【摘 要】隨著新能源車輛的發(fā)展和普及,新能源車輛充電狀態(tài)下的電磁兼容特性越來(lái)越受到整車企業(yè)、出口認(rèn)證公司、最終用戶的重視。在最新版的出口認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)ECE R10中,明確規(guī)定了整車充電狀態(tài)下的電磁兼容測(cè)試要求和方法,歐盟明確規(guī)定新能源車輛進(jìn)入市場(chǎng)之前需要做此方面的電磁兼容測(cè)試。目前國(guó)家公告標(biāo)準(zhǔn)GB 34660中并沒(méi)有相關(guān)要求,但根據(jù)行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展,GB/T 40428—2021《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電電磁兼容性要求和試驗(yàn)方法》將作為未來(lái)此類項(xiàng)目的公告標(biāo)準(zhǔn),而且,各個(gè)國(guó)家甚至車企生產(chǎn)的新能源車輛所對(duì)應(yīng)的充電類型以及充電協(xié)議都是不同的,因此,暗室內(nèi)(電磁兼容試驗(yàn)室)加裝整車多協(xié)議充電系統(tǒng)進(jìn)行電磁兼容測(cè)試已成為趨勢(shì)。文章對(duì)直流充電(含超級(jí)直流充電)在特定SOC充電工況下,對(duì)不同功率充電下電磁兼容的輻射發(fā)射測(cè)試進(jìn)行研究。
【關(guān)鍵詞】新能源車輛充電;電磁兼容;ECE R10;GB 34660;GB/T 40428—2021;充電協(xié)議;整車多協(xié)議充電系統(tǒng)
中圖分類號(hào):U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1003-8639( 2024 )11-0075-07
Research on Electromagnetic Compatibility Test of Vehicle Multi-protocol Charging in Dark Room
【Abstract】With the development and popularization of new energy vehicles,the electromagnetic compatibility characteristics of new energy vehicles under the charging state are paid more and more attention by vehicle enterprises,export certification companies and end users. In the latest version of the export certification standard ECE R10,the requirements and methods of the electromagnetic compatibility test under the charging state of the vehicle are clearly stipulated,and the EU clearly stipulates that the new energy vehicles need to do the electromagnetic compatibility test in this aspect before entering the market. Current national announcement standard GB 34660 and no relevant requirements,but according to the industry standard development,GB/T 40428-2021 the electric vehicle conduction charging electromagnetic compatibility requirements and test methods will be the future of such project standards,and even the production of new energy vehicles corresponding to the charging type and charging protocol is different,therefore,the chamber(electromagnetic compatibility laboratory)with vehicle more protocol charging system for electromagnetic compatibility test has become a trend.In this paper,DC charging(including super DC charging)under specific SOC charging conditions,electromagnetic compatibility radiation emission test under different power charging is studied.
【Key words】New energy vehicle charging;electromagnetic compatibility;ECE R10;GB 34660;GB/T 40428—2021;charging protocol;vehicle multi-protocol charging system
隨著電動(dòng)汽車的迅速發(fā)展,用戶不但對(duì)電動(dòng)汽車的行駛性能提出高要求,對(duì)電動(dòng)汽車的充電性能也提出更高的要求,希望電動(dòng)汽車充電能像加油那樣方便、快捷。直流快充、超充技術(shù)和換電技術(shù)也隨之迅速發(fā)展起來(lái),縮短了補(bǔ)能時(shí)間。充電過(guò)程中的電磁兼容問(wèn)題也逐漸受到廣泛關(guān)注,2021年3月,國(guó)內(nèi)首個(gè)汽車充電電磁兼容標(biāo)準(zhǔn) GB/T 40428—2021《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電內(nèi)容性要求和試驗(yàn)方法》正式發(fā)布,對(duì)電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電時(shí)發(fā)射類電磁兼容性能和試驗(yàn)方法做了詳細(xì)要求,對(duì)交流充電抗擾性能也做了詳細(xì)要求,對(duì)直流充電抗擾性能只對(duì)輻射抗擾度提出了要求。相比于交流慢充,直流快充、超充技術(shù)能夠輸出高于交流慢充數(shù)倍的電流和功率。在2023版正式發(fā)布國(guó)家充電標(biāo)準(zhǔn)中,國(guó)充2015+系列發(fā)布的2項(xiàng)充電接口標(biāo)準(zhǔn)中,即GB/T 20234.1—2023和GB/T 20234.3—2023,主要是對(duì)現(xiàn)行2015年版國(guó)標(biāo)方案進(jìn)行升級(jí),而2015+配套的控制導(dǎo)引及通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)仍在修訂中。GB/T 18487.1—2023在2015版標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上新增了超級(jí)直流充電的控制導(dǎo)引電路和相關(guān)的適配及安全要求,GB/T 27930—2023在2015版標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上新增了超級(jí)直流充電的通信協(xié)議架構(gòu),GB/T 20234.4—2023則規(guī)定了超級(jí)直流充電接口及其適配器的技術(shù)要求,即其額定電壓不超過(guò)1500VDC,額定電流不超過(guò)800ADC。隨著電動(dòng)汽車的普及,超級(jí)直流充電已成為日后用戶出行首選的充電方式。本文對(duì)直流充電(含超級(jí)直流充電)在特定SOC充電工況下,對(duì)不同功率充電下電磁兼容的輻射發(fā)射測(cè)試進(jìn)行研究。
1 新能源整車充電原理
1.1 新能源整車充電類型、名稱及充電標(biāo)準(zhǔn)
隨著各國(guó)對(duì)電動(dòng)汽車的支持力度越來(lái)越大,充電樁的建設(shè)也越來(lái)越多,充電類型包括交流充電和直流充電,充電標(biāo)準(zhǔn)目前主要集中于歐洲、美國(guó)、中國(guó)、日本等四大區(qū)域。而特斯拉由于電動(dòng)車發(fā)展較早,也形成了一套單獨(dú)的充電標(biāo)準(zhǔn)。因此目前全球主要有五大充電標(biāo)準(zhǔn)。
目前五大充電標(biāo)準(zhǔn)接口分別是中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20234、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)J1772、歐洲標(biāo)準(zhǔn)IEC 62196、日本標(biāo)準(zhǔn)CHAdeMO和特斯拉標(biāo)準(zhǔn)NACS,見(jiàn)表1。由于各地區(qū)的充電接口不一致,這也導(dǎo)致了在進(jìn)行電動(dòng)汽車充電接口的設(shè)計(jì)時(shí)需要滿足不同地區(qū)或市場(chǎng)充電標(biāo)準(zhǔn)的要求,否則無(wú)法進(jìn)行充電且不滿足其標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的要求。
1.2 新能源國(guó)標(biāo)整車充電模式及優(yōu)缺點(diǎn)
電動(dòng)汽車充電模式有直流充電和交流充電,直流充電根據(jù)充電電流以及功率大小有普通直流充電和超級(jí)直流充電。
1.2.1 直流充電
直流充電一般是直流充電樁安裝在固定場(chǎng)所進(jìn)行充電,與交流輸入電源連接,充電樁輸出直流電壓,直流輸出的充電槍連接電動(dòng)汽車充電接口,從而給電動(dòng)汽車動(dòng)力蓄電池進(jìn)行直流充電。圖1為直流充電示意圖。
以中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20234充電為例,直流充電系統(tǒng)由直流充電樁(圖2)、電纜組件、直流充電接口、電動(dòng)汽車構(gòu)成,電網(wǎng)接入380V電壓,經(jīng)過(guò)直流充電樁的轉(zhuǎn)換裝置將380V交流電轉(zhuǎn)換為高壓直流電,通過(guò)車輛直流充電接口,直接進(jìn)入電池包,充電期間直流充電樁的ECU單元與車輛的BMS進(jìn)行通信,保證充電過(guò)程中的安全、可靠。
1.2.1.1 直流充電口定義及各觸頭作用
直流充電接口僅用于提供直流電,直流接口由3個(gè)電源觸頭DC+、DC-、PE,6個(gè)信號(hào)觸頭S+、S-、A+、A-、CC1、CC2組成,如圖3、圖4所示。直流接口各觸頭作用見(jiàn)表2。
當(dāng)直流充電槍和樁連接成功后會(huì)通過(guò)低壓輔助電源12V喚醒車輛BMS;車輛BMS會(huì)通過(guò)通信信號(hào)向直流充電樁實(shí)時(shí)發(fā)送電池充電需求參數(shù),直流充電樁根據(jù)電池充電需求參數(shù)實(shí)時(shí)調(diào)整充電電壓和充電電流;此外,直流充電樁和車輛BMS還會(huì)相互發(fā)送各自的狀態(tài)信息來(lái)實(shí)現(xiàn)充電的目的。
1.2.1.2 直流充電優(yōu)缺點(diǎn)
直流充電是交流充電電流的十倍甚至幾十倍,其優(yōu)點(diǎn)是短時(shí)間內(nèi)可以充滿電池80%的容量,超過(guò)80%后,為保護(hù)電池安全,充電電流逐漸變小,直至充到100%。而缺點(diǎn)是由于充電電壓高、電流大的特點(diǎn),會(huì)對(duì)電池造成一定的損壞,降低電池的使用壽命。
1.2.2 交流充電
交流充電系統(tǒng)中充電樁自帶充電槍或隨車槍與交流充電樁或220V家用交流插座連接,通過(guò)車載充電機(jī)OBC將220V交流電轉(zhuǎn)化為直流電,進(jìn)行電動(dòng)汽車動(dòng)力電池的充電。
交流充電系統(tǒng)主要由充電樁、充電線束、車載充電器、高壓控制盒、動(dòng)力電池、DC-DC轉(zhuǎn)換器、低壓蓄電池以及各種高壓線束和低壓控制線束等組成。如圖5所示。
1.2.2.1 交流充電口定義及各觸頭作用
交流充電接口由5個(gè)電源觸頭L1、L2、L3、N和PE,2個(gè)信號(hào)觸頭CC、CP 組成,如圖6、圖7所示。交流充電接口各觸頭作用見(jiàn)表3。
當(dāng)車輛處于交流充電模式下,車載充電機(jī)檢測(cè)交流充電接口的通信信號(hào)并喚醒車輛BMS,車輛BMS喚醒車載充電機(jī)并發(fā)送指令充電,同時(shí)閉合主繼電器,動(dòng)力電池開(kāi)始充電。
1.2.2.2 交流充電優(yōu)缺點(diǎn)
交流充電其優(yōu)點(diǎn)是充電電流和功率小,保護(hù)并延長(zhǎng)電池壽命以及用電低峰時(shí)充電成本低,缺點(diǎn)則是充電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。
1.3 其他國(guó)家新能源整車充電交直流插頭及優(yōu)缺點(diǎn)
美國(guó)和歐洲市場(chǎng)主要使用的是Combo充電插頭,而Combo充電插頭基于IEC 62196標(biāo)準(zhǔn),主要用于純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車的充電插接系統(tǒng),既支持交流充電,也支持直流充電,包括一個(gè)車輛充電接口和一個(gè)充電插頭(交流充電和直流充電的充電插頭集成于一體)。這種通用插接系統(tǒng)只需要具備一個(gè)車輛充電接口便可實(shí)現(xiàn)不同的交流電和直流電充電方式,即美國(guó)市場(chǎng)的型號(hào)Combo 1接口(圖8、圖10)和歐洲市場(chǎng)的型號(hào)Combo 2接口(圖9、圖11),這兩種型號(hào)的直流電接口觸頭相同。與交流充電相比,直流充電觸頭尺寸較大,可實(shí)現(xiàn)大電流充電。用于Combo充電接口的優(yōu)點(diǎn)是客戶既可使用交流充電站,也可使用直流充電站給車輛動(dòng)力蓄電池進(jìn)行充電。缺點(diǎn)是在進(jìn)行直流充電時(shí),充電期間斷開(kāi)充電插頭會(huì)產(chǎn)生電弧,為避免這種情況,充電期間采用電動(dòng)機(jī)械方式鎖止充電插頭。
CHAdeMO是日本直流充電標(biāo)準(zhǔn)的車輛充電接口。CHAdeMO是CHArge de Move的縮寫,意為Charge for Moving(移動(dòng)充電)。采用這種方式時(shí),充電電流強(qiáng)度最高可達(dá)200A。日標(biāo)車輛交流插頭與國(guó)標(biāo)插頭一致,唯一的區(qū)別是交流充電所需的電壓和頻率與國(guó)內(nèi)不一致;圖12、圖13為日標(biāo)充電插頭的結(jié)構(gòu)和接口定義。
美國(guó)通用的充電標(biāo)準(zhǔn)是J1772,而特斯拉作為早期發(fā)展電動(dòng)汽車的車企,擁有專用的充電接口,即NACS,如圖14所示;其充電接口主要用于特斯拉電動(dòng)汽車的充電。NACS插頭的優(yōu)點(diǎn)是交直流一體的插頭,與Combo充電插頭一樣既可使用交流充電站,也可使用直流充電站給車輛動(dòng)力蓄電池進(jìn)行充電。而缺點(diǎn)是由于接口的限制,無(wú)法兼容交流三相電,這也導(dǎo)致在中國(guó)和歐洲等使用三相交流電的國(guó)家或地區(qū)無(wú)法使用。
2 暗室內(nèi)整車多協(xié)議充電電磁兼容試驗(yàn)
2.1 暗室內(nèi)整車充電原理
目前國(guó)內(nèi)外整車充電電磁兼容已制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn),國(guó)內(nèi)試驗(yàn)室也根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)將充電樁配套暗室進(jìn)行國(guó)標(biāo)歐標(biāo)等車型在整車充電工況下的電磁兼容測(cè)試。圖15為本試驗(yàn)室暗室交流布置圖,即交流充電樁通過(guò)園區(qū)供電經(jīng)過(guò)交流濾波器到暗室內(nèi),暗室內(nèi)接入到交流人工網(wǎng)絡(luò),然后接入交流充電槍給車輛充電,但是在充電前需要通過(guò)光電轉(zhuǎn)換到協(xié)議轉(zhuǎn)換箱,進(jìn)行各個(gè)需求協(xié)議的轉(zhuǎn)換。
圖16為暗室直流布置圖,直流充電樁通過(guò)園區(qū)供電經(jīng)過(guò)直流濾波器到暗室內(nèi),暗室內(nèi)接入到高壓人工網(wǎng)絡(luò),然后接入直流充電槍給車輛充電,但是在充電前需要通過(guò)光電轉(zhuǎn)換到協(xié)議轉(zhuǎn)換箱進(jìn)行各個(gè)需求協(xié)議的轉(zhuǎn)換。目前車輛直流充電功率越來(lái)越大,隨著具備大功率充電車輛的普及,試驗(yàn)室也需要配備相應(yīng)的充電樁試驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行測(cè)試,因?yàn)樾枰涮子诎凳?,大功率充電設(shè)備需要有嚴(yán)苛的條件去進(jìn)行相應(yīng)的配套設(shè)備,所以較普通直流充電而言,大功率直流充電(超級(jí)充)需要在暗室內(nèi)配置液冷系統(tǒng)來(lái)配合充電槍給車輛充電。而超級(jí)直流充電由于試驗(yàn)場(chǎng)地的局限性、設(shè)備的便攜性以及安全性,采用液冷方式對(duì)充電槍線進(jìn)行冷卻散熱。本試驗(yàn)室采用油冷的方式對(duì)充電槍線進(jìn)行冷卻散熱。
2.2 暗室內(nèi)整車充電布置
以本試驗(yàn)室為例進(jìn)行介紹。本試驗(yàn)室為3m法半電波暗室,暗室內(nèi)滿足交流充電和直流充電(超級(jí)直流充電)的測(cè)試能力,按照GB/T 40428—2021以及ECE R10.06標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行試驗(yàn)環(huán)境的布置。圖17和圖18為某車型進(jìn)行普通直流充電的布置圖。圖19為某車型進(jìn)行超級(jí)直流充電的布置圖。
超級(jí)直流充電布置需要通過(guò)外部供電到暗室內(nèi),暗室內(nèi)通過(guò)配備大功率線纜到屏蔽箱輸入端(內(nèi)部為高壓人工網(wǎng)絡(luò)),屏蔽箱高壓人工網(wǎng)絡(luò)輸出端口接入雙槍(每把槍功率輸出250kW),然后雙槍接入到液冷系統(tǒng)設(shè)備(圖20)中,從而達(dá)到輸出500kW的充電功率。
2.3 暗室內(nèi)整車充電測(cè)試
按照ECE R10 06版標(biāo)準(zhǔn)對(duì)某車型進(jìn)行輻射發(fā)射測(cè)試,該車型具備交流直流(超級(jí)直流充)的充電工況,分別對(duì)該車型在特定SOC22%直流充電進(jìn)行測(cè)試。圖21為該狀態(tài)下的超級(jí)直流充電實(shí)時(shí)界面。
2.3.1 暗室環(huán)境底噪測(cè)試
在進(jìn)行測(cè)試時(shí)前,需要進(jìn)行暗室環(huán)境底噪的測(cè)試,確認(rèn)在液冷系統(tǒng)正常工作時(shí),暗室環(huán)境底噪沒(méi)有問(wèn)題,所測(cè)結(jié)果如圖22和圖23所示。
通過(guò)測(cè)試結(jié)果分析,該環(huán)境底噪滿足6dB以上,符合測(cè)試要求,可以進(jìn)行車輛充電輻射發(fā)射的測(cè)試。
2.3.2 車輛輻射發(fā)射寬帶充電測(cè)試
以該車輛左側(cè)為測(cè)試面,分為4個(gè)工況分別進(jìn)行測(cè)試。圖24~圖27為每個(gè)工況輻射發(fā)射測(cè)試寬帶結(jié)果。
2.3.3 4種充電工況測(cè)試結(jié)果分析
通過(guò)對(duì)4種充電工況天線水平極化測(cè)試對(duì)比(圖28),可以反映出在頻率范圍30~50MHz、550~750MHz有明顯的變化,其中750V、200A充電工況在30~50MHz時(shí)變化較大,測(cè)試結(jié)果較差;在750V、300A充電工況下,頻率范圍為550~750MHz變化較大,測(cè)試結(jié)果相對(duì)于其他3種充電工況較差,而通過(guò)各工況與750V、400A對(duì)比差值圖(圖29)可以看出在整個(gè)頻段范圍內(nèi),幾乎所有頻率點(diǎn)的測(cè)試差值在±5dB之間。
圖30、圖31中顯示頻率范圍30~50MHz、550~750MHz測(cè)試結(jié)果有明顯變化,通過(guò)對(duì)2個(gè)頻段各工況測(cè)試結(jié)果單獨(dú)比較,可以看出部分頻率點(diǎn)測(cè)試結(jié)果差值達(dá)到了-7~+5dB。
通過(guò)對(duì)4種充電工況天線垂直極化測(cè)試結(jié)果對(duì)比,從圖32中可以反映出在頻率范圍30~50MHz有明顯的變化,該頻率段所對(duì)應(yīng)的充電工況為750V、400A,測(cè)試結(jié)果相對(duì)于其他3種充電工況較差;而通過(guò)各工況與750V、400A充電工況對(duì)比差值圖(圖33)可以看出在整個(gè)頻段范圍內(nèi),絕大部分頻率點(diǎn)的測(cè)試差值在±5dB之間。
圖34顯示在頻率范圍30~50MHz測(cè)試結(jié)果有明顯變化,通過(guò)對(duì)該頻段各工況測(cè)試結(jié)果單獨(dú)比較,可以看出部分頻率點(diǎn)測(cè)試結(jié)果差值達(dá)到了-3~+9dB,差值較大。
2.3.4 低功率充電與高功率(超級(jí)充電)充電測(cè)試結(jié)果分析
通過(guò)測(cè)試進(jìn)行了對(duì)低功率與高功率充電工況測(cè)試結(jié)果的分析,如圖35~圖38所示。
由圖35和圖36可以分析出BB HL_SOC22%(750V 100A)與(750V 400A)測(cè)試結(jié)果趨勢(shì)幾乎一致,整個(gè)測(cè)試頻段內(nèi)除部分頻率測(cè)試點(diǎn)差值大以外,其余結(jié)果差值均在±3dB以內(nèi)。
由圖37和圖38可以分析出寬帶天線垂直極化測(cè)試結(jié)果差于天線水平極化測(cè)試結(jié)果,BB VL_SOC22%(750V 100A)與(750V 400A)測(cè)試結(jié)果除了在30~50MHz差值大以外,其余頻段趨勢(shì)幾乎一致,結(jié)果差值均在±3dB以內(nèi)。
3 結(jié)語(yǔ)
在ECE R10關(guān)于電磁兼容性方面批準(zhǔn)車輛的統(tǒng)一規(guī)定以及GB/T 40428—2021電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電電磁兼容性要求和試驗(yàn)方法的標(biāo)準(zhǔn)里,規(guī)定在全頻范圍內(nèi)測(cè)量期間,動(dòng)力蓄電池的充電狀態(tài)應(yīng)保持在最大SOC的20%~80%。但是對(duì)于直流充電或超級(jí)直流充電測(cè)試,車輛在測(cè)試期間動(dòng)力蓄電池SOC能否保持在20%~80%,取決于充電功率的大小,同一車輛類型的動(dòng)力蓄電池,充電功率越大,充電電池電量飽和時(shí)間就越短,在該測(cè)試項(xiàng)目一定的時(shí)間里,無(wú)法按照標(biāo)準(zhǔn)要求中需要的測(cè)試電量范圍去測(cè)試,所以后續(xù)考慮到需要將車輛放電到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電量,但是這樣會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)場(chǎng)地的占用率升高,從而導(dǎo)致測(cè)試任務(wù)的緊張以及試驗(yàn)室成本的虧損。
通過(guò)對(duì)于該車輛4種不同充電工況在同一SOC情況下的測(cè)試結(jié)果研究分析,得出以下結(jié)論。
1)4種工況測(cè)試中,天線垂直與水平極化方向的測(cè)試結(jié)果除了30~50MHz以及550~750MHz外,其他測(cè)試頻段結(jié)果趨勢(shì)幾乎一致。
2)在最大充電電流的25%(750V、100A)與最大充電電流(750V、400A)兩種充電工況測(cè)試中,天線垂直與水平極化方向的測(cè)試結(jié)果除了30~50MHz外,其他測(cè)試頻段趨勢(shì)幾乎一致,測(cè)試結(jié)果差值較小。
3)隨著具備超級(jí)充電車輛的普及,電磁兼容測(cè)試也尤為重要。鑒于試驗(yàn)室以及車輛狀態(tài)等原因,通過(guò)該車測(cè)試結(jié)果分析考慮到測(cè)試以及充電時(shí)間的問(wèn)題,在進(jìn)行直流充電試驗(yàn)時(shí),通過(guò)對(duì)不同充電工況進(jìn)行對(duì)比,可以嘗試按照低功率充電狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試。
4)對(duì)于某些車輛具備超級(jí)充電即高功率充電結(jié)果與低功率充電在某些頻段結(jié)果的差異,可以對(duì)該頻段進(jìn)行高功率充電復(fù)測(cè),以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性與一致性。
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[4] GB/T 20234.1—2023,電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置 第1部分:通用要求[S]. 2023.
[5] GB/T 20234.3—2023,電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置 第3部分:直流充電接口[S]. 2023.
[6] GB/T 20234.4—2023,電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置 第4部分:大功率直流充電接口[S]. 2023.
[7] GB/T 18487.1—2023,電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第1部分:通用要求[S].