沿高壓屏蔽電源線的電瞬態傳導測試方法解析

付國良，孫志穎，覃寶山，王嘉靖

（1. 廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州 511434；2. 中汽研汽車檢驗中心（廣州）有限公司，廣州 511340）

引言

區別于傳統車輛，新能源車輛在啟動、行駛、充電等過程中可能伴隨著高壓動力線纜上的電壓波動，這類電壓波動峰峰值較高且能量較大，可能影響連接到高壓動力線纜上的其它電器部件的正常工作，對車輛的功能性和安全性造成威脅。2020年5月發布的ISO 7637-4:2020《道路車輛 由傳導和耦合引起的電騷擾 第4部分：沿屏蔽高壓電源線的電瞬態傳導》對車載高壓電氣系統的沿高壓屏蔽電源線的電瞬態發射和電瞬態傳導抗擾度的考核方法做出了明確規定。

ISO 7637-4:2020規定了車載電氣設備沿高壓屏蔽電源線的電瞬態發射和電瞬態抗擾度的測試方法以及限值等級，適用于電壓范圍在大于60 V（DC）且小于1 500 V（DC）內的車載電氣系統高壓屏蔽電源線電瞬態傳導的測試。標準中規定的測試方法對所有類型的電動汽車均適用。

1 典型脈沖

電氣驅動道路車輛為滿足其電氣結構、苛刻的使用環境的要求，而設置了較高的安規要求，其動力線纜特別是高壓電纜會進行屏蔽處理，并且電氣驅動道路車輛電氣系統中存在大量的功率轉換模塊[1]，而這些轉換都有可能會對連接在動力網中的的其他高壓模塊造成影響。例如，車載電氣設備高壓電機驅動系統中的半導體高頻工作的開關會產生強電磁干擾，其產生的騷擾以傳導和輻射兩種形式通過與之相連的線纜向外進行傳播，從而影響了其他高壓部件的正常工作[2,3]。

ISO 7637-4:2020對高壓直流模塊的兩種典型脈沖：正弦波脈沖騷擾（脈沖A）和低頻正弦波騷擾（脈沖B）進行了闡述。正弦波脈沖騷擾（脈沖A）和低頻正弦波騷擾（脈沖B）脈沖波形見圖1、圖2。在抗擾度測試中，脈沖A表示高壓半導體的開關操作產生的振鈴，用于模擬高頻率的振蕩（例如開關快速通斷）；脈沖B表示由電驅動電機的旋轉以及電網諧波產生的正弦波，且大部分能量存在于低頻諧波成分中，因此用于測量受試設備DUT的瞬態電壓抗擾性。高壓電源線上的正弦波脈沖騷擾是由方波信號的過沖引起的波動信號，例如由高壓電氣系統中的開關IGBT與電機系統的寄生電容和電感的相互作用、DC-DC變換器以及任何其他種類的高壓開關/換向系統引起。高壓電源線上的正弦波脈沖騷擾既可以是共模，也可以是差模。

圖1 脈沖A波形

圖2 脈沖B波形

對比歷次草案稿[4]和正式發布的版本可以看出，草案中的脈沖B和脈沖C在進行傅里葉變換后可以得到脈沖A，因此在最終發布版中，將草案中的脈沖B和脈沖C分別修改為脈沖A和脈沖B，而將草案稿中的脈沖A刪除。

2 試驗設備及測試要求

1）參考接地平板：應采用至少0.5 mm厚的銅板、黃銅板或鍍鋅鋼板。接地平板的最小寬度應為1 000 mm，或比整個布置寬度（不包括電源和瞬態脈沖發生器）的兩邊大200 mm，兩種情況取其大者。最小長度應為2 000 mm，或比整個布置長度（不包括電源和瞬態脈沖發生器）的兩邊大200 mm，兩種情況取其大者。建議DUT與所有其他導電結構（例如屏蔽室的壁面）之間的最小距離需大于0.5 m。

2）屏蔽的高壓電源人工網絡HV-AN：5 μH、50 Ω高壓人工網絡。

3）高壓電源：最大噪聲紋波UPP不大于標稱電壓的1.5 %。

4）電源負載（電阻器并聯電容器）：電阻器R=500 Ω±5 %、電容器C=10 μF±10 %，10 kHz時的等效串聯電阻ESR＜5 mΩ，最小電流承載能力要求為10 kHz時為50 A（RMS）。

5）示波器：帶寬至少為400 MHz，采樣率至少為2 GHz/s（單次觸發模式）。

6）差分探頭：帶寬要求DC～100 MHz，輸入阻抗要求直流時Z≥1 MΩ。

7）電壓探頭：帶寬要求DC～200 MHz，輸入阻抗要求直流時Z≥1 MΩ；電容≤110 pF，衰減為100:1。

8）脈沖發生器：

正弦波脈沖騷擾發生器（脈沖A）：頻率范圍1～10 MHz，輸出功率應達到試驗要求（100 VPP時25 W，300 VPP時225 W）。圖3給出了脈沖正弦波騷擾發生器的結構示意圖。

圖3 脈沖正弦波騷擾發生器結構示意圖

低頻正弦波騷擾發生器（脈沖B）：頻率范圍3～300 kHz，如果不能實現線性或對數掃描，則脈沖發生器應能每十倍頻產生產生幾個頻率，每個頻率的脈沖持續時間應至少為2 s；電壓能力要求：3～250 kHz時為30 V（RMS），250～300 kHz時為20 V（RMS），電流能力要求為16 A（RMS）。

9）平衡-不平衡轉換器及耦合變壓器：

在正弦波脈沖騷擾抗擾度線對線試驗不平衡模式到平衡模式轉換時，可能需要在信號發生器輸出端連接平衡-不平衡轉換器（巴倫），需滿足ANSI C37.90.1:2012附錄D的要求。

在進行低頻正弦波騷擾抗擾度試驗時，可使用耦合變壓器將騷擾信號耦合至DUT，并將低頻信號發生器與DUT之間的直流成分進行隔離，耦合變壓器應符合頻率范圍使用要求，頻率范圍為3～300 kHz。

測試時應考慮DUT的各種工作模式和工作條件，DUT應在典型工況下運行，該工況會在測量過程中產生最大的騷擾，并且具有最大的敏感性。這是每個測試和頻率階躍的最壞情況。運行工況應與車輛制造商和供應商之間達成一致。

所有試驗應在HV+和HV-間、HV+與地之間、HV-與地之間分別進行測量。

3 測試方法

3.1 沿高壓電源線的電壓瞬態發射試驗

3.1.1 測試示意圖

圖4給出了高壓線正極與高壓線負極之間的沿高壓電源線的電壓瞬態發射測試示意圖；圖5給出了高壓線正極與地之間的沿高壓電源線的電壓瞬態發射測試示意圖；圖6給出了高壓線負極與地之間的沿高壓屏蔽電源線的電瞬態發射的測試示意圖。

圖4 HV+與HV-之間的沿高壓電源線的電壓瞬態發射測試示意圖

圖5 HV+與地之間的沿高壓電源線的電壓瞬態發射測試示意圖

圖6 HV-與地之間的沿高壓電源線的電壓瞬態發射測試示意圖

3.1.2 試驗要求

測試時，要使用屏蔽的高壓人工網絡，DUT通過人工網絡連接到高壓電源。DUT和所有連接線置于接地平板上方（50±5）mm處的非導電、低相對介電常數）（r≤1.4）的材料上。高壓電源線的長度建議為（500+200/0）mm。DUT應 通 過 車 輛 上原裝長度和直徑的線束連接至接地平板，如果測試計劃中未另行指定，則默認長度為（200±50）mm。采用金屬外殼的DUT應接地，接地直流電阻不應超過2.5 mΩ。

測試時應在電源端子處使用電壓探頭和示波器或波形采集設備在靠近待測端子的位置測量電源電壓UN和干擾電壓。電壓幅值、瞬態參數（上升時間、下降時間、瞬態持續時間）等應進行記錄。

3.2 沿高壓電源線的電壓瞬態抗擾度試驗

3.2.1 正弦波脈沖騷擾（脈沖A）

圖7為脈沖A差模（線對線）測試示意圖。圖8給出了脈沖A共模（高壓線正極與地之間）測試示意圖。對于線束（高壓線正極或高壓線負極）和地之間的耦合，信號發生器的一端應通過屏蔽的高壓人工網絡與高壓線正極或高壓線負極連接，另一端應接地。差分探頭的一個端子與高壓線正極或高壓線負極連接，另一個端子則需接地。對試驗線束的要求與瞬態發射試驗一致。

圖7 脈沖A差模（線對線）測試示意圖

圖8 脈沖A共模（高壓線正極與地之間）測試示意圖

圖9給出了脈沖A差模測試（線對線）設備校準示意圖；圖10給出了脈沖A共模測試（線對地）設備校準示意圖。

圖9 脈沖A差模測試設備校準示意圖

圖10 脈沖A 共模測試設備校準示意圖

3.2.2 脈沖B

圖11為脈沖B差模（線對線）測試示意圖。圖12為脈沖B共模（高壓線正極與地之間）測試示意圖。對于高壓線正極或高壓線負極和地之間的耦合，耦合變壓器的一端應連接到高壓線正極或高壓線負極，另一端應通過電容器接地。相應地，電壓探頭的一個端子需連接到高壓線正極或高壓線負極，另一個端子則需接地。

圖11 脈沖B差模（線對線）測試示意圖

圖12 脈沖B共模（高壓線正極與地之間）測試示意圖

應在高壓電源線上并聯一個容值≥100μF的電容器。選用的測量耦合的脈沖電流的電流監測設備，不可用于測量EUT電流。對試驗線束的要求與瞬態發射試驗一致。

對于高壓線正極和高壓線負極之間的耦合，示波器和高壓探頭連接在高壓線正極和高壓線負極之間；對于高壓線正極或高壓線負極和地之間的耦合，示波器和高壓探頭一端與高壓線正極或高壓線負極相連，另一端接地。

4 試驗等級

4.1 高壓電源線的電壓瞬態發射試驗限值

依據所選試驗脈沖A/B嚴酷等級來判定發射限值。

4.2 沿高壓電源線的電壓瞬態抗擾度試驗等級

表1和表2分別給出了脈沖A和脈沖B的嚴酷等級。

表1 脈沖A的抗擾度試驗參數

表2 脈沖B的抗擾度試驗參數

5 結語

ISO 7637-4:2020標準中給出的脈沖A和脈沖B為典型脈沖波形，在車輛實際運行過程中還會產生各種其他形式的瞬態脈沖波形。另外，新能源汽車的核心部件，例如電池包、DC/DC、電驅動等,這些部件的高壓瞬態干擾及抗干擾能力對于整車的功能性和安全性都具有重要意義[5]。ISO 7637-4 正式版本于2020年5月發布，國內對于該標準的實測分析尚不充足，下一步有待開展實車高壓電源線的電瞬態脈沖波形采集與特征提取，并搭建平臺驗證。