动力电池包高压动态电性能的挑战与测试解决方案

随着电池分组技术和底盘一体化技术的发展，对包括电池组在内的高压部件(尤其是800V平台)的电气性能测试变得越来越重要。通用标准如LV 123、VW 80300、ISO 7637-4和ISO 21498-2可用于动力电池及其系统的测试。

此外，由于整车集成的布线工艺、高低压耦合、寄生参数复杂等原因，仍可能发生系统性功能失效和严重故障，如高压纹波噪声过大、供电网络振荡、控制器失效等。，这使得故障排除极其困难。

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，上海虹桥投资发展(集团)有限公司协办的2022第二届汽车动力电池论坛上，北京东方中科集成技术有限公司市场开发经理张发表了题为“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、滑板底盘、电池一体化、碳化硅开关、升压充电等高压技术的发展趋势，电池组的动态电性能测试面临着许多新的挑战。东方中科推出了一套新的纹波系统，可用于测试动力电池组和车辆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，保证了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，还可以对用电网络的动态阻抗进行分析和改善，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需求。

图片来源:东方中科

高压电性能的测试范围包括所有高压部件，即连接到动力电池组的设备，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/升压充电模块；4.高压空调/供暖系统或热泵；5.所有储能设备(包括动力电池组)；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，也是最早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”中高压组件的电气特性和安全要求，以及第8节“单个高压组件的附加要求”中高压组件的要求，具体规定了光伏试验和符合性试验的阶段性电气性能验证要求，已涵盖研发、试验和登船的不同阶段。

图片来源:东方中科

挑战一:要求高压DC电源的电压变化斜率更高。根据LV 123的标准要求，先看高压器件的工作状态区分: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的意思是高压设备还能工作，不会进入未定义状态，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。当它返回B3/B2/B1时，它可以通过复位或简单的手动干预达到规定的性能。

再者，标准要求高压DC电源在B3状态下的瞬态响应需要达到250V/ms，即1000V的满量程加载时间要控制在4ms以内，以满足电池组和高压零部件测试的要求，而传统的高压零部件测试电源的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测试配置一个高性能的高压DC电源是非常必要的，也是满足测试规范的最基本要求。

图片来源:东方中科

挑战2:高压DC纹波测试的难度。高压动态电气性能测试的核心是DC纹波测试，纹波骚扰的来源主要是单片机等电源电路的开关信号，其对DC总线的影响会通过各种耦合和反射进一步放大。随着碳化硅器件在汽车电源领域高压部件的应用越来越多，这部分要求肯定会进一步提高。

以ISO 21498-2的纹波测试要求为例。在10Hz到1kHz范围内，用12V的峰值输出DC纹波，在1 kHz到50 kHz范围内，24V的输出幅度比较高。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，按照标准要求，单个高压电源无法直接输出信号。业界主要推广使用电感耦合形成纹波耦合回路，其优点是: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，可靠性高；3.去耦电容不受DC额定电流的影响。

对于300 Hz以下的测试频段，虽然可调变压器纹波功率衰减严重，但可以通过主电源DC+交流的模式输出；当过渡到高频纹波(> > 300Hz)时，主电源回复到纯DC输出，利用纹波耦合系统精确实现自动连续扫频控制，满足整体纹波测试要求。

图片来源:东方中科

接下来是挑战三:动力电池组的低电阻需要更多纹波功率。

因为纹波输出的频率越高，其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，达不到符合要求。动力电池组纹波测试实例表明，按标准要求以30Vpp扫频时，实际纹波电流高达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器件，在DC纹波测试中要注意:由于输入端和输出端的阻抗匹配是不断变化的，所以需要动态检测输出端，必须对输出端功率进行动态监测和调整。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配功率不平衡。

目前，Ametek推出了emtest RIPPLE NX低阻负载输出系统。一般来说，与动力电池相关的测试行业，建议直接选择10 kVA型号，这样可以更好的解决纹波功率的问题，在低频段输出更大的电流，在高频段给出更大的辅助电压，保证整个测试的符合性。对于DC主电源，综合考虑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的超大功率四象限功率输出，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。

图片来源:东方中科

挑战4:被测零件的动态阻抗曲线。这一点很多系统集成工程师都不懂。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存在很大差异。在某些测试场景下，还存在一些谐振频点，可能会造成整个供电系统的内部振荡，更容易造成功能限制。尤其是碳化硅、氮化镓等新型第三代半导体，整个电源的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。所以这个问题不可小觑。

此外，业内普遍存在的一个测试痛点是，零部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。

图片来源:东方中科

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。

图片来源:东方中科

最后，总结东方中科提供的高压电性能测试相关方案。根据VW 80300(2021)标准，之前的一些项目都是比较常规的DC渐变测试，只需要20-40V/ms就可以满足测试要求；越晚测试会变得越复杂。从EHV-8和EHV-9开始，进行纹波测试时，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，试验所需设备配备高压实验电源+甩负荷发电机+耦合网络。因此，不仅需要更复杂的测试手段，而且需要组合配套设备才能实现全面的测试覆盖。

东方中科以“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，实现技术合作和深度共建；专注新能源汽车领域，顺应“电动化”、“智能化”、“网联化”、“共享化”新四大趋势；紧盯行业标准，持续研发，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。

图片来源:东方中科

(以上内容来自北京东方中科集成科技有限公司市场开发经理张于2022年11月17日发表的题为《动力电池组高压动态电性能的挑战与测试解决方案》的主题演讲，由盖世汽车主办，上海虹桥国际中央商务区管委会、上海市闵行区人民政府指导，上海虹桥投资发展(集团)有限公司协办..)随着电池分组技术和底盘一体化技术的发展，对包括电池组在内的高压部件(尤其是800V平台)的电气性能测试变得越来越重要。通用标准如LV 123、VW 80300、ISO 7637-4和ISO 21498-2可用于动力电池及其系统的测试。

此外，由于整车集成的布线工艺、高低压耦合、寄生参数复杂等原因，仍可能发生系统性功能失效和严重故障，如高压纹波噪声过大、供电网络振荡、控制器失效等。，这使得故障排除极其困难。

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，上海虹桥投资发展(集团)有限公司协办的2022第二届汽车动力电池论坛上，北京东方中科集成技术有限公司市场开发经理张发表了题为“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、滑板底盘、电池一体化、碳化硅开关、升压充电等高压技术的发展趋势，电池组的动态电性能测试面临着许多新的挑战。东方中科推出了一套新的纹波系统，可用于测试动力电池组和车辆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，保证了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，还可以对用电网络的动态阻抗进行分析和改善，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需求。

图片来源:东方中科

高压电性能的测试范围包括所有高压部件，即连接到动力电池组的设备，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/升压充电模块；4.高压空调/供暖系统或热泵；5.所有储能设备(包括动力电池组)；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，也是最早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”中高压组件的电气特性和安全要求，以及第8节“单个高压组件的附加要求”中高压组件的要求，具体规定了光伏试验和符合性试验的阶段性电气性能验证要求，已涵盖研发、试验和登船的不同阶段。

图片来源:东方中科

挑战一:要求高压DC电源的电压变化斜率更高。根据LV 123的标准要求，先看高压器件的工作状态区分: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的意思是高压设备还能工作，不会进入未定义状态，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。当它返回B3/B2/B1时，它可以通过复位或简单的手动干预达到规定的性能。

再者，标准要求高压DC电源在B3状态下的瞬态响应需要达到250V/ms，即1000V的满量程加载时间要控制在4ms以内，以满足电池组和高压零部件测试的要求，而传统的高压零部件测试电源的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测试配置一个高性能的高压DC电源是非常必要的，也是满足测试规范的最基本要求。

图片来源:东方中科

挑战2:高压DC纹波测试的难度。高压动态电气性能测试的核心是DC纹波测试，纹波骚扰的来源主要是单片机等电源电路的开关信号，其对DC总线的影响会通过各种耦合和反射进一步放大。随着碳化硅器件在汽车电源领域高压部件的应用越来越多，这部分要求肯定会进一步提高。

以ISO 21498-2的纹波测试要求为例。在10Hz到1kHz范围内，用12V的峰值输出DC纹波，在1 kHz到50 kHz范围内，24V的输出幅度比较高。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，按照标准要求，单个高压电源无法直接输出信号。业界主要推广使用电感耦合形成纹波耦合回路，其优点是: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，可靠性高；3.去耦电容不受DC额定电流的影响。

对于300 Hz以下的测试频段，虽然可调变压器纹波功率衰减严重，但可以通过主电源DC+交流的模式输出；当过渡到高频纹波(> > 300Hz)时，主电源回复到纯DC输出，利用纹波耦合系统精确实现自动连续扫频控制，满足整体纹波测试要求。

图片来源:东方中科

接下来是挑战三:动力电池组的低电阻需要更多纹波功率。

因为纹波输出的频率越高，其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，达不到符合要求。动力电池组纹波测试实例表明，按标准要求以30Vpp扫频时，实际纹波电流高达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器件，在DC纹波测试中要注意:由于输入端和输出端的阻抗匹配是不断变化的，所以需要动态检测输出端，必须对输出端功率进行动态监测和调整。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配功率不平衡。

目前，Ametek推出了emtest RIPPLE NX低阻负载输出系统。一般来说，与动力电池相关的测试行业，建议直接选择10 kVA型号，这样可以更好的解决纹波功率的问题，在低频段输出更大的电流，在高频段给出更大的辅助电压，保证整个测试的符合性。对于DC主电源，综合考虑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的超大功率四象限功率输出，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。

图片来源:东方中科

挑战4:被测零件的动态阻抗曲线。这一点很多系统集成工程师都不懂。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存在很大差异。在某些测试场景下，还存在一些谐振频点，可能会造成整个供电系统的内部振荡，更容易造成功能限制。尤其是碳化硅、氮化镓等新型第三代半导体，整个电源的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。所以这个问题不可小觑。

此外，业内普遍存在的一个测试痛点是，零部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。

图片来源:东方中科

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。

图片来源:东方中科

最后，总结东方中科提供的高压电性能测试相关方案。根据VW 80300(2021)标准，之前的一些项目都是比较常规的DC渐变测试，只需要20-40V/ms就可以满足测试要求；越晚测试会变得越复杂。从EHV-8和EHV-9开始，进行纹波测试时，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，试验所需设备配备高压实验电源+甩负荷发电机+耦合网络。因此，不仅需要更复杂的测试手段，而且需要组合配套设备才能实现全面的测试覆盖。

东方中科以“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，实现技术合作和深度共建；专注新能源汽车领域，顺应“电动化”、“智能化”、“网联化”、“共享化”新四大趋势；紧盯行业标准，持续研发，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。

图片来源:东方中科

(以上内容来自北京东方中科集成科技有限公司市场开发经理张于2022年11月17日发表的题为《动力电池组高压动态电性能的挑战与测试解决方案》的主题演讲，由盖世汽车主办，上海虹桥国际中央商务区管委会、上海市闵行区人民政府指导，上海虹桥投资发展(集团)有限公司协办..)

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