摘要：現有整車電磁兼容標準中涉及的測試項目都是在靜止、勻速行駛、交直流充電等穩(wěn)定狀態(tài)下進行，對于急加速、急減速、鎖車下電、解鎖上電、充電開始、結束瞬間等瞬態(tài)工況研究較少，也無相關測試標準。文章通過對高壓瞬態(tài)波形的采集位置、車輛狀態(tài)、采集方法等進行概述，重點介紹了新能源車輛在行駛狀態(tài)下的波形采集和注入方法，是研究車輛高壓端口波形的全新探索，研究方法和數據不僅可以為企業(yè)研發(fā)提供數據和方法支撐，還可以為國家標準的制定提供數據及技術支持。
近年來，隨著新能源汽車電動化、智能化、網聯(lián)化的發(fā)展，其面臨的電磁兼容問題變得更加嚴峻，尤其是車輛在行駛過程中的車內網紋波問題越發(fā)凸顯出來，根源主要在于 ：
（1）車內非線性負載元件的使用，導致車輛在行駛過程中，內部元件的整流逆變電路會伴隨產生高次諧波成分 ；
（2）為了追求更高精度控制和更好的降低功耗，車內開關元件的開關頻率越來越高 ；
（3）車內越來越多非阻性大功率負載的投切導致車輛產生各種內生性浪涌。
同時，伴隨著新能源車輛的廣泛使用，出現了許多關于車輛動力中斷、車輛異響、元件老化加快、動力喪失或非預期加速的報道，均與車輛內網紋波問題關聯(lián)較高，危害主要表現在 ：
（1）影響傳感器測量精度，引起電池剩余電量（soc）估算偏差和偶發(fā)動力中斷、充電終止；
（2）縮減功率模塊、元件的使用壽命，造成功率模塊、電容的過熱燒毀 ；
（3）電池包、高壓電控單元諧振，引起瞬時電流過大、局部過熱起火、高壓接觸器拉??；
（4）引起渦流損耗，功耗明顯增加，降低續(xù)航里程。
這些危害與新能源車的高壓端口息息相關，對高壓端口瞬態(tài)波形采集和注入的研究意義十分重大。一方面，區(qū)別于傳統(tǒng)車輛，新能源車輛在啟動、行駛、充電等過程中，一定會伴隨高壓動力線纜的電壓波動，這類電壓波動幅值較高且能量較大，極易對車輛造成影響，存在行車安全隱患 ；另一方面，目前新能源車電磁兼容抗擾測試類的主要標準包括GB 34660-2017《道路車輛 電磁兼容性要求和試驗方法》、ECE R10.06《關于就電磁兼容性方面批準車輛的統(tǒng)一規(guī)定》和 GB/T 40428-2021《電動汽車傳導充電電磁兼容性要求和試驗方法》，這些標準中涉及的測試項目都是在充電狀態(tài)或者勻速行駛狀態(tài)下進行的，對于加速、減速、上電、下電這類瞬態(tài)工況研究較少，目前尚無車輛瞬態(tài)下抗擾測試標準落地。通過對車輛的高壓直流端口瞬態(tài)波形采集和注入的研究，可以有效提高車輛穩(wěn)定性和行車安全，相關標準尚未落地。
目前標準的研究現狀如圖 1 所示。針對上述情況，基于整車平臺開展高壓瞬態(tài)波形的采集和分析，擬合出典型波形并對車輛進行高壓瞬態(tài)抗擾度測試，可以為企業(yè)進行研發(fā)驗證提供支撐，有效降低車輛的電磁兼容風險，同時為國內標準的制定提供數據及技術支持。
圖1 EMC瞬態(tài)領域研究現狀
01測試方法研究
與 ISO/TS 7637-4:2020 相比，本文針對的待測件由高壓直流部件更換為新能源車輛，增加了對部件間聯(lián)調聯(lián)動的考核，從整體觀測車輛在瞬態(tài)脈沖作用下的性能表現，對部件間的干擾也納入到裕度考察工況中，還原車輛實際運轉工況。通過波形采集、注入測試以及高壓瞬態(tài)安全性能評價可以獲取車輛在使用過程中的安全測試范圍，為車企和消費者提供安心的用車環(huán)境。高壓瞬態(tài)波形采集和注入的測試流程如圖 2 所示，接下來將簡單進行介紹。
圖 2 高壓瞬態(tài)波形采集和注入的測試流程
1.1 第一階段
第一階段的主要測試是在車輛的不同高壓直流端口采集不同狀態(tài)（車輛靜止、車輛勻速、車輛加速、車輛減速）下的電壓波形。
靜止模式，點火開關打開且發(fā)動機不運轉；勻速行駛模式，車輛以 50 km/h 車速勻速行駛（若達不到，則以最大行駛速度運行）；加速模式，車輛以大于等于 2.5 m/s2（若無法達到，則以最大加速度運行）的加速度從 0 km/h 開始加速到 70 km/h 為止 ；減速模式，車輛以大于等于2.5 m/s2（若無法達到，則以最大加速度運行）的加速度從 70 km/h 開始減速到 0 km/h 為止。
高壓瞬態(tài)采集的位置一般選擇動力電池與電驅系統(tǒng)之間的高壓母線或其它等電位點，具體的采集方法如下 ：
（1）將連接示波器的高壓差分探頭夾在待測件相應測試位置的正極 - 負極、正極 - 地、負極 - 地處 ；
（2）示波器耦合方式選擇交流或直流耦合；
（3）根據待測位置輸出電壓大小調節(jié)示波器時域和幅域至合適量程 ；此階段要在同一狀態(tài)、同一位置下進行多次嘗試 ；
（4）對于實車路況下的測試要用獨立電源給示波器供電，差分探頭兩端卡在待測件端口；
（5）高壓差分探頭選擇 500 V（或更高）檔位 ；
（6）對于瞬時微小波形應選擇示波器單次觸發(fā)功能，需要同一狀態(tài)下調整觸發(fā)電平和示波器采集時間參數來抓取 ；
（7）示波器調節(jié)好后分別按照靜止、勻速、加速、減速的車輛狀態(tài)進行高壓瞬態(tài)波形測試及采集 ；
（8）將采集測試結果保存下來。某款純電汽車的穩(wěn)態(tài)電壓為 400 V，行駛狀態(tài)下的干擾脈沖幅值限值為 40 V，其高壓瞬態(tài)采集波形如圖 3 所示，從圖中可看出干擾脈沖幅值大約為 9.3 V，因此可以判定該波形符合本文的判定要求。
圖 3 某款純電汽車高壓瞬態(tài)采集波形
綜合考量，按照主流車企測試樣車的測試結果進行綜合比較，得到測試評價表見表 1。
1.2 第二階段
第二階段為波形的分析階段，通過將采集到的波形進行分析，選取各測試狀態(tài)下最嚴酷的波形參數，即頻率最高、峰峰值最大、上升時間最短、脈沖寬度最寬的波形參數擬合形成高壓瞬態(tài)波形，以模擬快速切換絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）或金屬 - 氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）等開關元件產生的高頻振蕩。
1.3 第三階段
第三階段為波形的注入階段，將擬合好的高壓瞬態(tài)波形以及典型干擾波形（ISO/TS7637-4:2020中的低頻正弦波和脈沖正弦波）分別注入到車輛的高壓直流端口，觀察車輛功能狀態(tài)。脈沖注入失效判定準則，具體參照GB 34660-2017 電磁輻射抗擾度檢驗結果執(zhí)行。
02 波形注入數據分析
結合 ISO/TS 7637-4:2020 等現行高壓瞬態(tài)標準體系，以某企標整車測試規(guī)范中要求的低頻正弦波注入測試項目為例進行介紹。表 2 是在高壓母線上注入的低頻正弦波騷擾參數信息。
3~300 kHz 的相關要求參考 ISO/TS 7637-4:2020 等級四，具體見表 4。在負載開路條件下采集到的低頻正弦波電壓波形如圖 4 所示?？梢钥闯觯妷簭淖蟮接曳謩e為 8.04 V、30.72 V、5.01 V，與表 2 基本一致，最右側波形為測試系統(tǒng)底噪。進行完波形確認，即可將低頻正弦波作為典型干擾脈沖注入到整車線束中，測試接線如圖 5 所示。本文所提出的適用于整車的測試方案與 ISO7637-4:2020 中的方案相比，取消了測試布置中的線路阻抗穩(wěn)定網絡（LISN），因為此時已經連接車輛，不再需要用 LISN 來模擬線路阻抗。
圖4 低頻正弦波開路電壓波形
依據圖 5 進行布置和測試，將表 2 中的波形注入到行駛車輛的高壓正極線上，采集到的波形如圖 6 所示，其中，藍線是在母線正負極采集到的電壓紋波，紅線是在母線正極采集到的電流波形。通過比較圖 4 和圖 6 可以發(fā)現，由于車輛高壓系統(tǒng)的分壓作用，導致采集到的波形峰值電壓降低較多，見圖 6 中藍色波形實芯部分，幅值在 -5~+5 V 之間，但整體走勢與圖 4 十分接近。另外，由于車輛測試狀態(tài)不是很穩(wěn)定，導致采集的電壓紋波毛刺比較多。同時可以看出，采集到母線正極電流波形在時域上與電壓紋波同步。
圖5 低頻正弦波注入布置圖
圖6 車輛行駛狀態(tài)正極注入脈沖后采集到的電壓電流波形
車輛在 ready 狀態(tài)下，即車輛已經做好了一切準備，啟動成功，隨時可以離開，此時電器區(qū)已上高壓。電驅的低壓已處于測試狀態(tài)，高壓功率模塊還沒有測試。在電池包到電驅系統(tǒng)之間的正極線注入如圖 4 的低頻正弦波，采集電池包正負極兩端電壓、耦合變壓器副邊電壓和電池包正極紋波電流的波形，分別對應圖 7 由上至下三個采集通道波形?？梢园l(fā)現，注入波形在接入車輛后，隨著車輛和測試設備組成的系統(tǒng)阻抗的變化，幅值也進行相應變化，如圖 7 淺藍色曲線。由于車輛電池包內阻較小，分壓作用導致注入的脈沖能量大部分都消耗在線路和測試系統(tǒng)內，實際注入到車輛的信號較小，如圖 7 深藍色曲線。ready 狀態(tài)下的電壓紋波毛刺，相較于行車狀態(tài)下已減少很多，處于十分平滑的狀態(tài)，這是由于 ready 狀態(tài)相比行車狀態(tài)，電池包到電驅系統(tǒng)的高壓線束上電流更穩(wěn)定，但整體的走勢仍與圖 4 所注入低頻正弦波基本一致。低頻正弦波測試現場如圖 8所示。
圖7 車輛ready狀態(tài)正極注入脈沖后采集到的電壓電流波形
高壓電源線上的脈沖正弦波騷擾（脈沖 A）和低頻正弦波騷擾（脈沖 B）是由方波信號過沖產生，車輛在行駛過程中一定會伴隨著開關元件（IGBT、MOSFET 等）的通斷，本文通過測試發(fā)現車輛在測試過程中，電驅系統(tǒng)的瞬態(tài)發(fā)射量相對較高，即使注入一相對較低安全閾度的干擾量，也容易出現轉速降低甚至停轉的情況。
新能源汽車在不同測試狀態(tài)下產生的高壓瞬態(tài)波形是威脅車輛電磁安全的重要因素。相較于 ISO 7637-4:2020 中規(guī)定的臺架瞬態(tài)采集和注入方法，本文所提的整車高壓瞬態(tài)采集注入方法有以下工程價值 ：
（1）整車采集與注入更貼合實際情況，臺架采集與注入普適性較高，但針對性不強 ；
（2）臺架測試依據過往部件 / 車輛上采集到的數據，但新能源車輛發(fā)展迅猛，新型開關元件的應用無法模擬 ；
（3）整車注入過程中，存在高低壓部件間的高低壓耦合和高低壓線束信號串擾的情況，部件注入測試無法模擬此類情況。
本文摘自：《安全與電磁兼容》2025年第01期
作者：王洪超、范巖、張登雨 、國晨、侯帥、張旺
