新能源汽車電子高低壓耦合自動測試研究

郭璋龍，林弘

（福建省產品質量檢驗研究院，福建福州，350015）

0 引言

新能源汽車是新一輪科技革命和產業變革的方向，是培育新動能、發展新經濟、推動產業邁向中高端的重要內容。與傳統汽車相比，其電子控制、能量管理、電力控制等系統的現代化程度越來越高，新能源汽車中的高壓動力驅動系統、信息化和智能化設備等多種類型的電力、電氣、電子設備采用集中布置的方式，更是構成極其惡劣的電磁環境。為防止高強度的電磁信號影響車內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射。一旦高壓線束屏蔽層屏蔽效果不良，輕者往往會導致車內與其鄰近的低壓電子設備工作異常，重者則可能直接影響行車安全，造成嚴重后果。因此高壓線束與低壓線束之間的串擾，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 國內外研究現狀

針對高低壓耦合測試，國內外檢測機構大都采用信號源注入方法進行，因為在進行該方式測試時，受試設備需保持通電狀態，比較貼近設備正常工作時的工況。該測試方法參考的標準主要有國際標準CISPR25:2016和國家標準GB/T18655-2018（修改采用CISPR25:2016）。然而該方法測試步驟繁多，現階段國內外實驗室在測試時大都采用直接購買儀器廠商現成測試軟件的方式，需花費大量資金重新購置整套儀器廠商的設備，且設備間兼容性問題仍然存在，這也給后續功能升級帶來影響。

2 研究內容

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

國家標準GB/T18655-2018在其附錄I.5條款定義了高壓（下稱HV）系統（工作電壓為60V～1000V）和低壓（下稱LV）系統（低于60V的直流工作電壓）間的兩種高低壓耦合的試驗方法：信號源注入法和S參數網絡分析儀法。鑒于S參數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行測試。其中，信號源注入法內包含傳導發射電壓法，其測試原理是，射頻信號通過耦合設備（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方法進行監測，查看測試結果是否超過規定的限值，與常規方法相比，主要是增加了高壓部分的布局。，下面將對該方法進行詳細討論。

注入法是實驗室最常用的高低壓耦合測試方法，分為校準和測量兩部分。

■ 2.1 試驗信號注入和校準

試驗信號校準布置如圖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、高壓人工電源網絡、屏蔽箱、測量接收機等。

圖1 HV-LV coupling試驗信號校準布置圖

首先應對注入的試驗信號電平進行校準，確保試驗電平滿足標準對應的試驗等級要求。試驗等級按照GB/T18655-2018標準中平均值規定的HV限值，測試需根據對應等級和測試頻率范圍制定校準電平。

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

校準過程中受試樣品應不通電。射頻信號源輸出連續波電平，通過耦合元件注入到受試樣品的HV輸入線上，然后通過對應連接的HV人工網絡將耦合信號電平饋送到測量接收機，測試系統需自動調整射頻信號源輸出電平大小直到測量接收機讀值等于當前頻率對應的校準電平限值，隨后記錄信號源當前輸出電平用于后續高低壓耦合測試。上述校準需在測試頻段內的各頻率點進行。當信號電平從HV+端口注入時，測量接收機應連接于HV+ AN的射頻輸出接口；當信號電平從HV-端口注入時，測量接收機應連接于HV- AN的射頻輸出接口。正負端口需分別校準。根據筆者的經驗，由于受到受試設備內部結構的影響，不同樣品，以及樣品的不同極性端口將導致校準電平的巨大差異。同時，根據不同的試驗等級和測試頻率對應的測試電平，應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到所需的校準電平。整個校準過程中所使用的射頻路徑需保持不變，已確保后續高低壓耦合測試中輸入電平的一致性。

■ 2.2 傳導發射—電壓法

傳導發射電壓法是測量LV側電壓的騷擾電壓。測量時，受試設備應放置在非導電、低相對介電常數(εr≤1.4)材料上，距參考接地平面上方50mm±5mm的位置，受試設備外殼應與參考接地平面相連，為了模擬實際車輛布置。受試設備各表面距參考接地平面邊界至少100mm。受試設備外殼接地時，接地點離參考接地平面邊緣至少100mm。低壓人工電源網絡連接器與受試設備連接器之間的電源線長度為200mm，高壓人工電源網絡連接器與受試設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電、低相對介電常數(εr≤1.4)材料上，距參考接地平面上方50mm±5mm的位置。所有導線和電纜應放置在距離參考接地平面邊緣至少為100mm的位置。

受試設備若帶負載，將負載直接放置在參考接地平面上方。如果負載外殼為金屬，則外殼應與參考接地平面搭接。在進行傳導發射電壓法測試時，射頻信號源按照之前校準步驟記錄的輸出電平將射頻能量注入到HV端口上，此時，應將測試接收機連接至LV人工網絡，測量LV側干擾電壓。根據標準要求，當信號分別注入于HV+端口和HV-端口時，都應對LV+和LV-分別進行測量。測量結果需滿足標準中平均值與校準用限值相同等級的LV發射限值要求。

■ 2.3 傳導發射—電流法

傳導發射電流法是測量LV側的騷擾電流。

在進行傳導發射電流法測試時，射頻信號源按照之前校準步驟記錄的輸出電平將射頻能量注入到HV端口上，此時，應將測試接收機連接至LV線束上的電流鉗，測量LV側線束上的騷擾電流。根據標準要求，當信號分別注入于HV+端口和HV-端口時，都應對LV+和LV-電源線上分別（如果可行）和一起進行測量，并且，電流探頭應分別放置于與受試樣品距離50mm和750mm（取決于線束的長度）進行測量。測量結果需滿足標準中平均值與校準用限值相同等級的LV發射限值。

■ 2.4 HV—特殊輻射發射試驗

這種方法是測量整個布置的輻射發射。

在進行輻射發射測試時，射頻信號源按照之前校準步驟記錄的輸出電平將射頻能量注入到HV端口上，此時，應將測試接收機連接至接收天線，測量整個試驗布置的輻射發射場強。根據標準要求，當信號分別注入于HV+端口和HV-端口時，都應對水平極化和垂直極化分別進行測量。測量結果需滿足標準中平均值與校準用限值相同等級的LV發射限值。

■ 2.5 高低壓耦合測試的軟件實現

高低壓耦合測試軟件開發的總體框架為：儀器初始化→設置儀器通訊地址，讀取數據庫內容→設置射頻信號源輸出頻率和電平→調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→讀取人工電源網絡端測量電平→判斷當前頻點的電平是否滿足測試要求→頻率步進→判斷當前頻率值是否大于終止頻率→測試結束，軟件流程簡圖如圖2所示。

圖2 高低壓耦合軟件設計流程簡圖

整個測試系統采用上位機控制，通過GPIB總線或網線，發送NI VISA協議與試驗儀器設備連接通信，聯動控制射頻信號源輸出電平、功率放大器的工作狀態以及功率計的前向功率、反向功率實時采集，測量端接收機實時采集電壓數據。自動控制軟件則采用智能化編程語言LabVIEW實現對整個測試裝置的控制、顯示與測試，完成整個校準和測試工作。系統連接示意如圖3所示。

圖3 HV-LV coupling系統連接圖

首先，應設置測試系統中所調用的信號發生器、射頻功率放大器、功率計、測量接收機，用于監看前向注入功率和反射功率，在軟件中設定它們的VISA通訊地址和儀器型號。

其次，測試軟件應能根據實際試驗需要，由測試人員定義不同頻段處所使用的信號鏈路設置，比如在低頻段低等級時應使用射頻功率放大器放大注入電平以滿足高電平校準要求，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，應設置測量接收機的各個測量參數，根據標準要求，在校準過程中，應采用帶寬為9kHz的平均值檢波器，同時，需定義頻率步進，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

首先，將信號源的輸出端連接至HV側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。計算機控制測量接收機設置其測量帶寬、測量時間和檢波器，并設定接收機的調諧頻率，使其與信號源的輸出頻率相同。

接著，根據當前校準所需的校準電平，控制軟件根據需要選擇利用射頻功率放大器放大射頻信號源輸出電平，或將射頻信號源輸出電平直接注入到耦合設備上。開啟信號源電平輸出，然后讀取測量接收機的讀數，根據接收機讀數自動調整信號源的輸出電平，直到符合所需校準電平大小，隨后軟件記錄下當前頻率下注入電平所需的信號源設定值，用于后續高低壓耦合測試。之后軟件根據試驗設定的步進進行下一個頻率點的電平校準，直到完成整個測試頻段，測試系統軟件校準界面如圖4所示。

圖4 測試系統軟件校準界面圖

■ 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。對于測試系統來說，其基本原理就是，由測試軟件控制射頻信號源復現校準過程中記錄的注入電平，同時，由測量接收機讀取測量耦合設備（如LV人工網絡，電流監測鉗，雙錐天線等）輸出端口的電平，然后通過軟件的系數轉換，形成最終測試結果。

在測試過程中，首先仍然由測試軟件設定信號源注入的射頻路徑，以及測試時測量接收機所用的相關設定。然后，測試人員選擇當前需要注入的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設定至相同的測試頻率，并控制信號源輸出校準過程中記錄的試驗電平，然后測試軟件控制測量接收機讀取測量耦合端口輸出的電壓并加上當前設備的耦合系數，形成當前頻率的最終測試結果，顯示于軟件界面，并繼續下一個頻率點測試，直至完成整個測試頻段的測試。

3 結束語

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路徑進行判定，如何提前避免高壓部件對低壓部件的干擾和串擾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，還有很多細節之處需要進一步研究。完善這個方法將有助于新能源汽車事業的發展。