閆智彪，司可，趙凌霄

1.中汽研新能源汽車檢驗中心（天津）有限公司，天津 300300；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300

0 引言

近年來，我國電動汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)模迅速增長，已經(jīng)成為世界領先的電動汽車市場。與此同時，電動汽車相關的高壓電氣系統(tǒng)部件技術(shù)也有了較快發(fā)展[1]。其中，高壓電氣系統(tǒng)部件、DC/DC變換器、車載充電機（on-board charger, OBC）等部件直接關系到電動汽車的動力、續(xù)航和安全，是電動汽車的重要組成部分。隨著電動汽車的高速化、集成化趨勢日益加強，高壓電氣系統(tǒng)部件中的多種部件彼此耦合，且功率需求不斷增加[2]。同一部件中不同電壓等級的電路、不同部件之間極易出現(xiàn)相互干擾。車載充電機、DC/DC變換器等產(chǎn)生的電壓紋波會對電動汽車內(nèi)部其他部件乃至整車的安全產(chǎn)生不利影響。

鑒于此，國內(nèi)專家開展了一系列相關研究。早在2009年，許建平等[3]采用脈沖序列控制的方法針對DC/DC變換器輸出電壓紋波進行了優(yōu)化。2013年，賁洪奇等[4]針對輔助繞組的單級橋式PFC變換器優(yōu)化了繞組參數(shù)控制電流，在沒有增加系統(tǒng)響應時間的情況下降低了輸出電壓紋波，為輸出電壓紋波的抑制提出了一種新思路。2014年，李林[5]對開關電源產(chǎn)生電壓紋波機理進行了研究，并提出了一種對電壓紋波在設計階段進行估算的方法。2018年，許健等[6]提出了一種基于小波變換的電壓紋波檢測方法，并使用MATLAB進行了仿真，可以直觀輸出電壓紋波的頻率、幅值等參量，為電壓紋波的研判提出了一種新思路。2019年，王淑旺等[7]以復用充電機為對象，針對充電過程產(chǎn)生的電壓紋波，在Buck階段采用諧振控制的方法對紋波進行了有效抑制，達到了提高充電質(zhì)量的目的。2021年，左文順等[8]提出了一種電動汽車用雙向DC/DC變換器的設計方法，并對此進行了理論分析和樣機測試，達到了改善電流紋波的效果。2022年，陳麗等[9]針對車載充電機的Buck系統(tǒng)進行分析，通過建立小信號模型進行復合控制的方法減小車載充電機輸出諧波，并通過了試驗與仿真驗證。目前，對電動汽車高壓系統(tǒng)部件產(chǎn)生的電壓紋波進行的理論與仿真分析研究較多，而試驗研究相對較少。同時，由于研究主要集中于生產(chǎn)企業(yè)與高校，多樣本試驗對比研究較為欠缺。

本文重點關注國內(nèi)外電動汽車高壓系統(tǒng)部件產(chǎn)生電壓紋波的問題。首先，針對國內(nèi)標準GB/T 24347—2021《電動汽車 DC/DC變換器》[10]、GB/T 40432—2021《電動汽車用傳導式車載充電機》[11]以及國際標準ISO 21498-2:2021 Electrically propelled road vehicles-Electrical specifications and tests for voltage class B systems and components-Part 2: Electrical tests for components[12]中電動汽車高壓系統(tǒng)部件產(chǎn)生高壓紋波測試的試驗方法及判定要求進行了梳理，并比較了國內(nèi)標準與國際標準的差異性。其次，以ISO 21498-2:2021為依據(jù)，提出了電動汽車高壓系統(tǒng)部件產(chǎn)生電壓紋波測試的試驗流程。最后，依據(jù)所提出的試驗流程，針對市面上常見的8款電動汽車DC/DC變換器進行了相關測試。

1 標準分析

國內(nèi)標準中關于電動汽車高壓系統(tǒng)部件產(chǎn)生電壓紋波的試驗對象主要為DC/DC變換器和電動汽車用傳導式車載充電機，測試標準分別為GB/T 24347—2021中的“4.2.6輸出電壓紋波因數(shù)”以及GB/T 40432：2021中的“4.2.8 輸出電壓紋波因數(shù)”。國際測試標準則為ISO 21498系列標準，其中ISO 21498-2:2021中的“6.5 Generated voltage ripple”規(guī)定了產(chǎn)生電壓紋波的測試方法。GB/T 24347—2021和GB/T 40432—2021的試驗判定主要針對DC/DC變換器和電動汽車用傳導式車載充電機輸出端電壓的電壓紋波，而ISO 21498-2：2021的試驗判定則針對高壓電控系統(tǒng)部件工作時對輸入端產(chǎn)生的電壓紋波，且在頻率與時域上分別進行判定，判定標準更為詳盡。

1.1 國標的試驗方法與判定標準

GB/T 24347—2021要求根據(jù)電壓紋波試驗基本原理進行試驗，調(diào)節(jié)DC/DC負載電流，使之以20%、50%、80%和100%額定輸出，并用數(shù)字示波器記錄不同功率下輸出電壓的紋波峰值Upp與輸出電壓的平均值Udc。基本原理如圖1所示。

圖1 GB/T 24347—2021電壓紋波試驗基本原理

用數(shù)字示波器以AC電壓檢測模式測量車載充電機的輸出電壓端，示波器帶寬為20 MHz，波形掃描速度應不小于0.5 s/div，記錄不同功率下的輸出電壓的紋波峰值Upp與輸出電壓的平均值Udc。根據(jù)以下公式計算輸出電壓紋波因數(shù)：

式中，Uδ為輸出電壓紋波因數(shù)；Udc為輸出電壓的平均值；Upp為輸出電壓的紋波峰值。標準要求輸出電壓紋波因數(shù)不大于5%。

1.2 ISO 21498的試驗方法與判定標準

ISO 21498中的電壓紋波試驗主要測試頻率范圍在10 ～150 kHz?；驹砣鐖D2所示。

圖2 ISO 21498電壓紋波試驗基本原理

圖2中，1代表B級電壓連接：HV+；2代表B級電壓連接：HV-；3代表A級電壓電源；4代表輸入輸出信號和總線信號；5代表與A級電壓接地參考直接連接的端子；6代表接地參考（與接地參考平面連接）；7代表高壓直流電源；a代表受試設備；b代表B級電壓電路；c代表A級電壓電路；d代表電纜（裝屏蔽層）；e代表去耦電容器CS；f代表人工電源網(wǎng)絡；g代表接地參考平面；h-差分探頭；i代表測量儀器。

在不同工況分別進行試驗，根據(jù)產(chǎn)生紋波最大的工況進行判定。使用差分探頭和數(shù)字示波器對產(chǎn)生的電壓紋波進行測量，得到所產(chǎn)生電壓紋波的曲線，根據(jù)時域曲線求得電壓的紋波峰值Upp，通過快速傅里葉變換或者頻譜分析儀記錄所有頻域峰值大小和頻率。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 試驗流程

根據(jù)ISO 21498-2:2021和GB/T 24347—2021規(guī)定的產(chǎn)生電壓紋波的測試方法進行測試。高壓系統(tǒng)部件產(chǎn)生電壓紋波的試驗過程、試驗設備以及相關零配件有嚴格的要求，如圖3所示。

圖3 試驗流程

試驗前檢查樣品，確認樣品在試驗前為正常狀態(tài)，根據(jù)樣品在實車工作環(huán)境的狀態(tài)選擇人工電源網(wǎng)絡模型參數(shù)，依照圖4進行試驗臺架搭建和樣品安裝。

樣品安裝完畢后需進行樣品功能確認，以確認樣品在試驗環(huán)境中的功能狀態(tài)良好。若已知可以產(chǎn)生最大電壓紋波的工況則在該工況下進行試驗，否則應按照規(guī)定的輸出工況進行試驗，通過數(shù)字示波器記錄測試時間內(nèi)的電壓紋波曲線，計算電壓紋波的峰值，對獲得的電壓紋波曲線進行快速傅里葉變換，進行頻域數(shù)據(jù)分析。

2.2 人工電源網(wǎng)絡

根據(jù)ISO 21498-2：2021，在電動汽車高壓系統(tǒng)部件產(chǎn)生的電壓斜率、電壓紋波等試驗中，樣品產(chǎn)生的電壓斜率及紋波分量大小受應用于整車電路的阻抗所影響，若不考慮實際的應用狀況，則容易導致測試結(jié)果失真乃至測試實驗失敗。為了在實驗中平衡不同電源和線束對試驗結(jié)果產(chǎn)生的影響，得到可靠的測試結(jié)果，需要人工電源網(wǎng)絡接入試驗線路進行輔助，模擬車輛電網(wǎng)的動態(tài)特性及電池的內(nèi)阻，以還原實車環(huán)境。人工電源網(wǎng)絡電阻模擬車輛電源的內(nèi)阻、人工電源網(wǎng)絡電感模擬車輛的內(nèi)電感，主要是車輛電源和電纜的電感、人工電源網(wǎng)絡電容和接地之間的電容，用來計算電磁兼容性的值。這些數(shù)值對應于典型的車輛數(shù)值，根據(jù)被測樣品實際情況選用。

2.3 試驗數(shù)據(jù)分析

按照ISO 21498-2:2021中“6.5 Generated voltage ripple”規(guī)定的產(chǎn)生的電壓紋波的測試方法對8款不同廠家型號的DC/DC變換器進行測試。測試結(jié)果統(tǒng)計見表1。

表1 測試結(jié)果統(tǒng)計

通過數(shù)字示波器記錄測試時間內(nèi)電壓紋波曲線，并對獲得的電壓紋波曲線進行快速傅里葉變換和頻域數(shù)據(jù)分析，不同樣品電壓紋波頻域分布如圖5所示。

圖5 電壓紋波頻域分布

以上8個樣品經(jīng)過試驗測試，輸入端均滿足峰值的一半應小于給定限值的時域要求和所有幅值變化不超過頻率相關限值的最大值的頻域要求。輸出端電壓紋因數(shù)均小于5%。

3 結(jié)論

高速化、集成化對高壓電氣系統(tǒng)部件提出了更高的要求。對于產(chǎn)生的電壓紋波試驗，國內(nèi)標準同國際標準相比，在檢測方法和判定依據(jù)方面都有巨大不同。國內(nèi)標準主要針對樣品輸出端進行檢測，而國際標準ISO 21498-2：2021則主要針對樣品輸入端進行檢測，且判斷標準更為全面，可以對電動汽車高壓系統(tǒng)部件產(chǎn)生的電壓紋波進行測試指導。結(jié)合試驗流程，對多個樣品進行試驗驗證，不同樣品在電壓紋波的頻率分布和幅值大小方面均存在較大差異，且呈現(xiàn)不同特點，為高壓電氣系統(tǒng)部件的測試評價提供了一個新的研究方向。