电动汽车高压系统部件电压纹波的试验分析

闫智彪，司可，赵凌霄

1.中汽研新能源汽车检验中心（天津）有限公司，天津 300300；2.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300

0 引言

近年来，我国电动汽车产业规模迅速增长，已经成为世界领先的电动汽车市场。与此同时，电动汽车相关的高压电气系统部件技术也有了较快发展[1]。其中，高压电气系统部件、DC/DC变换器、车载充电机（on-board charger, OBC）等部件直接关系到电动汽车的动力、续航和安全，是电动汽车的重要组成部分。随着电动汽车的高速化、集成化趋势日益加强，高压电气系统部件中的多种部件彼此耦合，且功率需求不断增加[2]。同一部件中不同电压等级的电路、不同部件之间极易出现相互干扰。车载充电机、DC/DC变换器等产生的电压纹波会对电动汽车内部其他部件乃至整车的安全产生不利影响。

鉴于此，国内专家开展了一系列相关研究。早在2009年，许建平等[3]采用脉冲序列控制的方法针对DC/DC变换器输出电压纹波进行了优化。2013年，贲洪奇等[4]针对辅助绕组的单级桥式PFC变换器优化了绕组参数控制电流，在没有增加系统响应时间的情况下降低了输出电压纹波，为输出电压纹波的抑制提出了一种新思路。2014年，李林[5]对开关电源产生电压纹波机理进行了研究，并提出了一种对电压纹波在设计阶段进行估算的方法。2018年，许健等[6]提出了一种基于小波变换的电压纹波检测方法，并使用MATLAB进行了仿真，可以直观输出电压纹波的频率、幅值等参量，为电压纹波的研判提出了一种新思路。2019年，王淑旺等[7]以复用充电机为对象，针对充电过程产生的电压纹波，在Buck阶段采用谐振控制的方法对纹波进行了有效抑制，达到了提高充电质量的目的。2021年，左文顺等[8]提出了一种电动汽车用双向DC/DC变换器的设计方法，并对此进行了理论分析和样机测试，达到了改善电流纹波的效果。2022年，陈丽等[9]针对车载充电机的Buck系统进行分析，通过建立小信号模型进行复合控制的方法减小车载充电机输出谐波，并通过了试验与仿真验证。目前，对电动汽车高压系统部件产生的电压纹波进行的理论与仿真分析研究较多，而试验研究相对较少。同时，由于研究主要集中于生产企业与高校，多样本试验对比研究较为欠缺。

本文重点关注国内外电动汽车高压系统部件产生电压纹波的问题。首先，针对国内标准GB/T 24347—2021《电动汽车 DC/DC变换器》[10]、GB/T 40432—2021《电动汽车用传导式车载充电机》[11]以及国际标准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]中电动汽车高压系统部件产生高压纹波测试的试验方法及判定要求进行了梳理，并比较了国内标准与国际标准的差异性。其次，以ISO 21498-2:2021为依据，提出了电动汽车高压系统部件产生电压纹波测试的试验流程。最后，依据所提出的试验流程，针对市面上常见的8款电动汽车DC/DC变换器进行了相关测试。

1 标准分析

国内标准中关于电动汽车高压系统部件产生电压纹波的试验对象主要为DC/DC变换器和电动汽车用传导式车载充电机，测试标准分别为GB/T 24347—2021中的“4.2.6输出电压纹波因数”以及GB/T 40432：2021中的“4.2.8 输出电压纹波因数”。国际测试标准则为ISO 21498系列标准，其中ISO 21498-2:2021中的“6.5 Generated voltage ripple”规定了产生电压纹波的测试方法。GB/T 24347—2021和GB/T 40432—2021的试验判定主要针对DC/DC变换器和电动汽车用传导式车载充电机输出端电压的电压纹波，而ISO 21498-2：2021的试验判定则针对高压电控系统部件工作时对输入端产生的电压纹波，且在频率与时域上分别进行判定，判定标准更为详尽。

1.1 国标的试验方法与判定标准

GB/T 24347—2021要求根据电压纹波试验基本原理进行试验，调节DC/DC负载电流，使之以20%、50%、80%和100%额定输出，并用数字示波器记录不同功率下输出电压的纹波峰值Upp与输出电压的平均值Udc。基本原理如图1所示。

图1 GB/T 24347—2021电压纹波试验基本原理

用数字示波器以AC电压检测模式测量车载充电机的输出电压端，示波器带宽为20 MHz，波形扫描速度应不小于0.5 s/div，记录不同功率下的输出电压的纹波峰值Upp与输出电压的平均值Udc。根据以下公式计算输出电压纹波因数：

式中，Uδ为输出电压纹波因数；Udc为输出电压的平均值；Upp为输出电压的纹波峰值。标准要求输出电压纹波因数不大于5%。

1.2 ISO 21498的试验方法与判定标准

ISO 21498中的电压纹波试验主要测试频率范围在10 ～150 kHz。基本原理如图2所示。

图2 ISO 21498电压纹波试验基本原理

图2中，1代表B级电压连接：HV+；2代表B级电压连接：HV-；3代表A级电压电源；4代表输入输出信号和总线信号；5代表与A级电压接地参考直接连接的端子；6代表接地参考（与接地参考平面连接）；7代表高压直流电源；a代表受试设备；b代表B级电压电路；c代表A级电压电路；d代表电缆（装屏蔽层）；e代表去耦电容器CS；f代表人工电源网络；g代表接地参考平面；h-差分探头；i代表测量仪器。

在不同工况分别进行试验，根据产生纹波最大的工况进行判定。使用差分探头和数字示波器对产生的电压纹波进行测量，得到所产生电压纹波的曲线，根据时域曲线求得电压的纹波峰值Upp，通过快速傅里叶变换或者频谱分析仪记录所有频域峰值大小和频率。

2 试验结果与分析

2.1 试验流程

根据ISO 21498-2:2021和GB/T 24347—2021规定的产生电压纹波的测试方法进行测试。高压系统部件产生电压纹波的试验过程、试验设备以及相关零配件有严格的要求，如图3所示。

图3 试验流程

试验前检查样品，确认样品在试验前为正常状态，根据样品在实车工作环境的状态选择人工电源网络模型参数，依照图4进行试验台架搭建和样品安装。

样品安装完毕后需进行样品功能确认，以确认样品在试验环境中的功能状态良好。若已知可以产生最大电压纹波的工况则在该工况下进行试验，否则应按照规定的输出工况进行试验，通过数字示波器记录测试时间内的电压纹波曲线，计算电压纹波的峰值，对获得的电压纹波曲线进行快速傅里叶变换，进行频域数据分析。

2.2 人工电源网络

根据ISO 21498-2：2021，在电动汽车高压系统部件产生的电压斜率、电压纹波等试验中，样品产生的电压斜率及纹波分量大小受应用于整车电路的阻抗所影响，若不考虑实际的应用状况，则容易导致测试结果失真乃至测试实验失败。为了在实验中平衡不同电源和线束对试验结果产生的影响，得到可靠的测试结果，需要人工电源网络接入试验线路进行辅助，模拟车辆电网的动态特性及电池的内阻，以还原实车环境。人工电源网络电阻模拟车辆电源的内阻、人工电源网络电感模拟车辆的内电感，主要是车辆电源和电缆的电感、人工电源网络电容和接地之间的电容，用来计算电磁兼容性的值。这些数值对应于典型的车辆数值，根据被测样品实际情况选用。

2.3 试验数据分析

按照ISO 21498-2:2021中“6.5 Generated voltage ripple”规定的产生的电压纹波的测试方法对8款不同厂家型号的DC/DC变换器进行测试。测试结果统计见表1。

表1 测试结果统计

通过数字示波器记录测试时间内电压纹波曲线，并对获得的电压纹波曲线进行快速傅里叶变换和频域数据分析，不同样品电压纹波频域分布如图5所示。

图5 电压纹波频域分布

以上8个样品经过试验测试，输入端均满足峰值的一半应小于给定限值的时域要求和所有幅值变化不超过频率相关限值的最大值的频域要求。输出端电压纹因数均小于5%。

3 结论

高速化、集成化对高压电气系统部件提出了更高的要求。对于产生的电压纹波试验，国内标准同国际标准相比，在检测方法和判定依据方面都有巨大不同。国内标准主要针对样品输出端进行检测，而国际标准ISO 21498-2：2021则主要针对样品输入端进行检测，且判断标准更为全面，可以对电动汽车高压系统部件产生的电压纹波进行测试指导。结合试验流程，对多个样品进行试验验证，不同样品在电压纹波的频率分布和幅值大小方面均存在较大差异，且呈现不同特点，为高压电气系统部件的测试评价提供了一个新的研究方向。