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动力电池包高压动态电性能的挑战与测试解决方案

来源:网络  时间:2022-11-30 14:00  编辑:谷小金  阅读量:5382   

随着电池组技术和底盘集成技术的发展,测试包括电池组在内的高压部件的电气性能变得越来越重要。常见标准如LV 123、VW 80300、ISO 7637-4、ISO 21498-2等。可应用于动力电池及其系统的测试。

此外,由于整车集成布线工艺,高低压之间的耦合和复杂的寄生参数,仍可能发生系统性功能故障和严重故障,如高压纹波噪声过大、供电网络振荡、控制器故障等,给故障排除带来极大困难。

2022年11月17日,在由盖世汽车主办,上海虹桥国际中央商务区管理委员会、上海市闵行区人民政府指导,海南虹桥投资发展有限公司协办的2022第二届汽车动力电池论坛上,北京东方中科集成科技有限公司市场拓展经理张发表了题为《动力电池组高压动态电性能挑战与测试解决方案》的演讲。

张|北京东方中科集成技术有限公司市场开发经理

电性能测试本身并不特殊,但由于新型智能底盘、滑动底盘、电池一体化、碳化硅开关、升压充电等高电压技术的发展趋势,电池组的动态电性能测试面临着许多新的挑战。东方推出新的ripple系统,可用于测试动力电池组和整车的高压动态电气性能:

通过在低频段输出更多的电流,在高频段给出更多的辅助电压,可以保证整个测试要求的符合性。不仅可以对DC公交车上纹波噪声的频段和幅度进行测试和整改,还可以对电网的动态阻抗进行分析和改善,可以有效解决高压电池组和滑板底盘的测试问题,满足各种测试场景的要求。

高压电性能的测试范围包括所有高压部件,即与动力电池组相连的设备,如:1。电机和控制器;2.DC-DC转换器/车载充电器OBC;;3.车载逆变器/升压充电模块;4.高压空调/加热系统或热泵;5.所有储能设备;6.变速箱;7.PDU/线束/电缆;8.混合系统;9.滑板底盘/线控底盘。

按照目前业内流行的LV 123标准,也就是大众集团标准,也是第一个包含整个高压电池组和平台的标准,国内很多主机厂也在引用这套标准。LV123标准第7节“电气特性和高压安全要求”涉及高压组件的电气特性和安全要求,第8节“单个高压组件的附加要求”规定了光伏测试和符合性测试的阶段性电气性能验证要求,涵盖了RD、测试和登船的不同阶段。

挑战一:要求高压DC电源的电压变化斜率更高。按照LV 123的标准要求,首先看高压器件的工作状态:B0表示高压器件处于工作状态,没有功率要求;B1表示高压设备处于满负荷运行状态,满足规定的性能指标;B2是指高压设备处于满负荷运行状态,其性能在B2工况的允许偏差范围内。当高压设备返回B1工况时,需要自动满足规定的性能指标。B3的意思是高压设备仍然可以工作,不会进入不确定的状态,尤其不会导致其他高压设备失效。B4表示高压器件仍能工作,但输出可能被切断。当它恢复到B3/B2/B1时,可以重置或简单地手动干预,以满足指定的性能。

再者,标准要求高压DC电源在B3状态下的瞬态响应要达到250V/ms,即1000V的满量程负载时间要控制在4ms以内,才能满足电池组和高压组件测试的要求,而传统的高压组件测试电源的20~90V/ms响应无法满足这一符合性要求。因此,为高压动态电气性能试验配置高性能的高压DC电源是非常必要的,也是满足试验规范的最基本要求。

以ISO 21498-2的纹波测试要求为例。在10Hz到1kHz的范围内,使用12V的峰值来输出DC纹波,而在1 kHz到50 kHz的范围内,使用24V的较高输出幅度。在50 kHz -100 kHz范围内,幅度和频率同时对数扫描,需要连续变化。以此类推,纹波的幅度需要随着频率不断调整。

理想的模型是DC电源+纹波耦合网络+纹波功率放大器,但实际上由于高压电源行业的现状,无法按照标准要求使用单一高压电源直接输出信号。业界主要推广电感耦合的方式形成纹波耦合回路,有以下优点:1。可调变压器可以控制纹波电压或电流的变化;2、结构稳定可靠;3.去耦电容不受额定DC电流的影响。

对于300 Hz以下的测试频段,可调变压器虽然纹波功率衰减严重,但可以通过主电源DC+交流的方式输出纹波;在向高频纹波过渡期间,主电源恢复为纯DC输出,并利用纹波耦合系统精确实现自动连续扫频控制,以满足整体纹波测试要求。

接下来挑战三:动力电池组电阻低,需要更多纹波功率。

因为纹波输出的频率越高,自身电源的内阻和耦合阻抗越高,内外负载不平衡,导致负载端有效功率不足,纹波Vpp衰减,达不到合规要求。从动力电池组纹波测试实例可以看出,按照标准要求以30Vpp扫频时,实际负载的纹波电流高达600App,有效纹波功率在4.5 kVA以上

动力电池组作为超低动态阻抗的典型被测件,在DC纹波测试中要注意:由于输入输出端的阻抗匹配是不断变化的,所以需要对输出端进行动态检测,输出端功率必须进行动态监测和连续调整。在低频范围内往往需要更大的电流,以保证相应的电压能被精确地推到电池组的两端;在高频范围内,需要更多的纹波电压来抵消内阻变化引起的分布功率不平衡。

目前,Ametek推出了emtest RIPPLE NX低阻负载输出系统。一般建议动力电池相关的测试行业直接选择10 kVA的型号,可以更好的解决纹波功率的问题,在低频段输出更多的电流,在高频段给出更多的辅助电压,保证整个测试的符合性。对于DC主电源,考虑到动力电池组和高压电驱动系统的功率需求,emtest PowerWave大功率电池模拟器可实现250 kVA~1 MVA的四象限功率输出,并具有1250V/ms以上的电压压摆率要求,可满足多种测试场景。

基于这两款设备,可以完全覆盖电驱动和电池系统测试的场景。未来考虑到滑板底盘的测试场景,我们还会提供两路以上的纹波输出能力,从而将电池测试场景和动力底盘测试结合起来。

挑战4:被测零件的动态阻抗曲线。这是很多系统集成工程师都不知道的。电机控制器、高压电池组和电气设备之间的阻抗和频率曲线分布有很大差异。在一些测试场景中,存在一些谐振频点,可能会引起整个供电系统的内部振荡,更容易产生功能限制。尤其是碳化硅、氮化镓等新型第三代半导体应用推广后,整个电源的电路开关特性会变得更加高频和剧烈,100kHz以上的开关频率会产生更多的高频纹波。所以这方面的问题不可小觑。

此外,业内普遍存在的一个测试痛点是,元器件虽然通过了电气性能测试,但是集成到整车上仍然会出现各种电气性能问题,使得整车上的EMC问题更加复杂。因此,提供被测零件的动态阻抗曲线也有助于测试人员后期调试整车零件。

因此,可以实时检测电池组和高压元件的动态,并通过纹波扫频输出测量各频段高压元件的阻抗性能。

最后总结了东方中科提供的高压性能试验的相关方案。按照VW 80300标准,前面的一些项目是常规的DC慢变测试,只需要20-40V/ms就可以满足测试要求;后面的测试会变得更加复杂。从EHV-8和EHV-9开始,说到纹波测试,就需要扫描10 Hz-150kHz范围内的纹波。EHV-10所需的电压脉冲有250V/ms和3000V/ms两种波形,测试所需设备配备高压实验电源+甩负荷发电机+耦合网络。因此,要实现全面的测试覆盖,不仅需要更复杂的测试方法,还需要组合配套的设备。

东方分公司以“科技无限,创新服务”为使命,依托中科院、东方易科集团、国内外知名设备制造商资源,实现技术合作、深度共建;专注新能源汽车领域,顺应“电动化”、“智能化”、“网联化”、“共享化”新趋势;紧盯行业标准,不断研发,不断创新;围绕“三高、三智能、一安全”的技术方向,为行业用户量身定制从信号级仿真测试到功率级性能测试,从零部件到系统级,再到整车级的“一站式”解决方案。

有限公司协办的2022年第二届汽车动力电池论坛主题演讲《动力电池组高电压动态电性能的挑战与测试解决方案》。)

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