电动车辆高压元器件电压偏移测试
众多国际和汽车厂家标准均定义并要求进行一系列电动车辆高压元器件的测试。在电压偏移测试过程中,元器件的绝缘情况将受到直流偏移电压的影响。如何保证被试设备供电电压不变,而偏移电压经受各种变化(例如慢速和快速爬坡或三角形变化),无疑成为了电动车辆高压元器件测试的一项挑战。
Ametek CTS 为此提供了一整套解决方案,用于电动车辆元器件的电磁兼容测试,通过两种不同的测试方法来实现电压偏移。

 

 
01
测试要求
 
通常,电动车辆的高压元器件在设计上是“浮地”的,即与汽车底盘绝缘。Usupply 是 L+ 至 L- 的电池(浮地)供电电压,Uisol 则是出现在高压部分和底盘之间的电压,Uisol 是接地的。如下图所示:
 

 

进行测试时,供电电压代替电池供电。基于上述标准的大多数测试,都会在高压元器件暴露于电源工作范围内的电压波动时检查其表现。可编程电源能够在这一测试中产生标准所要求的快速电压变化。
此外,上述标准还包含电压偏移试验,测试被试设备的绝缘部分对共模干扰的响应及其表现。测试时,供电电压 Usupply 保持不变,同时绝缘电压 Uisol 进行各种变化。
每个标准都定义了 Uisol 是怎样变化的,通常包括两种变化——慢速电压变化和快速电压变化。下图为 VW 80300 标准 EHV-11 慢速电压变化的示例:

 

 

 

偏移电压会在长达数秒的时间内持续改变,之后维持数分钟不变,然后再次变化。完整的测试大约需要 20 分钟。

 

下图是 VW 80300 标准 EHV-11 快速电压变化的示例:

 

 
上图显示了测试时长约为 6 分钟的完整测试过程,通过放大图片可以看出,在 100Hz 频率下该三角电压的测试周期为 10ms。


02
测试方法

 

有多种方法可以进行电压偏移测试,Ametek CTS 通过 NetWave 多功能可编程电源模拟器,提供了两种不同的测试方法:

 

  • 双电源测试法

 

 

下图展示了双电源测试法的测试布置:

 

在此方法中,需要两台能够产生独立输出电压的电源,每台电源都必须能够为被试设备提供全部的供电电压。
在平衡条件下,每一台电源提供一半的被试设备供电电压:
UL1 = UL2 = 1/2 Usupply
接下来,两台电源的电压进行反向变化,一台电源提供较高的电压,而另一台的供电电压较低,直至达到一个极点,即 L1 提供全部的被试设备供电电压,而 L2 不提供电压:
UL1 = Usupply    UL2 = 0
此时,被试设备就暴露在一个与 L1 相等的绝缘电压下:
Uisol = UL1
同样的,在相反的条件下,两台电源的供电电压将达到另一个相反的极点,即 L2 提供全部被试设备供电电压:
UL2 = Usupply    UL1 = 0
Uisol = UL2

 

以下是供电电压为 500V 时的样例:
 
需要注意的是,实际的绝缘电压取决于高压部分和汽车底盘之间绝缘路径的电气特性,并且会受到诸如杂散电容的影响。

 

下图显示了通过 NetWave 电源模拟器进行双电源测试时,电压 L1(黄色)和 L2(红色)的变化,符合 VW 80300 EHV-11 所定义的水平。而被试设备供电电压(蓝色)在测试中始终保持不变。

 

 

 

以下是电压偏移测试中快速变化的情况:

 

上图显示了三角电压在 10ms 周期内的变化。黄线(被试设备供电电压)是稳定且平坦的,这是通过精确同步的供电实现的,因其相移微小至可以忽略不计,并且电压不平衡达到了最小。
 
通过双电源法进行电压偏移测试,将受到两个因素的限制:
  • 两台电源都必须能够提供被试设备供电所需的全部电压,当最大供电电压超过 500V (例如保时捷要求达到 800V)时,电源的费用将非常高昂;
  • 要进行该测试,电源的输出必须是浮地的,在测试极点电源绝缘会受到全部被试设备供电电压的影响,因此,单台电源的绝缘电压必须足够高到可以支持此电压,并非所有的电源都能够做到这一点。

 

Ametek CTS 的 NetWave.2 和 NetWave.3 系列可编程电源适用于双电源测试法,通过其实现的电压偏移测试,被试设备供电电压最高可达 560 VDC。

 

  • 三相电源测试法

 

 

通过一台三相电源,同样可以进行电压偏移测试。
下图展示了三相电源测试法的测试布置:

 

 

电源的相位 L1 和 L2 提供一半的被试设备供电电压,并携带被试设备供电电流。全部三个相位共享同一个浮地的中性点(零点)N。相位 L3 的输出连接到地。通过改变 UL3 的电压,中性点将在“上”和“下”之间切换并产生所需的电压偏移。

 

同样为 500V 被试设备供电时:
 
UL1 和 UL2 的电压保持不变,UL3 发生变化并导致绝缘电压 Uisol 发生变化。

 

这一测试方法的优势,在进行 1000V 被试设备供电时得到了最好的体现:
 

 

三相电源的相位 L1 和 L2 通过串联,可以使被试设备供电电压达到 1000V。相位 L3 用于产生相对于地的中性点的电压偏移。这时 L1 和 L2 只需提供 500V 供电,便可以进行被试设备供电电压高达 1000V 的测试。

 

通过此方法进行电压偏移测试,电源必须满足下列两个要求:
  • 电源必须能够独立且同步控制全部三个相位, NetWave 电源中的板载信号发生器允许独立编程每个相位,如图所示:

 

  • 电源的绝缘电压必须足够高,在测试极点,L+的电势被移至全部的被试设备供电电压,而电源的绝缘承受能力要达到其所提供的电压的两倍。
    以下 1000V 的测试示例可以清楚地看到这一点:
每一相位仍旧提供 500V 供电电压,但由于中性点也移至 500V,因此相位 L1 和地之间的电压达到了 1000V。

 

下列示波器截图显示了200 V的测试序列。被试设备供电电压(蓝色)在 200 V 时保持恒定。L+ 到地(橙色)、L- 到地(玫红色)和 N 到地(绿色)的电压随时间推移而改变。电源的绝缘受到这些电压的影响, 在测试极点时达到全部的被试设备供电电压。

 

VW 80300 标准关于电压偏移测试的测试步骤 2 需要一个偏移电压的三角波。以下 200V 示例显示了 L +,L- 和 N 的绝缘电压以及被试设备供电电压:

 

请注意,尽管以 10ms 的周期进行了三角调制,但被试设备供电电压仍保持绝对稳定,这需要电源能够产生高精度和同步的波形。

AMETEK CTS 新发布的 NetWave.5 系列模拟器的绝缘电压为1000V,完全满足这一测试方法的要求,支持对供电电压高达 1000V 的高压元器件进行电压偏移测试。



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