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电驱动系统EMCEMI测功机

随着电驱动系统,尤其是新能源汽车的快速发展,其电磁兼容问题也越来越受到重视。新能源汽车电驱动系统具有高压、大电流、结构复杂,耦合路径多样化的特点,是主要的干扰源。
模拟实际负载条件下的电驱动EMC/EMI测试系统由电波暗室,测功机系统,电池模拟器,功放及其屏蔽室,控制室及其屏蔽室,冷却系统,屏蔽轴系等部分组成。依据CISPR25、GB/T18655、GB/T36282、GB/T18387等标准要求,可满足电池包、电机、控制器、动力总成等部分的传导发射、辐射发射和辐射抗扰度、大电流注入等测试。
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随着电驱动系统,尤其是新能源汽车的快速发展,其电磁兼容问题也越来越受到重视。新能源汽车电驱动系统具有高压、大电流、结构复杂,耦合路径多样化的特点,是主要的干扰源。


模拟实际负载条件下的电驱动EMC/EMI测试系统由电波暗室,测功机系统,电池模拟器,功放及其屏蔽室,控制室及其屏蔽室,冷却系统,屏蔽轴系等部分组成。依据CISPR25、GB/T18655、GB/T36282、GB/T18387等标准要求,可满足电池包、电机、控制器、动力总成等部分的传导发射、辐射发射和辐射抗扰度、大电流注入等测试。


1. 直驱型EMC测功机系统

直驱型EMC测功机系统可对高速电机和控制器进行EMC/EMI测试,高速电机安装在L型工装端面,或T型槽平台上,控制器放置在测试桌上。也可对电机和控制器集成在一起的产品进行测试。根据实际待测试电机的参数,可选择对应的测功机,推荐的测功机参数如下:

也可根据用户实际需求定制测功机参数。


直驱型测功机系统轴系简单,被测试电机安装工装反射面小,对测量不确定度影响小。进行电驱动总成测试时,可将差速器锁死,由一侧轴与测功机轴系连接。





2. 电驱动和动力总成通用型EMC测功机系统

电驱动和动力总成通用型测功机可兼顾高速电机、低速大扭矩动力总成和低速大扭矩电机的EMC/EMI测试。采用一台中速大扭矩测功机,连接一台双出轴变速箱,变速箱的高速轴可通过齿轮传动增速到更高转速,低速轴可直接由测功机输出。


电驱动和动力总成通用型EMC测试系统加载测功机参数:

也可根据用户实际需求定制测功机参数。

 

该配置可同时兼顾高速低扭和低速高扭矩的电驱动系统测试。但由于增加了高速齿轮箱,会增加待测试电机安装面的面积,增加了反射面的面积,对测量不确定度会产生一定的影响。我公司提供的该产品还进行了以下设计:


1.      设计了高速齿轮箱的油气吸收装置,防止油气挥发到电波暗室内。

2.      测功机选用中速大扭矩测功机,大幅降低变速箱的传动比,缩小中心距,减小齿轮箱的截面积,降低对测量不确定度的影响。

3.      齿轮箱润滑系统设计有停电继续供油功能,可保持至少5min的持续供油能力,防止齿轮箱断油损坏。

4.      齿轮箱润滑系统设计有恒温装置,可保持齿轮箱的进油温度恒定,可降低润滑油粘度对传动效率的影响,消除传动效率波动导致的扭矩测量误差。


3. 双轴加载EMC测功机系统

双轴加载测功机系统可以最大程度上模拟实车动力总成的安装状态,差速器不锁死或焊接,动力总成两侧输出轴可以用车载半轴代替,轮间距可以与实车相同。该系统还可以满足最高转速12000rpm,额定扭矩1000N.m的乘用车电机EMC测试。


也可根据用户实际需求定制测功机参数。



该系统可将待测试的动力总成两侧半轴设计为对地绝缘,模拟车载轮胎的状态。

拆除低速轴侧轴系,可进行高速电机测试。


对暗室空间布置受限的双轴测功机,也可采用直角传动箱转接的方式。



4. 移动式电驱动EMC测功机系统

移动式动力总成加载测功机系统采用模块化结构,每个单元体均为可移动结构,当需要测试时,只需将测功机的每个单元体推入到电波暗室内对应位置,并快速对接锁紧,即可开始测试。移动式动力总成加载测功机系统的变频器,冷却系统,电池模拟器等均放置在暗室外,通过滤波器接入到暗室内的接线盒中,由快速接头实现对测功机的连接。移动式动力总成加载测功机与动力总成采用半轴连接,轴间距接近实车轮距,并可调,调整范围可定制,最大程度上模拟了实车的安装状态。测功机参数:

也可根据用户实际需求定制测功机参数。



1.系统架构

电驱动EMC/EMI测试系统一般由电波暗室,测功机系统和测量仪器等部分组成。我们一般提供电波暗室和测功机系统。电波暗室采用标准的CISPR25暗室即可。测功机系统需根据待测试产品的参数确定。测功机系统一般包括:模拟负载的电力测功机,穿墙屏蔽轴系,安装台架,变频器,电池模拟器,冷却系统,传感器测量系统,数据采集系统,监控软件等部分。


2.关键技术指标

2.1屏蔽效能-(SE)

电驱动EMC加载CISPR25暗室、控制室、功放室屏蔽效能按照标准EN50147-1或GB/T12190最新标准的规定执行(频率范围10KHz~18GHz)。具体测试频点根据第三方检测机构的测试频点而定,满足以下指标:

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在所有相关附件(包括穿墙轴)安装完成后,电驱动EMC测功机工作(可提供小型无辐射负载),且监视系统、灯具、天线升降塔工作、滤波器通电的情况下,屏蔽效能较CISPR25所规定Class 5级的限值(PK&QP&AV)的电平至少低10dB。


2.2 测量控制精度

1)      扭矩测量精度:±0.05%FS

2)      转速传感器脉冲分辨率:1024/600pprppr

3)      扭矩控制精度:±1%

4)      转速控制精度:±0.01%FS

5)      测功机最大振动速度值(RSM):≤2mm/s(独立),≤3.5mm/s(加载)

6)      中间轴承座温升:≤35℃

7)      中间轴承座最大振动速度值(RSM):≤2mm/s(独立),≤3.5mm/s(加载)

8)      数据采集系统采样率:1kHz

9)      用户数据采集系统通道:可选配

10)   温度测量范围:-50℃~200℃

11)   振动传感器测量范围(RSM):0~20mm/s

2.3 长线法-(LWM)

按照最新版CISPR25满足在频率范围150kHz~1GHz范围内,采用Modelled long wire antenna method(LWM)长线法,超过90%的实际测试点与模型理论值相比误差均不大于±6dB。测试区域为电机侧和非电机侧,测试邀请权威的第三方计量机构进行检测并提供报告。

2.4 背景噪声-(ABN)

在无被测件,监视系统、灯具、滤波器通电的情况下,9KHz~6GHz范围内,测试背景噪声电平应比最新版本CISPR25所规定Class 5级的限值(PK&QP&AV)的电平至少低10dB,同时比GJB151B RE102限制至少低6dB。本项测试邀请国家权威认证的第三方计量机构进行检测并提供报告。

2.5 空气质量

电波暗室建设完成后,邀请具有CNAS、CMA资质的检测机构“华测检测”对暗室进行空气质量测试并出具暗室内空气质量(至少包含甲醛、笨、甲苯、二甲笨和TVOC)检测报告,检测结果符合GB50325-2010《室内环境污染控制规范》与GB/T 18883-2002《室内空气质量标准》的限值要求的限值要求。

2.6 接地电阻

电波暗室及屏蔽室采用单点接地方式接地,接地电阻由我方负责设计与施工。接地装置工艺采用物理降阻剂,但不会使用化学降阻剂。接地装置设计具有可维护性。暗室及屏蔽室的接地电阻小于1Ω。


3. 执行标准

1.      CISPR16-1-4 《无线电干扰和抗扰度测试装置和方法规范第1-4部分:无线电干扰和抗扰度测试装置辅助设备辐射干扰》

2.      CNAS-CL01-A008《检测和校准实验室能力认可准则在电磁兼容检测领域的应用说明》

3.      EN50147《高性能屏蔽室屏蔽效能的测量方法》

4.      GB/T 12190 《电磁屏蔽室屏蔽效能的测量方法》

5.      ISO 4589-2《Plastics-Determination of burning behaviour by oxygen index Part 2: Ambient-temperature test》

6.      GB/T2406塑料燃烧性能试验方法氧指数法

7.      GB 8624建筑材料及制品燃烧性能分级;

8.      ISO 11452-1/-2/道路车辆-电子/电气部件对窄带辐射电磁能的抗扰性试验方法-电波暗室法;

9.      CISPR 25 《车辆、船和内燃机无线电骚扰特性用于保护车载接收机的限值和测量方法》

10.   MIL-STD-461G REQUIREMENTS FOR THE CONTROL OF ELECTROMAGNETIC INTERFERENCE CHARACTERISTICS OF SUBSYSTEMS AND EQUIPMEN

11.   GJB 151B 《军用设备和分系统电磁发射和敏感度要求与测量》

12.   GBT 36282-2018《电动汽车用驱动电机系统电磁兼容性要求和试验方法》

13.   GB 50325-2010《民用建筑工程室内环境污染控制规范》

14.   GB/T18883-2002《室内空气质量》


4.关键技术说明

电机及驱动器EMC测试系统关键技术包括:高速穿墙屏蔽轴系,完全电隔离系统,暗室内无辐射传感器监控系统,低噪音电池模拟器等系统,实时监控系统等部分。


4.1 高速穿墙屏蔽轴系

CISPR25定义的测试布置图


CISPR25标准中的明确要求控制器EUT距离吸波材料顶尖距离不小于1m。对三合一电驱动总成,则要求控制器内侧(靠近暗室侧)距离吸波材料顶尖距离距离不小于1m,则电机驱动总成安装端面距离吸波材料顶尖距离不小于1m。为满足此要求,则轴系的长度较长,同时需要满足高速下振动较小的要求。目前国外解决方案是采用碳纤维轴或玻璃纤维轴,测试条件要求该轴长度必须大于1.6米(国际标准规定被测电机安装端面到电波暗室吸波材料顶尖距离不小于1m,考虑到吸波材料的厚度,铁氧体厚度,以及屏蔽体厚度,同时还兼顾安装时的误差)。虽然这两种非金属轴是不导电不导磁的绝佳材料,但由于新能源汽车电驱动系统已经进入高速高扭矩阶段,玻璃纤维或碳纤维轴的绝对弹性模量不能胜任高速大扭矩的测试场景。


为同时满足高速大扭矩和屏蔽要求,系统采用了高精密设计的长轴系统。

1.      全转速范围内的振动速度小于3.5mm/s。

2.      轴系采用多点支承结构,便于暗室内外底座对中,同轴度优于0.02mm。

3.      轴系具备完全动平衡结构,动平衡精度达到G1。

4.      轴系一阶临界转速高于系统最高转速。


4.2 完全电隔离系统

为防止电波暗室外的电磁波及电荷传导到电波暗室内,除了采用特殊的电磁屏蔽方法外,还需将测功机等进行完全电隔离。电驱动电机或动力总成需满足单点接地要求。

1.      测功机与屏蔽轴采用高速绝缘耦合。

2.      测功机与底座完全电隔离。

3.      高速屏蔽轴与被测试电驱动电机轴采用高速绝缘耦合。

4.      电波暗室内安装底座与电波暗室完全电隔离。

5.      电波暗室内设计可拆除式完全屏蔽罩,可将电机进行完全屏蔽,对控制器EUT进行单独测试。


4.3暗室内无辐射传感器监控系统

电波暗室内的待测电驱动系统和轴系均设计有振动和温度监控传感器,传感器需要通过高速数据采集系统采集,传输到监控软件中进行信号分析处理。数据采集系统放置在电波暗室中,由于自身辐射,会影响到电波暗室的背景噪音,需要进行低噪音处理。

我公司对电波暗室内的数据采集系统进行了以下设计:

1.      数据采集系统的供电通过24V滤波器滤波,消除进入到电波暗室内的电源干扰。

2.      数据采集系统的信号传输设计实时以太网光纤转换器,通过光纤和安装在电波暗室墙壁上的光纤波导,将信号传输到电波暗室外,再通过逆转换器转换为数字信号,进入到上位机中。

3.      数据采集系统安装在屏蔽箱中,屏蔽箱设计有通风波导,既能够保证散热,同时也可以保证箱体内的电磁波不会传递到电波暗室内。

4.      传感器电缆采用特殊屏蔽电缆,将传感器和屏蔽箱体连为一体。


4.4低噪音电池模拟器

电池模拟器为被测试电机控制器供电,可模拟电池,还可进行电池包充放电测试。

1.      输出电压:

  • 最大输出电压(Unom):1200V

  • 输出电压范围:20V~Unom可调,设置分辨率:0.1V

  • 重复性:≤0.1% Unom

  • 电压上升时间(10%到90%Unom):<5ms(阻性负载)

  • 负载变化(10%到90%)的控制时间:≤1ms(阻性负载)

  • 残余波纹:≤0.2% Unom有效值(频率DC-1MHz)

2.      输出电流:

  • 最大输出电流(Inom):800A

  • 输出电流范围:0~Inom可调,设置分辨率:0.1A

  • 重复性:≤0.1% Inom

  • 电流上升时间(10%到90%Inom):<1ms(阻性负载)

  • 负载变化(10%到90%)的控制时间:≤1ms(阻性负载)

  • 温度系数:≤0.01% Inom/K

  • 残余波纹:≤0.2% Inom有效值(频率DC-1MHz)

3.      输出功:±350kW

4.      输出效率:>90%

5.      输出精度:0.1%

6.      内阻:

  • 设置范围:0~5W(调节分辨率0.1mW)

  • 电池模式:通过调节内阻

电池模拟器的参数可根据实际需求定制。


4.5 实时监控系统

监控系统采用嵌入式实时控制器控制,实时以太网通讯,所有进入控制室内的通讯电缆均通过光纤传输。

1.      测功机前后轴承和温度实时监控,测功机的电流和电压实时监控,测功机的转速和转矩实时监控。

2.      屏蔽长轴振动实时监控。

3.      被测电机的振动实时监控。

4.      电控系统具备短路、漏电、断电、过流、过压等防护功能。

5.      系统软件具备安全检测功能,当监测值超出阈值,立即报警。系统具备三级防护功能。

6.      暗室内采用无电磁辐射光电隔离数据采集系统,实时采集振动传感器和温度传感器信号,通过光纤传输到控制室内,进行实时监控。

7.      暗室内测试桌附近,控制室内,测功机附近等均设计有急停按钮。

 




4.7 特殊接口

  1.  水/油波导设计频率范围9kHz~18GHz,达到与暗室相同的屏蔽效能。

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2.气路波导管考虑到氢气压力(5MPa),整个气路波导管一体成型,而非焊接而成,避免了可能出现的漏气点,满足防爆需求。气波导管设计频率范围9kHz~18GHz,达到与暗室相同的屏蔽效能。




3.为了确保滤波器到LISN之间的供电线路有良好的屏蔽,暗室提供了高压接头,包括暗室高架地板下,CP板高压接头至LISN端采用高压屏蔽线缆。


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