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

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電動(dòng)汽車在高電壓環(huán)境下的主要測(cè)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(dòng)汽車的電池和電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可能會(huì)對(duì)測(cè)試人員和設(shè)備造成微信。由此，必須要采取嚴(yán)格的安全措施來確保測(cè)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(dòng)汽車的電子設(shè)備可能會(huì)收到電磁干擾，從而影響測(cè)試結(jié)果，需要采取適當(dāng)?shù)碾姶牌帘未胧﹣硐姶鸥蓴_。高電壓環(huán)境下的測(cè)試設(shè)備選擇問題。在高電壓環(huán)境下，測(cè)試設(shè)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(cè)試準(zhǔn)確性。針對(duì)以上應(yīng)用場(chǎng)景的測(cè)試挑戰(zhàn)與要求，德國(guó)imc測(cè)試測(cè)量采用高壓隔離或光纖隔離等測(cè)量技術(shù)，為電動(dòng)汽車相關(guān)測(cè)試提供高安全性、高品質(zhì)、高精度的測(cè)試系統(tǒng)解決方案。

車輛電氣系統(tǒng)部件合規(guī)性試驗(yàn)

應(yīng)用實(shí)例：根據(jù)高壓環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試車輛 電氣系統(tǒng)組件

為保障在復(fù)雜系統(tǒng)環(huán)境下的平穩(wěn)運(yùn)行，必 須測(cè)試電動(dòng)汽車組件，以確保其符合此類 電氣系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)要求。在高壓安全測(cè)試機(jī) 上，根據(jù)LV124、LV123、LV148標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行認(rèn) 證測(cè)量。測(cè)試過程中，除其他外，將組件置 于車輛電氣系統(tǒng)預(yù)設(shè)配置條件下，包括所 謂的“拋負(fù)載”（即，出現(xiàn)電壓峰值）。為可 靠測(cè)量所產(chǎn)生的電壓，必須使用合適的高 壓測(cè)量模塊。

電力驅(qū)動(dòng)的部件細(xì)節(jié)

高壓環(huán)境下的測(cè)量技術(shù)

通過可靠的溫度測(cè)量?jī)?yōu)化熱管理

除測(cè)量高壓電池的溫度和電壓外，在電動(dòng)汽車環(huán)境中開展的新的計(jì)量 任務(wù)還包括電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)器的溫度采集。根據(jù)各機(jī)構(gòu)，如德國(guó)電氣和 電子制造商協(xié)會(huì)（ZVEI）或德國(guó)社會(huì)事故保險(xiǎn)聯(lián)合會(huì)（DGUV）、國(guó)際勞 工組織（ILO）或國(guó)際社會(huì)保障協(xié)會(huì)（ISSA）定義，混合動(dòng)力和燃料電池 技術(shù)以及電動(dòng)汽車的高壓范圍為 60V <V≤ 1500V (DC) 或30V <V≤ 1000V (AC) 。

除電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)外，還需監(jiān)測(cè)和分析組件上的其他溫度測(cè)量點(diǎn)。例如， 一輛典型的測(cè)試車輛可能約有400個(gè)測(cè)量點(diǎn)。這些測(cè)量點(diǎn)往往位于充 電單元和外部充電基礎(chǔ)設(shè)施之間、電池上以及內(nèi)部加熱用PTC元件及 電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)之間。除先前討論過的電池系統(tǒng)和其他儲(chǔ)能系統(tǒng)（如 燃料電池）外，還要對(duì)供電電路、驅(qū)動(dòng)器、電力電子組件、電纜線束及連 接器進(jìn)行測(cè)試。這些測(cè)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(dòng)溫度過高會(huì)導(dǎo)致材料繞組隔離或軸承潤(rùn)滑受損，加 速老化，從而影響電機(jī)的穩(wěn)定性和使用壽命。

在高壓環(huán)境下開展溫度測(cè)量時(shí)，面臨的挑戰(zhàn)在于：不僅需要關(guān)注如何 實(shí)施測(cè)量，更應(yīng)注重人身安全。需采用專為測(cè)量高壓設(shè)計(jì)的測(cè)量技術(shù)。高壓環(huán)境中的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)不僅需確保測(cè)試的安全可靠，還應(yīng)根據(jù)職 業(yè)健康和安全條例，確保部署人員的安全。對(duì)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(cè)量技術(shù)測(cè) 量溫度的比較情況

電氣高隔離測(cè)量技術(shù)

傳統(tǒng)高壓測(cè)量模塊具有高隔離電流測(cè)量電子設(shè)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(cè)量硬件必須符合設(shè)備安全標(biāo)準(zhǔn)DIN EN 61010-1/2。如需應(yīng)用 在能源供應(yīng)網(wǎng)絡(luò)中，這些硬件在設(shè)計(jì)時(shí)，還應(yīng)滿足各自應(yīng)用環(huán)境的適當(dāng) CAT等級(jí)要求。用于測(cè)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(cè)量模塊可與其他CAN測(cè)量模塊組 合使用，用于測(cè)量電壓，溫度（RTD）和電阻（NTC）。

采用電氣高壓測(cè)量技術(shù)測(cè)量溫度

優(yōu)點(diǎn)：

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

? 傳統(tǒng)高壓測(cè)量技術(shù)還可適應(yīng)當(dāng)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(dāng)前傳統(tǒng)傳感器設(shè)備僅限 用于人員無法進(jìn)入的區(qū)域，那么只需將這 部分儀器轉(zhuǎn)換為完全符合標(biāo)準(zhǔn)且采用指定 高壓連接和測(cè)量技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)布線和測(cè)量的設(shè)備。

面臨挑戰(zhàn)與潛在問題：

? 僅允許受過專門訓(xùn)練的人員（電工）操作儀器和 測(cè)試車輛。
? 測(cè)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(cè)試對(duì)象的特性，例如，當(dāng) 必須移動(dòng)電機(jī)繞組時(shí)。
? 電纜和傳感器中的金屬物質(zhì)可能會(huì)改變測(cè)試對(duì) 象的磁性（電機(jī)繞組中的磁場(chǎng)）。
? 電纜的笨重絕緣也加大了在車輛中布設(shè)多通道測(cè) 試的難度。
? 當(dāng)傳感器故障時(shí)，必須考慮替換整套電纜、傳感 器和連接器，因?yàn)樗鼈兪且粋€(gè)集成的測(cè)試單元。
? 傳感器不靈敏時(shí)，可能導(dǎo)致測(cè)試過程中的時(shí)間損失。
? 傳統(tǒng)傳感器的信號(hào)質(zhì)量會(huì)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(cè)量技術(shù)

采用光纖布拉格光柵傳感器的光纖測(cè)量技術(shù)是一種測(cè)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(xué)干涉濾光片。測(cè)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(cè)量值由傳感器返回的具有布拉格波長(zhǎng)特征的窄光譜 表示。該波長(zhǎng)與有源區(qū)域的應(yīng)變和溫度成正比，而有源區(qū)域的應(yīng)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(duì)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(yīng)。因此，嵌入光纖時(shí)，應(yīng)確保零應(yīng)力， 以避免外部膨脹或機(jī)械應(yīng)力影響。光纖傳感器由包裹著光纖的玻璃毛 細(xì)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(jī)械性能更為堅(jiān)固，但熱性能稍差，直徑為 1.5mm，尺寸仍足夠小。在評(píng)估設(shè)備（即測(cè)量模塊）中評(píng)估采集的光譜 的布拉格波長(zhǎng)。在FBG技術(shù)中，該測(cè)量模塊也被稱為“詢問器”。

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

應(yīng)用實(shí)例：使用光纖傳感器驗(yàn)證電池 組的溫度模型

研究表明，測(cè)量電池組的正負(fù)極溫 度并采用幾何模型反向計(jì)算，這不足 以實(shí)現(xiàn)電池組的熱保護(hù)。實(shí)際上，考 慮到材料、當(dāng)前充電狀態(tài)、熱環(huán)境及 電池組的幾何形狀等因素，實(shí)際溫 度和模型測(cè)量結(jié)果之間的溫度差異 可高達(dá)25℃。在試驗(yàn)中，對(duì)兩個(gè)電池 組中間箔上的64個(gè)FBG傳感器開展 了驗(yàn)證測(cè)量。之前，已通過測(cè)試項(xiàng)目 校準(zhǔn)了這些FBG傳感器。

光纖測(cè)量模塊采用小巧 便攜的設(shè)計(jì)

光纖傳感器（紅色）與熱電偶（藍(lán) 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(cè)量時(shí)的職業(yè)健康和安全

光纖布拉格光柵（FBG）測(cè)量技術(shù)的核心要點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)顯而易見：如果整個(gè)技術(shù)不涉及任何金屬導(dǎo)體，而是完全依賴光學(xué)原理運(yùn)作(即，用戶不會(huì)與高壓接觸)，那么可從根本上緩解了昂貴且復(fù)雜的人身保護(hù)、專業(yè)培訓(xùn)和安全相關(guān)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(dòng)車，必須有高嚴(yán)格的安全要求和專門的人員培訓(xùn)。