沿高压屏蔽电源线的电瞬态传导测试方法解析

付国良，孙志颖，覃宝山，王嘉靖

（1. 广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广州 511434；2. 中汽研汽车检验中心（广州）有限公司，广州 511340）

引言

区别于传统车辆，新能源车辆在启动、行驶、充电等过程中可能伴随着高压动力线缆上的电压波动，这类电压波动峰峰值较高且能量较大，可能影响连接到高压动力线缆上的其它电器部件的正常工作，对车辆的功能性和安全性造成威胁。2020年5月发布的ISO 7637-4:2020《道路车辆 由传导和耦合引起的电骚扰 第4部分：沿屏蔽高压电源线的电瞬态传导》对车载高压电气系统的沿高压屏蔽电源线的电瞬态发射和电瞬态传导抗扰度的考核方法做出了明确规定。

ISO 7637-4:2020规定了车载电气设备沿高压屏蔽电源线的电瞬态发射和电瞬态抗扰度的测试方法以及限值等级，适用于电压范围在大于60 V（DC）且小于1 500 V（DC）内的车载电气系统高压屏蔽电源线电瞬态传导的测试。标准中规定的测试方法对所有类型的电动汽车均适用。

1 典型脉冲

电气驱动道路车辆为满足其电气结构、苛刻的使用环境的要求，而设置了较高的安规要求，其动力线缆特别是高压电缆会进行屏蔽处理，并且电气驱动道路车辆电气系统中存在大量的功率转换模块[1]，而这些转换都有可能会对连接在动力网中的的其他高压模块造成影响。例如，车载电气设备高压电机驱动系统中的半导体高频工作的开关会产生强电磁干扰，其产生的骚扰以传导和辐射两种形式通过与之相连的线缆向外进行传播，从而影响了其他高压部件的正常工作[2,3]。

ISO 7637-4:2020对高压直流模块的两种典型脉冲：正弦波脉冲骚扰（脉冲A）和低频正弦波骚扰（脉冲B）进行了阐述。正弦波脉冲骚扰（脉冲A）和低频正弦波骚扰（脉冲B）脉冲波形见图1、图2。在抗扰度测试中，脉冲A表示高压半导体的开关操作产生的振铃，用于模拟高频率的振荡（例如开关快速通断）；脉冲B表示由电驱动电机的旋转以及电网谐波产生的正弦波，且大部分能量存在于低频谐波成分中，因此用于测量受试设备DUT的瞬态电压抗扰性。高压电源线上的正弦波脉冲骚扰是由方波信号的过冲引起的波动信号，例如由高压电气系统中的开关IGBT与电机系统的寄生电容和电感的相互作用、DC-DC变换器以及任何其他种类的高压开关/换向系统引起。高压电源线上的正弦波脉冲骚扰既可以是共模，也可以是差模。

图1 脉冲A波形

图2 脉冲B波形

对比历次草案稿[4]和正式发布的版本可以看出，草案中的脉冲B和脉冲C在进行傅里叶变换后可以得到脉冲A，因此在最终发布版中，将草案中的脉冲B和脉冲C分别修改为脉冲A和脉冲B，而将草案稿中的脉冲A删除。

2 试验设备及测试要求

1）参考接地平板：应采用至少0.5 mm厚的铜板、黄铜板或镀锌钢板。接地平板的最小宽度应为1 000 mm，或比整个布置宽度（不包括电源和瞬态脉冲发生器）的两边大200 mm，两种情况取其大者。最小长度应为2 000 mm，或比整个布置长度（不包括电源和瞬态脉冲发生器）的两边大200 mm，两种情况取其大者。建议DUT与所有其他导电结构（例如屏蔽室的壁面）之间的最小距离需大于0.5 m。

2）屏蔽的高压电源人工网络HV-AN：5 μH、50 Ω高压人工网络。

3）高压电源：最大噪声纹波UPP不大于标称电压的1.5 %。

4）电源负载（电阻器并联电容器）：电阻器R=500 Ω±5 %、电容器C=10 μF±10 %，10 kHz时的等效串联电阻ESR＜5 mΩ，最小电流承载能力要求为10 kHz时为50 A（RMS）。

5）示波器：带宽至少为400 MHz，采样率至少为2 GHz/s（单次触发模式）。

6）差分探头：带宽要求DC～100 MHz，输入阻抗要求直流时Z≥1 MΩ。

7）电压探头：带宽要求DC～200 MHz，输入阻抗要求直流时Z≥1 MΩ；电容≤110 pF，衰减为100:1。

8）脉冲发生器：

正弦波脉冲骚扰发生器（脉冲A）：频率范围1～10 MHz，输出功率应达到试验要求（100 VPP时25 W，300 VPP时225 W）。图3给出了脉冲正弦波骚扰发生器的结构示意图。

图3 脉冲正弦波骚扰发生器结构示意图

低频正弦波骚扰发生器（脉冲B）：频率范围3～300 kHz，如果不能实现线性或对数扫描，则脉冲发生器应能每十倍频产生产生几个频率，每个频率的脉冲持续时间应至少为2 s；电压能力要求：3～250 kHz时为30 V（RMS），250～300 kHz时为20 V（RMS），电流能力要求为16 A（RMS）。

9）平衡-不平衡转换器及耦合变压器：

在正弦波脉冲骚扰抗扰度线对线试验不平衡模式到平衡模式转换时，可能需要在信号发生器输出端连接平衡-不平衡转换器（巴伦），需满足ANSI C37.90.1:2012附录D的要求。

在进行低频正弦波骚扰抗扰度试验时，可使用耦合变压器将骚扰信号耦合至DUT，并将低频信号发生器与DUT之间的直流成分进行隔离，耦合变压器应符合频率范围使用要求，频率范围为3～300 kHz。

测试时应考虑DUT的各种工作模式和工作条件，DUT应在典型工况下运行，该工况会在测量过程中产生最大的骚扰，并且具有最大的敏感性。这是每个测试和频率阶跃的最坏情况。运行工况应与车辆制造商和供应商之间达成一致。

所有试验应在HV+和HV-间、HV+与地之间、HV-与地之间分别进行测量。

3 测试方法

3.1 沿高压电源线的电压瞬态发射试验

3.1.1 测试示意图

图4给出了高压线正极与高压线负极之间的沿高压电源线的电压瞬态发射测试示意图；图5给出了高压线正极与地之间的沿高压电源线的电压瞬态发射测试示意图；图6给出了高压线负极与地之间的沿高压屏蔽电源线的电瞬态发射的测试示意图。

图4 HV+与HV-之间的沿高压电源线的电压瞬态发射测试示意图

图5 HV+与地之间的沿高压电源线的电压瞬态发射测试示意图

图6 HV-与地之间的沿高压电源线的电压瞬态发射测试示意图

3.1.2 试验要求

测试时，要使用屏蔽的高压人工网络，DUT通过人工网络连接到高压电源。DUT和所有连接线置于接地平板上方（50±5）mm处的非导电、低相对介电常数）（r≤1.4）的材料上。高压电源线的长度建议为（500+200/0）mm。DUT应 通 过 车 辆 上原装长度和直径的线束连接至接地平板，如果测试计划中未另行指定，则默认长度为（200±50）mm。采用金属外壳的DUT应接地，接地直流电阻不应超过2.5 mΩ。

测试时应在电源端子处使用电压探头和示波器或波形采集设备在靠近待测端子的位置测量电源电压UN和干扰电压。电压幅值、瞬态参数（上升时间、下降时间、瞬态持续时间）等应进行记录。

3.2 沿高压电源线的电压瞬态抗扰度试验

3.2.1 正弦波脉冲骚扰（脉冲A）

图7为脉冲A差模（线对线）测试示意图。图8给出了脉冲A共模（高压线正极与地之间）测试示意图。对于线束（高压线正极或高压线负极）和地之间的耦合，信号发生器的一端应通过屏蔽的高压人工网络与高压线正极或高压线负极连接，另一端应接地。差分探头的一个端子与高压线正极或高压线负极连接，另一个端子则需接地。对试验线束的要求与瞬态发射试验一致。

图7 脉冲A差模（线对线）测试示意图

图8 脉冲A共模（高压线正极与地之间）测试示意图

图9给出了脉冲A差模测试（线对线）设备校准示意图；图10给出了脉冲A共模测试（线对地）设备校准示意图。

图9 脉冲A差模测试设备校准示意图

图10 脉冲A 共模测试设备校准示意图

3.2.2 脉冲B

图11为脉冲B差模（线对线）测试示意图。图12为脉冲B共模（高压线正极与地之间）测试示意图。对于高压线正极或高压线负极和地之间的耦合，耦合变压器的一端应连接到高压线正极或高压线负极，另一端应通过电容器接地。相应地，电压探头的一个端子需连接到高压线正极或高压线负极，另一个端子则需接地。

图11 脉冲B差模（线对线）测试示意图

图12 脉冲B共模（高压线正极与地之间）测试示意图

应在高压电源线上并联一个容值≥100μF的电容器。选用的测量耦合的脉冲电流的电流监测设备，不可用于测量EUT电流。对试验线束的要求与瞬态发射试验一致。

对于高压线正极和高压线负极之间的耦合，示波器和高压探头连接在高压线正极和高压线负极之间；对于高压线正极或高压线负极和地之间的耦合，示波器和高压探头一端与高压线正极或高压线负极相连，另一端接地。

4 试验等级

4.1 高压电源线的电压瞬态发射试验限值

依据所选试验脉冲A/B严酷等级来判定发射限值。

4.2 沿高压电源线的电压瞬态抗扰度试验等级

表1和表2分别给出了脉冲A和脉冲B的严酷等级。

表1 脉冲A的抗扰度试验参数

表2 脉冲B的抗扰度试验参数

5 结语

ISO 7637-4:2020标准中给出的脉冲A和脉冲B为典型脉冲波形，在车辆实际运行过程中还会产生各种其他形式的瞬态脉冲波形。另外，新能源汽车的核心部件，例如电池包、DC/DC、电驱动等,这些部件的高压瞬态干扰及抗干扰能力对于整车的功能性和安全性都具有重要意义[5]。ISO 7637-4 正式版本于2020年5月发布，国内对于该标准的实测分析尚不充足，下一步有待开展实车高压电源线的电瞬态脉冲波形采集与特征提取，并搭建平台验证。