间柔性的结构可以缓冲汽车行驶中的应力，可以保障汽车的安全性与稳定性。由此可知，铜排作为一个连接的载体其性能是至关重要的，那么如何保障装配在新能源汽车上的铜排是符合要求的呢？毫无疑问，标准的检测流程是证明其符合要求唯一的手段。 本文依据客户委托的铜排busbar测试方案，并结合主要相关标准，分析归纳出铜排在基础性能、电性能、环境及机械、阻燃性能、老化耐久等几个方面的测试要求，并对这些测试项目进行理论分析和实际展示。 01 电池包铜排的测试要求 铜排作为电池包内部的连接部件和导电总母排，也叫铜排busbar。其作用一方面是连接和导电；另一方面一些厂商不断推高电池容量以增加电动汽车续航能力，但由于电池包的设计一般都采用紧凑结构，电池本身的发热倾向于往中部聚集，其结果是动力电池系统的散热也相应的越来越成大，而使用铜排软连接可以让电池包中的热量及时散开，以保持电池模组内的温度正常，故而铜排还兼顾有散热作用。 因此铜排作为如此重要部件，其不仅要满足自身的性能要求，同时还应满足道路车辆部件的相关要求。目前针对电池包铜排没有专门的对应标准，其要求绝大多数是参考GB/T 25085（ISO 6722）《道路车辆60V和600V单芯电线》、GB/T 31467.3《电动汽车用锂离子动力蓄电池包和系统》、GB/T 28046.3《道路车辆 电气及电子设备的环境条件和试验 第3部分机械性能》、GB/T 28046.4《道路车辆 电气及电子设备的环境条件和试验 第4部分气候负荷》。 主要测试项目归纳如表1: 02 电池包铜排的测试方法解析 针对铜排busbar的测试方法分析，我们以理论分析和实际测试图片展示为主，并在关键测试项目进行失效因素分析。外观检查 外观检查主要是为了使铜排外观状态符合出厂技术要求，其外表通常要求平整、无毛刺、无可见缺陷及变形等，其方法为：使用目测观察铜排外观状态。 如图1为外观检查实测图： 图1尺寸测量 尺寸测量其目的是为了检查铜排是否符合设计要求，如果铜排外尺寸不合格，则会直接影响到装配效果。 其方法为：使用卡尺检查铜排。如图2为尺寸测量实测布置图。 图2 电压降 我们知道铜排busbar本身有内阻，那么导通在铜排接触两端电压势必有电势降低。电压降测试就是为了比较铜排接触两端的电压与输出电压（端子到端子两端），其电压降值应符合技术要求。 其方法为：通过规定的电流I，用高精度万用表测量铜排接触两端电压U1，输出电压U，测得△U=U-U1；如图3电压降实际操作状态图。 图3 一般来说，铜排电阻率是影响电压降关键因素，而电阻率又和材料有关。目前制造铜排好的材料是选用紫铜，紫铜具有延展性好、抗腐蚀好、导电率高的优点。 电性能试验 电性能的目的是为了按要求计算出导电率和电阻系数，以确定铜排的基本参数符合规定要求，我们可以按照GB/T 351中的方法计算：耐电压、绝缘电阻试验 作为电池包pack内部重要的连接和导电部件。一般来讲，铜排在电池内部可以承受到200~300V的高压，如果其耐压和绝缘性能不过关，可能会导致漏电增多、内部短路等情况，严重可能引发安全事故，因此型式验证必不可少。 其方法为：在一定的相对湿度时，在铜排绝缘层外均匀缠绕锡铂纸，在总成导体与锡铂纸间施加交流500~2500V（绝缘施加直流500V），持续进行1min。铜排绝缘应不被击穿或者符合最低绝缘要求。图4为耐压和绝缘实际应用实例图。 图4 耐压绝缘实际操作布置 我们可以从测试原理上得知，表面绝缘材料和施加的测试电压是影响绝缘的两个重要因素。对于测试电压的选择：一般情况下规定额定电压低于500V的设备，选用500V或1000V作为测试电压；额定电压大于500V的设备，选用1000V或2500V作为测试电压。对于材料选择：制造商应根据产品性能选择合适的绝缘材料，确保产品符合验收要求。 温升试验 温升的主要目的在于控制铜排在工作时的发热量。其方法为：在规定的环境温度下，在铜排两个导流端上施加额定电压并通过额定电流，热平衡（至少1h）后，测量铜排表面温升。图5铜排表面温升实际操作图。 图5 铜排表面温升实际布置图 一般情况下，影响铜排温升的因素为导流端与铜排的接触电阻和环境温度。 导流端与铜排的接触松动，形成接触面电阻过大，根据W=I2*R*t可知，其在相同的时间内，在通过导流端电流一定情况下，接触电阻越大，产生的热功率就越大，从而使接触端温升较大。为了避免接触电阻过大问题，必须选用匹配的螺栓紧固导流端和铜排。 测试环境空气不流通使铜排产生的热量不能有效散去，长时间聚集使周围环境温度升高，从而使铜排表面温升升高。再者环境箱中风速过大或铜排部分靠近出风口，也会造成铜排表面温升不均匀。因此我们在选择的测试环境上必须为恒定环境。 低温、高温试验 低温、高温试验主要是模拟铜排会在实际中会遇到的冷热气候，目的在于检查铜排在经过极限温度之后，其外观是否有变形、绝缘和耐压性能是否有降低。 其方法为：低温在不低于-40℃下，存储不超过24h；高温不超过85℃，存储不超过48h。根据GB/T 28046.4中规定-40℃是车辆极限低温，因为我国北方最寒冷气温平均能到-40℃左右，又根据产品在车上的安装位置决定了其高温温度。图6为铜排高低温试验操布置参考图。图6 铜排高低温实际布置图 温度冲击试验 温度冲击试验是为了验证铜排在两个极限温度反复变换时，是否对其性能产生影响 例如在经过极限温度冲击之后，其外观是否有变形、绝缘和耐压性能是否有降低、前后电压降是否合格。 其方法为：可根据GB/T 31467.3中规定将铜排置于（-40℃±2）℃~（85℃±2）的交变环境箱中，两种极端温度的转换时间在30min内，每种极端温度保持8h，循环5次。图7为温度冲击模拟曲线。图7 温度冲击模拟曲线 一般没有特别规定条件下，铜排busbar为不带电进行温度冲击试验，试验前后目视外观、验证电压降和绝缘性能。图8为实测布置图： 图8 温度冲击测试布置图湿热循环试验 湿热循环是为了验证铜排在高温、高湿条件下，其性能是否产生影响。例如在经过高温之后，其外观是否有变形；经过高湿环境下，绝缘和耐压性能是否有降低、前后电压降是否合格。 其方法为：可根据GB/T 31467.3中规定将铜排置于温度不低于80℃，湿度不低于85％条件下进行试验。一般没有特别规定条件下，铜排busbar为不带电进行温湿循环试验图9为温湿循环实测布置图。 图9 温湿循环实测布置图 振动、机械冲击试验 铜排作为电池包内部重要的连接部件，振动和冲击验证关键是保证铜排不断裂、变形，验证前后绝缘和电压降符合要求。 其方法为：振动可根据GB/T 31467.3中规定执行在10~1000Hz频率下，RMS为27.8m/s2的随机振动，或者按照GB/T 28046.3中根据相关位置选择参数进行测试。机械冲击可根据GB/T 31467.3中规定25g，15ms，或者按照GB/T 28046.3中规定执行测试。图10为铜芯线束振动、机械冲击实测布置图。图10 铜芯线束振动、机械冲击实测布置图 阻燃性能 电池系统作为一个高能量储能载体，其危险性为起火、爆炸，而铜排作为电池包内部重要的连接部件，其表面绝缘材料阻燃性能必须符合要求。 其方法为：阻燃性能可参考GB/T 2408中规定，铜排一般选择垂直燃烧法，记录余焰燃烧时间。 一般根据综合考虑，铜牌的阻燃性能应达到V-0级。 老化试验 老化试验目的是为了验证铜排总成在长时间高温条件后，其表面绝缘层是否有开裂、变形，总成绝缘和耐压性能是否有降低。 其方法为：可参考GB/T 25085中“240h短期老化”和“3000h长期老化” 一般“短期老化”是为了模拟热漂移，铜排表层绝缘材料在经过短期老化之后，是否会发生热胀冷缩现象；而“长期老化”主要是为了模拟耐热性能，铜排绝缘层在长时间高温环境中必然会发生变化，其变化是否会影响绝缘性能和耐压性能。图11为铜排总成实际进行“240h短期老化”实测布置图；图12为铜排总成试后目视观察图；图13为试后绝缘性能实测图。 图11 铜排总成“240h短期老化”实测布置图 图12 铜排总成试后目视观察图 图13 试后绝缘性能实测图 试验结果表明，合格的绝缘层材料其在经过老化试验后，其外观和绝缘耐压性能也是符合要求的。 最后，汽车的发展将越来越趋向于电气化，电气化的核心将带动产品研发趋向于高压大电流发展。目前传统实验室检测能力一般限定在24V或48V以内，而上电科作为综合性科研试验机构，有着专门的新能源产品实验室，能力可达到DC 2000V-2400A。 国家汽车电气化产品及系统 质量监督检验中心介绍 上海电器设备检测所有限公司-国家汽车电气化产品及系统质量监督检验中心（简称STIEE-汽车国家中心），STIEE-汽车国家中心具有全面的汽车电气化产品测试能力，下设电磁兼容、环境可靠性、电化学、功能安全、材料、失效分析等专业共性实验室，产品类别涵盖低压零部件，动力电池、驱动电机及控制器等各类高压部件，充电桩及充电机，车用继电器、智能网联终端等汽车电气化部件产品，为行业、企业提供国内专业一流的一站式第三方检测服务。电机加载暗室 AVL 充放电系统 温度、湿度、振动、充放电四综合系统两箱式温度冲击箱 业务联系人：张华中021-62574990-146；15000879117 zhanghz@seari.com.cn技术联系人：潘青梅 021-62574990-775；15902176329 panqm@seari.com.cn
05-29
2020
氢燃料电池汽车相比纯电动车和燃油车在替代燃料与零排放方面具有无可比拟的优势。近两年，国内对于氢能和燃料电池汽车的关注度极大的提升，目前已发布多个工作规划，系统推进氢燃料电池汽车的研发与生产。氢燃料电池作为车内的电气部件，与氢燃料电池汽车的续驶里程、安全性息息相关，车企同样会要求其EMC性能，如何进行EMC设计，成为了氢燃料电池电气工程师必须考虑的问题。 1 氢燃料电池系统分析 燃料电池系统与传统车相比，主要特点是零部件比较多且整体布置复杂紧凑，为了使得系统中各零部件互不干扰，尽量在零部件设计源头上就要充分做好相应的电磁兼容措施。当电磁干扰产生时，首先排除干扰源来自哪里，然后分析接地、滤波、屏蔽等是否可以优化以及是否能将干扰隔离等，其次再考虑被干扰设备抗扰能力。 1.1 大功率DC/DC类开关部件 燃料电池系统内含高压DC/AC和高压DC/DC转换器，以及动力控制单元FCU内的DC/DC转换器，IGBT功率管的高速切换导致高速变化的电压（dv/dt）和电流（di/dt）以及浪涌电流和尖峰电压，这会引起大量的辐射干扰。另外功率开关管开通和关断瞬间，由于分布电感和分布电容的存在，电感电流容易发生高频振荡，系统内控制单元内部的时钟晶振频率也会产生高频噪声，这些因素都会产生强大的电磁干扰，这种电磁干扰处理不好会严重影响整车控制器与CAN通信，导致CAN通讯频繁报错，无法正常通讯。 1.2 空压机、水泵、氢循环泵等电机、电控类零部件 直流电机换向器的电流换向时会引起电流瞬间的大幅波动，产生强烈的电磁干扰。高频干扰噪声沿着电源线传播，影响其他设备正常工作，形成传导干扰。一定长度的电源线存在天线效应，能量通过线缆发射到周围空间，形成辐射发射，对周边电磁敏感设备造成影响。同时电机有线圈绕组，呈现感性，电机开启与关停会引起电流突变，在感性线路中会产生剧烈的电压脉冲，这种瞬间电压突变会影响某些敏感器件正常工作，甚至具有破坏性。1.3 FCU、CVM等控制类以及组合阀、背压阀等阀类零部件 控制器内都是采用单片机为核心的处理电路，处理各种数字电路，这些电路均工作于开关状态或者利用脉冲宽度调制(PWM)进行控制，这种数字脉冲电压和电流中包含了许多高次谐波干扰，这种干扰会通过空间或者公共电源或者公共地干扰其他设备。 零部件是干扰源，但干扰信号也会通过与零部件相连的电缆线束直接耦合传导或者通过空间耦合发射出来，此时，线束作为天线。系统设备使用的低压供电线束为非屏蔽线束，非屏蔽线会导致干扰通过电源线和信号线（虽然信号线屏蔽但其两端未接地，且无法实施整根信号线屏蔽，并无屏蔽效果）向外耦合。高压屏蔽线也不能实现360°可靠接地且接地阻抗较大，导致本该起屏蔽效果的屏蔽线成为驱动天线，且对外通过空间耦合方式产生辐射干扰。2 案例分析 某氢燃料电池系统进行辐射发射测试，产品状态为：低压DC24V，高压DC450V，不涉氢，系统处于点火状态，上位机通过CAN光隔与产品进行连接监控，燃料电池系统不发电；测试方法依据参考GB/T 18655-2010，测试限值采用GB/T 18655-2010等级3要求。测试数据结果发现：在低频段，峰值与平均值为宽频带鼓起，无单个频点突起，数据特点呈现宽带噪声；在高频段（主要矛盾），峰值与平均值超出限值为固定频率，单个频点突起，数据特点呈现窄带噪声。超标数量：0.1MHz~2500MHz超出限值，低频超标较为严重，最大超标三十多dB。 0.15~30MHz30~200MHz200~1000MHz1000~2500MHz 3 整改措施3.1 整改分析 通过频谱仪以及辐射天线的有效长度，判断出24V电源线（包含使能线）带出很强的干扰，结合减少滤波器的方针，针对0.15-30MHz，选择在靠近燃料系统端加低压滤波器，并且使所有24V电源线通过此滤波器。1-30MHz有显著改善，但10MHz左右依旧超标，通过简单的频谱分析仪测量，发现燃料系统和DC/AC之间的通讯线导致10MHz超标，采用磁环增加阻抗，降低该频点的辐射量。0.15-1MHz采用低压滤波器仍没有较大改善。初步排查实验室高压电源底噪远远满足要求后，最后锁定在高压输入线上，分析判断出干扰是由DC/AC耦合到高压输入线上，最终导致0.15-1MHz严重超标。由于干扰在低频段，即选择在靠近DC/AC端剥开屏蔽层加上针对该频段的高压滤波器，并且使滤波器外壳和屏蔽层尽可能完整连接。 低压滤波器对30-200MHz和1000-2500MHz频段也起到了有效的干扰抑制，但仍有倍频点超标。通过现场试验确认，最终锁定FCU带出来的倍频干扰。关掉与此次测试非相关的功能，只留下与燃料系统相关功能，30-200MHz和1000-25000MHz的倍频点超标问题得以解决。 3.2 性能提升方案 在FCU DC/DC输入端加上103X电容，从源头减少流入24V电源线上的干扰，使得1-30MHZ测试余量进一步改善。 200-1000MHz，总体趋势在限值以下且余量充足。但倍频点超标点严重，尤其375MHz等频点，进一步分析过程如下：低压不上电，且CAN通讯关闭。高压上电，只要拔掉燃料系统和DC/AC通讯线的接插件，测试结果就可以满足要求，由此把带出干扰的天线锁定在此通讯线上。处理措施如下：发现该接插件中只有两根通讯线有用，其余5-7根线束并无用处（不影响燃料系统正常工作），为了避免串扰，将其余无用线束去掉，同时把剩下的两根通讯线束双绞。发现超标的频点依旧存在。该通讯线加上屏蔽层，但由于无法做到整条通讯线束屏蔽且无法实现360°低阻抗接地，屏蔽效果几乎没有而且有可能起反作用。 DC/AC的PCB板串扰路径多，综合整改难度大，需要在该接插件端口做处理。进一步整改措施如下：基于200-1000MHz属于高频率段，其有效辐射天线为1/2-1/4波长，有效辐射天线长度很短，共模干扰的可能性极大。所以在紧贴接插件端口加上滤波措施即共模电感（375MHz处阻抗约为1300左右），为了增大插入耗损，5个共模电感紧密串联。200-1000MHz频段测试结果满足要求，并且此时为解决10MHz低频超标点，将缠绕的磁环取消（375MHz的5个共模电感取而代之，兼具低频和高频滤波作用），10MHz处结果也符合要求。自此RE所有频段整改符合要求（3db余量）。3.3 整改效果 电磁兼容整改原则是：降低干扰源发射的能量，即降低各个零部件对外的干扰能量；切断干扰源与敏感设备之间的耦合；提高敏感设备的抗干扰能力。 整改后测试数据如下表所示，0.15~2500MHz全频段都能满足标准限值要求，达到电磁兼容准则。0.15~30MHz 30~200MHz200~1000MHz1000~2500MHz 4 总结 由于燃料电池发动机系统，相对于传统零部件，其内部增加了高压功率元件，具有高频率、宽频带和大功率密度，它自身就是一个强大的电磁干扰（EMI）源， EMC问题主要有如下几个特点：DC-DC和DC-AC转换器作为工作于开关状态的能量转换装置，产生的干扰强度较大；干扰源主要集中在功率开关器件以及与之相连的铝基板和高频变压器；由于DC-DC和DC-AC转换器与其它电子电路相连紧凑，部件内部同时含有高压低压电路，内部的电磁环境更加复杂，产生的EMI很容易造成不良影响。严重时会导致周围的电子设备功能紊乱，使通信系统传输数据错误、出现异常的停机和报警等，造成不可弥补的后果，采取滤波、接地、屏蔽等有效措施，可以解决产品后期电磁兼容问题，提高产品性能。国家汽车电气化产品及系统 质量监督检验中心介绍 上海电器设备检测所有限公司-国家汽车电气化产品及系统质量监督检验中心（简称STIEE-汽车国家中心），STIEE-汽车国家中心具有全面的汽车电气化产品测试能力，下设电磁兼容、环境可靠性、电化学、功能安全、材料、失效分析等专业共性实验室，产品类别涵盖低压零部件，动力电池、驱动电机及控制器等各类高压部件，充电桩及充电机，车用继电器、智能网联终端等汽车电气化部件产品，为行业、企业提供国内专业一流的一站式第三方检测服务。电机加载暗室 AVL 充放电系统 温度、湿度、振动、充放电四综合系统两箱式温度冲击箱 业务联系人：张华中021-62574990-146；15000879117 zhanghz@seari.com.cn技术联系人：潘青梅 021-62574990-775；15902176329 panqm@seari.com.cn
05-22
2020
