隨著電池成組技術和底盤一體化技術的發展，包括電池包在內的高壓零部件（尤其是800V平臺）進行電性能測試變得越來越重要，常見標準如LV 123、VW 80300、ISO 7637-4、ISO 21498-2等均可應用于動力電池及其系統的測試。

此外，由于整車集成的布線工藝、高低壓耦合和復雜的寄生參數的影響，仍可能發生系統性功能失效和嚴重故障，比如高壓紋波噪聲過大、電源網絡振蕩、控制器無法正常工作等，排障變得極為困難。

2022年11月17日，由蓋世汽車主辦，上海虹橋國際中央商務區管委會、上海閔行區人民政府指導，上海南虹橋投資開發（集團）有限公司協辦的2022第二屆汽車動力電池論壇上，北京東方中科集成科技股份有限公司市場拓展經理張芳杰進行了題為《動力電池包高壓動態電性能的挑戰與測試解決方案》的演講。

張芳杰｜北京東方中科集成科技股份有限公司 市場拓展經理

電性能測試本身不特別，但是由于新的智能化底盤、滑板底盤、電池集成、碳化硅開關、升壓充電等高壓技術的發展趨勢下，電池包動態電性能的測試正面臨很多新的挑戰。東方中科推出一套全新紋波系統可用于動力電池包和整車的高壓動態電性能測試的解決方案：

通過在低頻段輸出更多電流，以及在高頻段給到更大的輔助電壓，以保證整個測試要求的合規性。既可針對直流母線上的紋波噪聲頻帶及幅度進行測試整改，又可針對用電網絡的動態阻抗進行分析改善，有效地解決高壓電池包和滑板底盤的測試難題，能夠滿足各種測試場景需求。

圖片來源：東方中科

高壓電性能的測試范圍包括了所有高壓元器件，也就是與動力電池包相連接的設備，如：1、電動機及控制器；2、DC-DC變換器/車載充電機OBC；3、車載逆變器/升壓充電模塊；4、高壓空調/熱系統或熱泵；5、所有儲能設備（包含動力電池包）；6、變速箱；7、PDU/線束/電纜；8、混動系統；9、滑板底盤/線控底盤。

按照目前行業內流行的LV 123標準，即大眾集團標準，也是最早將整個高壓電池包以及平臺納入其中的標準，國內的主機廠很多也在引用這一套標準。LV123標準的第7節“電氣特性和高壓安全要求”中有關高壓組件的電氣特性和電氣安全要求，以及第8節“單個高壓部件的附加要求”對高壓部件的要求，并具體規定了PV測試和合規性測試的階段性電性能驗證要求，已經覆蓋了研發、測試、上車的不同階段。

圖片來源：東方中科

挑戰一：高壓直流電源的電壓變化斜率要求更高。按照LV 123的標準要求，先看高壓器件的工作狀態區分：B0指的是高壓器件處于工作狀態，沒有功率要求；B1指的是高壓器件處于全運行狀態，滿足規定的性能指標；B2指的是高壓器件處于全運行狀態，性能在工況B2允許的偏差范圍內，當高壓器件恢復到工況B1時，需自動滿足規定的性能指標。B3指的是，高壓器件仍然可以工作，不會進入未定義狀態，尤其是不會引起其他高壓器件失效。B4指的是，高壓器件仍然可以工作，但可能切斷輸出，當恢復至B3/B2/B1時，可以通過復位或者簡單人工干預以滿足規定性能。

進一步地，標準要求B3狀態下高壓直流電源的瞬態響應需要達到250V/ms，即1000V滿量程拉載時間要控制在4ms以內，才能滿足電池包和高壓零部件測試的規定，而傳統的高壓零部件測試電源的20~90V/ms響應并不能滿足這一合規性要求。因此，給高壓動態電性能測試配置一臺高性能的高壓直流電源是十分必要，也是滿足測試規范的最基礎要求。

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挑戰二：高壓直流紋波測試的困難性。高壓動態電性能測試核心是直流紋波測試，而紋波騷擾的來源主要是MCU等電源電路的開關信號，對直流母線的影響會通過各種各樣的耦合、反射被進一步放大，隨著碳化硅器件在高壓零部件的汽車電源領域應用增多，這部分要求肯定會進一步提升。

以ISO 21498-2的紋波測試要求為例，10Hz到1kHz的范圍內，用12V的峰值去輸出直流紋波，1kHz-50kHz的范圍內，則是用24V的較高輸出幅度，50 kHz -100 kHz的范圍內，幅度和頻率同時在做對數掃描，需要連續變化。以此類推，紋波的幅度需要隨著頻率連續地進行輸出調整。

理想模型是直流電源+紋波耦合網絡+紋波功放，但是實際上，因為高壓電源行業的現狀，想用單臺高壓電源按照標準要求直接輸出信號是不可能的，業內主推的是采用電感耦合的方式，構成紋波耦合回路，好處在于：1、可調互感器可以控制紋波電壓或者電流的變化；2、結構穩定可靠性高；3、退耦電容不受直流額定電流影響。

對于300 Hz以下的測試頻段，可調互感器的紋波功率衰減雖然嚴重，但可以通過主電源DC+AC的模式進行紋波輸出；過渡到高頻紋波（＞300Hz）時，主電源恢復到純DC輸出，利用紋波耦合系統精確地實現自動連續掃頻控制，從而滿足整體的紋波測試要求。

圖片來源：東方中科

接下來是挑戰三：動力電池包的低阻特性需求更多的紋波功率。

因為紋波輸出的頻率越高，自身電源內阻和耦合阻抗也會越高，內外負載出現不平衡的情況，導致負載端的有效功率不足，紋波Vpp衰減，無法滿足合規需求。動力電池包的紋波測試實例可見，按照標準要求進行30Vpp的掃頻時，實際拉載的紋波電流高達600App，有效紋波功率在4.5 kVA以上。

動力電池包作為典型的超低動態阻抗的被測件，其直流紋波測試的注意點：由于輸入輸出兩端的阻抗匹配不斷變化，需要動態檢測輸出端情況，必須以動態的方式去監測輸出端功率并不斷調整。低頻區間往往需要更多的電流，保證對應電壓能夠準確地推至電池包兩端；高頻區間，需要更多的紋波電壓，去抵消因為內阻變化而導致的分配功率不平衡。

目前，Ametek推出了emtest RIPPLE NX低阻負載輸出系統，一般推薦動力電池相關的測試行業直接選擇10 kVA型號，能夠更好地解決紋波功率難題，在低頻段輸出更多的電流，在高頻段給到更大的輔助電壓，保證整個測試的合規性。對于直流主電源，考慮到動力電池包以及高壓的電驅系統功率的需求，emtest PowerWave大功率電池模擬器能夠實現250 kVA~1 MVA的超大功率四象限的電源輸出，具備1250V/ms以上的電壓擺率要求，能夠滿足很多的測試場景。

基于這兩臺設備，可以對電驅和電池系統測試的場景做完整地覆蓋。未來，考慮到滑板底盤的測試場景，我們也會提供兩個通道以上的紋波輸出能力，從而將電池測試場景和動力底盤測試相結合。

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挑戰四：被測件動態阻抗曲線。這一點對于很多系統集成工程師都并不了解，電機控制器、高壓電池包和用電設備之間的阻抗和頻率曲線分布都有很大的區別，在部分的測試場景里還存在一些諧振頻點，可能會造成整個電源系統內部的振蕩，更容易產生功能上的限制。尤其對于碳化硅、氮化鎵一類新的第三代半導體應用與推廣之后，整個電源的電路開關特性會變得更加高頻和劇烈，100kHz以上的開關頻率會產生更多的高頻紋波。因此，這一方面的問題不可小覷。

另外，行業內普遍存在的一個測試痛點是：零部件雖然通過了電性能測試，但是集成到整車上還是會出現各種各樣的電性能問題，使得整車上EMC的問題變得更加復雜。因此，提供被測件動態阻抗曲線也有助于測試人員后續對整車零部件去作調試。

圖片來源：東方中科

因此，對于電池包以及高壓零部件的動態狀態進行實時檢測，通過紋波掃頻輸出，即可測量高壓零部件在每個頻段上的阻抗表現。

圖片來源：東方中科

最后，總結歸納一下東方中科所提供的高壓電性能測試相關方案。針對VW 80300（2021）標準，前面的一些項目是比較常規的直流緩變測試，只需要20-40V/ms就可以滿足測試需求；越往后的測試就會變得更加復雜，從EHV-8、EHV-9開始，涉及到紋波的測試，就要在10 Hz-150kHz的范圍內進行紋波掃描；EHV-10要求的電壓脈沖有250V/ms和3000V/ms兩種波形，測試所需設備則配套高壓實驗電源+拋負載發生器+耦合網絡。因此，不僅要更復雜的測試手段，還要組合式的配套設備，才能夠實現整體的測試覆蓋。

東方中科以“科技無限、服務創新”為使命，依托中科院、東方科儀集團及國內外知名設備廠商資源，實現技術協作和深度共建；專注于新能源汽車領域，順應“電動化”、“智能化”、“網聯化”、“共享化”的新四化趨勢；緊盯行業標準，持續研發，不斷創新；圍繞“三高三智一安全”的技術方向，為行業用戶量身打造從信號級仿真測試到功率級性能測試，從零部件到系統級，再到整車級的“一站式”解決方案。

圖片來源：東方中科

（以上內容來自北京東方中科集成科技股份有限公司市場拓展經理張芳杰于2022年11月17日由蓋世汽車主辦，上海虹橋國際中央商務區管委會、上海閔行區人民政府指導，上海南虹橋投資開發（集團）有限公司協辦的2022第二屆汽車動力電池論壇上發表的《動力電池包高壓動態電性能的挑戰與測試解決方案》主題演講。）

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