本文節(jié)選自白皮書《imc E-Mobility 數(shù)據(jù)采集技術所面臨的測試挑戰(zhàn)》

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電動汽車在高電壓環(huán)境下的主要測試挑戰(zhàn)：

高電壓環(huán)境下的安全問題。 高電壓環(huán)境下，電動汽車的電池和電驅(qū)動系統(tǒng)可能會對測試人員和設備造成微信。由此，必須要采取嚴格的安全措施來確保測試的安全。高電壓環(huán)境下的電磁兼容問題。高電壓環(huán)境下，電動汽車的電子設備可能會收到電磁干擾，從而影響測試結果，需要采取適當?shù)碾姶牌帘未胧﹣硐姶鸥蓴_。高電壓環(huán)境下的測試設備選擇問題。在高電壓環(huán)境下，測試設備必須能夠承受高電壓和高電流的沖擊，并且必須具有足夠的精度和穩(wěn)定性來確保測試準確性。針對以上應用場景的測試挑戰(zhàn)與要求，德國imc測試測量采用高壓隔離或光纖隔離等測量技術，為電動汽車相關測試提供高安全性、高品質(zhì)、高精度的測試系統(tǒng)解決方案。

車輛電氣系統(tǒng)部件合規(guī)性試驗

應用實例：根據(jù)高壓環(huán)境標準測試車輛 電氣系統(tǒng)組件

為保障在復雜系統(tǒng)環(huán)境下的平穩(wěn)運行，必 須測試電動汽車組件，以確保其符合此類 電氣系統(tǒng)標準要求。在高壓安全測試機 上，根據(jù)LV124、LV123、LV148標準進行認 證測量。測試過程中，除其他外，將組件置 于車輛電氣系統(tǒng)預設配置條件下，包括所 謂的“拋負載”（即，出現(xiàn)電壓峰值）。為可 靠測量所產(chǎn)生的電壓，必須使用合適的高 壓測量模塊。

電力驅(qū)動的部件細節(jié)

高壓環(huán)境下的測量技術

通過可靠的溫度測量優(yōu)化熱管理

除測量高壓電池的溫度和電壓外，在電動汽車環(huán)境中開展的新的計量 任務還包括電動汽車驅(qū)動器的溫度采集。根據(jù)各機構，如德國電氣和 電子制造商協(xié)會（ZVEI）或德國社會事故保險聯(lián)合會（DGUV）、國際勞 工組織（ILO）或國際社會保障協(xié)會（ISSA）定義，混合動力和燃料電池 技術以及電動汽車的高壓范圍為 60V <V≤ 1500V (DC) 或30V <V≤ 1000V (AC) 。

除電動汽車驅(qū)動外，還需監(jiān)測和分析組件上的其他溫度測量點。例如， 一輛典型的測試車輛可能約有400個測量點。這些測量點往往位于充 電單元和外部充電基礎設施之間、電池上以及內(nèi)部加熱用PTC元件及 電動空調(diào)壓縮機之間。除先前討論過的電池系統(tǒng)和其他儲能系統(tǒng)（如 燃料電池）外，還要對供電電路、驅(qū)動器、電力電子組件、電纜線束及連 接器進行測試。這些測試涉及耐久性和性能、效率、熱管理或過載等 問題。例如，電驅(qū)動溫度過高會導致材料繞組隔離或軸承潤滑受損，加 速老化，從而影響電機的穩(wěn)定性和使用壽命。

在高壓環(huán)境下開展溫度測量時，面臨的挑戰(zhàn)在于：不僅需要關注如何 實施測量，更應注重人身安全。需采用專為測量高壓設計的測量技術。高壓環(huán)境中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不僅需確保測試的安全可靠，還應根據(jù)職 業(yè)健康和安全條例，確保部署人員的安全。對此，可采用以下兩種解決方案：
? 高隔離數(shù)據(jù)采集模塊與傳統(tǒng)高壓熱電偶
? 帶有光纖傳感器的數(shù)據(jù)采集模塊

在高壓環(huán)境下采用“傳統(tǒng)”和光纖測量技術測 量溫度的比較情況

電氣高隔離測量技術

傳統(tǒng)高壓測量模塊具有高隔離電流測量電子設備，適用于熱電偶、RTD 傳感器（PT100/1000）和NTC傳感器等傳感器。這些傳感器通過專屬隔離 電纜連接。

高壓環(huán)境測量硬件必須符合設備安全標準DIN EN 61010-1/2。如需應用 在能源供應網(wǎng)絡中，這些硬件在設計時，還應滿足各自應用環(huán)境的適當 CAT等級要求。用于測量輸入的連接器也必須適用于高壓環(huán)境。

高隔離6通道CAN測量模塊可與其他CAN測量模塊組 合使用，用于測量電壓，溫度（RTD）和電阻（NTC）。

采用電氣高壓測量技術測量溫度

優(yōu)點：

? 除溫度測量外，高壓測量模塊有時還可為 其他傳感器和測量模式提供支持（如獲取 電流、電壓或振動數(shù)據(jù)），因此功能范圍更加廣泛。

? 傳統(tǒng)高壓測量技術還可適應當前傳感器 儀器，甚至是那些可能并非明確適合高隔 離的儀器。如果當前傳統(tǒng)傳感器設備僅限 用于人員無法進入的區(qū)域，那么只需將這 部分儀器轉(zhuǎn)換為完全符合標準且采用指定 高壓連接和測量技術的儀器就已足夠。這 樣一來，即可通過明確分離的接線盒形式， 定義安全傳輸接口。

高壓接線盒定義了安全傳輸接口，是完全符合高壓 標準布線和測量的設備。

面臨挑戰(zhàn)與潛在問題：

? 僅允許受過專門訓練的人員（電工）操作儀器和 測試車輛。
? 測試系統(tǒng)所有組件必須保障人員安全（符合CAT 規(guī)范）。
? 電纜絕緣層厚度和傳感器（如PT100）尺寸可能加 大組裝難度，甚至影響測試對象的特性，例如，當 必須移動電機繞組時。
? 電纜和傳感器中的金屬物質(zhì)可能會改變測試對 象的磁性（電機繞組中的磁場）。
? 電纜的笨重絕緣也加大了在車輛中布設多通道測 試的難度。
? 當傳感器故障時，必須考慮替換整套電纜、傳感 器和連接器，因為它們是一個集成的測試單元。
? 傳感器不靈敏時，可能導致測試過程中的時間損失。
? 傳統(tǒng)傳感器的信號質(zhì)量會受到電磁干擾（EMC）、 靜電放電（ESD）及高電位等因素的影響，而這些因 素在電力電子（轉(zhuǎn)換器）環(huán)境中普遍存在。

光纖測量技術

采用光纖布拉格光柵傳感器的光纖測量技術是一種測量原理，也適用 于高壓環(huán)境。

光纖布拉格光柵（FBG）是位于玻璃纖維芯部的光學干涉濾光片。測量 過程中，來自寬帶激光源的“白光”被投射到光纖上，然后選擇性反射 到干涉光柵上。測量值由傳感器返回的具有布拉格波長特征的窄光譜 表示。該波長與有源區(qū)域的應變和溫度成正比，而有源區(qū)域的應變和 溫度決定了光纖光柵間距。

在溫度傳感器中，敏感區(qū)域僅對溫度自膨脹（ α (T)）和石英玻璃的折 射行為（作為函數(shù)f(T)）作出反應。因此，嵌入光纖時，應確保零應力， 以避免外部膨脹或機械應力影響。光纖傳感器由包裹著光纖的玻璃毛 細管組成，其直徑僅為0.5mm。還有一種光纖傳感器變體，附有額外的 陶瓷和聚四氟乙烯涂層，其機械性能更為堅固，但熱性能稍差，直徑為 1.5mm，尺寸仍足夠小。在評估設備（即測量模塊）中評估采集的光譜 的布拉格波長。在FBG技術中，該測量模塊也被稱為“詢問器”。

采用光纖測量技術測量溫度的優(yōu)點：
? 傳感器直徑較小，便于處理和測量極窄的和要求嚴 苛的測量點（例如，電機繞組）。
? 縮短傳感器安裝時間。
? 在極具動態(tài)的過程中（如電機加速測試），第一次 就可實現(xiàn)輕松測量和優(yōu)化。FBG傳感器的設計精巧且 具有相應最小的熱慣性，使其能夠在100ms的時間常 數(shù)內(nèi)快速響應。
? 按照純光學測量原理，傳感器采用隔離設計，因此 十分適合高壓環(huán)境測試，而完全不受電磁干擾。

應用實例：使用光纖傳感器驗證電池 組的溫度模型

研究表明，測量電池組的正負極溫 度并采用幾何模型反向計算，這不足 以實現(xiàn)電池組的熱保護。實際上，考 慮到材料、當前充電狀態(tài)、熱環(huán)境及 電池組的幾何形狀等因素，實際溫 度和模型測量結果之間的溫度差異 可高達25℃。在試驗中，對兩個電池 組中間箔上的64個FBG傳感器開展 了驗證測量。之前，已通過測試項目 校準了這些FBG傳感器。

光纖測量模塊采用小巧 便攜的設計

光纖傳感器（紅色）與熱電偶（藍 色）溫度（作為電流（綠色）和速度(黃色） 的函數(shù))的比較情況

在高壓環(huán)境中測量時的職業(yè)健康和安全

光纖布拉格光柵（FBG）測量技術的核心要點和優(yōu)勢顯而易見：如果整個技術不涉及任何金屬導體，而是完全依賴光學原理運作(即，用戶不會與高壓接觸)，那么可從根本上緩解了昂貴且復雜的人身保護、專業(yè)培訓和安全相關措施，并已“從源頭上”完全避免了這些方面。

從事車輛電氣方面的工作尤其是裝有高壓電池的電動車，必須有高嚴格的安全要求和專門的人員培訓。