电动汽车高压系统电性能测试研究

王子龙，杨国樑，王东升，谭金超

（中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300000）

整车电气系统性能验证测试，简称整车电性能测试，其目的在于在整车的电气环境下，通过试验获得车辆电气系统的实际工作特性，从而查找其与车辆理论指标的偏离--包括设计偏差、安全风险项、电气系统漏洞等。通过实车测试及具体问题的分析与整改，最终达到有效提升整车电气系统安全性与稳定性的目的。

对于电动汽车车型，都包括由动力电池包及各种高压部件 （分线盒、电动压缩机、DC-DC等）构成的高压电气系统和由低压蓄电池及低压负载构成的低压电气系统。而相较于低压电气系统，高压电气系统由于其高电压、大电流的特性，对安全要求及性能要求更加严格，因此高压系统的电性能验证测试在电动汽车电气系统设计验证收尾工作中具有重要意义。

本文主要探讨电动汽车高压电气系统电性能验证测试的内容及目标：通过高压电气系统电性能测试，获取实车环境下高压电气系统的工作特性，讨论其与技术指标的偏离，从而修正车辆技术偏差，降低高压电气系统造成的车辆安全风险以及人身安全风险。

1 车辆安全性测试内容

对于电动汽车而言，由于其具有区别于传统燃油汽车的高压电气系统，因此首先应该考虑的就是整车安全的相关要求，其次是电气系统的功能及性能相关要求。

对于电动汽车影响车辆安全 （包括驾乘人员人身安全及车辆自身性能安全）的相关验证测试需求，主要是针对高压漏电防护以及车辆高压上下电安全方面的相关要求，包括电位均衡、绝缘电阻、车辆主被动放电功能、绝缘涉水试验等方面。

1.1 电位均衡测试［1］

电位均衡即电气设备的外露可导电部分之间电位差最小化。电位均衡要求出现在电动车型上高压部件的导体外壳／保护罩与车身搭铁之间，或相邻的高压部件的导体外壳／保护罩之间。为保证车辆及使用者的安全，包括财产安全及人身安全，绝不能因高压系统外壳／保护罩带电、击穿等原因，造成安全事故。

电位均衡测试将针对电动汽车每个高压部件进行，测试内容包括每个可导电的高压部件外壳与车身搭铁之间的电位均衡阻值以及相连的两个可导电的高压部件外壳之间的电位均衡阻值。测试设备可采用毫欧表进行，也可采用电气安规分析仪进行。通过该项测试，获取每个高压部件外壳／保护罩与车身搭铁之间、外壳相互连接的高压部件之间的电位均衡电阻参数，判定其是否满足低于0.1Ω的标准要求。 测试原理如图1所示。

1.2 绝缘电阻测试

绝缘电阻是为了满足电动汽车安全目的而确定的一个足够的电阻值，由于电动汽车高压系统与低压系统是相互独立的，因此绝缘电阻是表征电动车高压系统及部件相对于低压系统绝缘性能的直接参数。

绝缘电阻相对于不同的高压电器部件的要求也不同：对于车载储能装置／动力电池，要求绝缘电阻瞬时值大于100Ω ／V［1］；对于整车绝缘电阻，要求大于1MΩ［1］。对于高压元件单体绝缘电阻的要求，车载充电机为10MΩ［2］；驱动电机定子绕组对机壳的绝缘电阻一般要求高于20MΩ，湿热试验后高于0.5MΩ［3］；电机控制器绝缘电阻要求高于1MΩ［3］；电动汽车DC-DC绝缘电阻要求为不小于500Ω／V［4］；汽车空调用电动压缩机定子绕组对机壳的绝缘电阻要求清空压缩机内部冷冻机油后大于50MΩ，充入冷冻机油及制冷剂后大于20MΩ，交变湿热试验后的热态绝缘电阻大于1MΩ［4］；空调PTC绝缘电阻一般要求高于500MΩ。

绝缘电阻的测试要针对电动汽车每个高压部件进行，要求测得每个高压部件的正负极相对于低压系统 （车身搭铁）的静态绝缘电阻；同时，也要在车辆高压上电之后的动态绝缘电阻进行监控，确保电动汽车高压部件各自的静态绝缘电阻和整车的动态绝缘电阻均能够达到限值要求。关于静态绝缘电阻的测试，采用兆欧表进行，也可采用电气安规分析仪进行；要求各高压部件满足各自的静态绝缘电阻限值。关于动态绝缘电阻的测试，可采用绝缘电阻监测装置进行，或在确保车辆自身绝缘电阻监测装置准确性的条件下，通过车辆网络读取其绝缘电阻数据；要求整车动态绝缘电阻数据能够满足高压部件中动态绝缘电阻的最低限值，即高于DC-DC要求的500Ω／V。绝缘电阻测试原理如图2所示。

图1 测试原理

图2 绝缘电阻测试原理

1.3 车辆主被动放电功能测试

高压电气系统中的容性器件，在高压部件工作后存在电势累积。在高压电源切断后，该累积电势必须在规定时间内释放至安全电压以下，以避免出现高压部件带电，损坏部件，或造成人员触电事故。

高压部件根据其放电形式的不同可分为主动放电与被动放电。在高压系统正常切断时，高压部件切入主动放电回路进行快速放电，即主动放电；而在主动放电功能异常或失效时，高压部件通过缓慢放电的形式进行放电，即被动放电。被动放电是始终有效的，不需要进行控制。

主动放电和被动放电测试过程中，主要通过使用高压电压采集探头，监控高压部件的电压变化情况，记录高压部件断电后电压下降至60V以下的时间，由于主动放电、被动放电并没有具体的标准限值，因此主要以实车设计指标进行评价，验证其是否满足实车的设计要求。

1.4 绝缘涉水试验

绝缘涉水试验，是在电动汽车绝缘电阻测试的基础上进行的绝缘涉水安全性测试，此试验可在车辆进行涉水试验的同时进行。在常温状态下记录车辆的网络报文信息，包括车辆绝缘电阻、高压负载工作状态等，进而在车辆进行涉水试验的同时实时监控车辆涉水过程中的网络报文信息，与常温状态下的数据进行对比分析，判断车辆高压电气系统在涉水过程中的安全性及稳定性。

2 车辆电气性能测试

对于电动汽车关于车辆功能实现或性能指标的相关测试内容，主要包括电动汽车一些特定功能的实现情况，以及高压部件的功能、性能相关的实现情况。相关测试内容包括：预充电回路稳定性、能量回收功能、电池包回路过电流断开器 （维修开关MSD）性能、车载充电机 （OBC）性能、驱动电机及其控制器性能、DC-DC性能，电动压缩机性能、PTC性能等。

2.1 预充电回路稳定性测试

由于电动汽车动力系统电压过高，为了防止主继电器闭合时火花电弧及瞬间大电流的产生，降低冲击，增加安全性，在主正继电器处并联设计预充电回路。

预充电回路包括预充继电器及预充电阻两部分，在高压系统上电过程中，车辆接通主负继电器后，首先接通预充继电器，预充电阻的存在防止了继电器触点电火花及回路大电流冲击现象的产生，在高压系统电压升高到要求的电压值以上后，主正继电器接通，预充继电器断开，高压系统开始正常上电工作。

电动汽车通过预充电设计来保证高压上电过程的安全性，避免产生继电器粘连等安全隐患。因此预充电回路的性能稳定性十分重要。需要严格控制预充电回路的工作时间以及预充电阻温度。也可通过进行高压系统多次上下电的耐久性试验，验证高压系统连续多次启动时预充电回路及预充电阻的性能变化。测试使用温度传感器、高压电压测试探头及高精度电流传感器进行，获取高压系统预充电回路的电流、电压、预充电时间以及预充电阻温度等参数，判定其是否符合车辆设计指标。

2.2 能量回收功能测试

当电动汽车的运行处于下坡或者滑行状态时，可触发能量回收模式，要求驱动系统能够给其额定电压的125%的电源进行充电。由于目前并没有一个相关的具体标准对能量回收策略进行规定，因此电动车辆的能量回收策略各不相同。

在进行能量回收验证测试时，需要根据车辆的实际能量回收策略规划测试方案，如N挡不进行能量回收、D挡回收能量、电池包SOC在5%～95%之间回收能量等。测试可通过监控车辆网络报文信息进行，也可外接高压电压测试探头及电流传感器进行验证，通过对实车实际能量回收情况的数据进行采集，与设计策略进行对比，判断其能量回收功能的具体实现情况。能量回收功能测试原理如图3所示。

图3 能量回收功能测试原理

2.3 电池包回路过电流断开器测试

电池包回路过电流断开器 （一般为维修开关MSD），主要功能为在电动汽车高压母线出现短路、过流情况时，能够切断电池包回路，防止进一步风险的发生；同时，在对电动汽车高压系统进行维修时，也必须断开维修开关MSD，确保电动汽车的维修安全，防止触电危险的发生。

电池包回路过电流断开器的性能测试，需要模拟电池包回路过电流及短路情况，对电池包回路过电流断开器进行单独的测试，记录测试回路中的电流、电压数据，以及断开器的响应时间，评价其是否满足设计要求。

2.4 高压部件性能测试

高压部件的电气性能测试，首先对其额定工作时的电气参数进行采集，包括启动电流冲击，稳态工作电流、电压等，对于DC-DC、OBC等电源转换器件，还要对其转化效率进行评价。其次，测试还应包括相关高压部件边缘工作条件的性能测试，如欠压、过压、高温、低温、高湿度等。具体测试指标详述如下。

1）车载充电机性能测试，包括：工作湿度温度测试 （湿度最高95%，温度-20～85℃），输入电压范围测试 （±15%），输入频率范围测试 （50Hz±2%），充电效率测试 （充电效率大于90%），限压限流特性测试 （能够将电压、电流限制在设计值以内），过压、欠压、过温、短路、反接、断电保护测试，启动冲击电流测试，额定输出电压、电流误差测试、电压纹波系数测试、功率因数及充电效率测试、输出响应时间测试。

2）驱动电机及其控制器性能测试，包括：工作湿度温度测试 （高温湿度为最高95%，温度为+40℃，试验时间48h，试验后测试绝缘电阻值；低温温度-20℃，测试运行4h），电压波动测试 （电机及控制器能在电源电压为125%的额定电压下安全承受最大电流，在75%额定电压下能够最大电流运行，但不要求连续运行），堵转测试 （堵转转矩及堵转电流测试，以及电机达到规定的堵转转矩值时，其堵转电流不大于控制器提供的最大电流值），能量回收测试 （电机通过控制器能够给125%额定电压的电压源充电，但馈电电流的大小及馈电效率根据产品而定），耐电压测试，最高工作转速测试，控制器过载测试。

3）DC-DC性能测试，包括：转化效率测试 （输出功率与输入功率及附属设备消耗的功率之和的比值），工作温湿度测试 （温度-20℃～+60℃，湿度95%测试，时间大于2h），额定功率测试 （额定功率下，持续稳定工作2h以上），峰值输出功率及持续时间测试 （DC-DC的过载输出功率不小于其额定功率的1.2倍，额定电压下，调整负载输出电流，使其与额定功率的乘积为额定功率的1.2倍，测试6min以上），耐电压测试。

4）电动压缩机性能测试，包括：耐压与漏电流测试，交变湿热测试等。

5）PTC性能测试，包括：工作温湿度测试 （温度-20℃～+160℃测试；湿度90%，温度25℃测试；测试前后的额定功率差在正负10%之内），起始电流测试 （低于2.5倍额定工作电流），耐电压测试 （测试前后的额定功率差在正负10%之内）。

高压部件的电气性能测试，由于涉及到具体的高压部件，部分试验如短路、反接等，在整车条件下不能实现或存在较大风险，可对部件单体进行试验。部分可在整车状态下进行的试验如高低温、高湿度、耐压、欠压等试验，相对风险性较低，也可在整车上进行验证。

3 车辆其它电气性能测试内容

关于整车级别的高压回路短路、过电流，回路突然切断等测试，由于相对风险较高，目前国内尚无相关标准规定或要求，还处于摸索阶段。关于高压沿电源线的瞬态传导干扰相关测试，如高压感性负载、抛负载等测试内容，尽管可以实现，但缺少相关的评价标准，也需要根据项目经验进行总结，最终能够得到适合企业自身的评价标准。

4 结论

目前国内外并没有具体的关于整车电性能测试方法的国家或国际标准可供参考，主要是通过安全标准、整车及零部件性能标准、测试经验及车辆易发问题项进行总结，提出测试方法及评价指标。

另外，随着汽车制造仿真系统的不断完善，国内外整车厂越来越重视车辆的前期设计及仿真研究，通过电脑模型仿真来规避大部分的电气系统问题，以达到减少车辆问题及后期测试成本的目的。