图1  车辆中的高压部件分布

电动/混合动力车辆的储能及电驱单元涉及电压高达1 000 V，任何问题都可能引起严重的后果，因此任何操作都必须在保证安全的考虑下进行计划与执行，包括对其部件性能、效率以及运行状况进行数据采集，以实现对车载高压系统的测试。

新技术衍生新需求

随着电动/混合动力车辆技术的发展，对于相关生产与服务领域都有着新的需求，而这不仅仅对应于技术设计层面，还有出于人工操作安全的考虑。而在设计与操作过程中，储能及电驱单元都会涉及到高达1000V的电压，在这样高压状态下的工作系统，仅仅了解运动部件的工作状态是不够的，同时也必须清楚地了解固定部件的电能产生与分配情况。所有的安全因素在设计与开发车载操作系统时都必须全面考虑到。来自不同领域的技术专家针对各自相应部件的性能、效率以及运行状况都要有详细的数据支持，这就需要选择合适的数据采集系统来实现对车载高压（HV）系统的测试。

图2  直流与交流回路

车载高压数据采集系统

当电动/混合动力车将电源转为常用的12V/24V或42V的电力系统时，电驱单元会产生极高的电流。考虑到电压及电流造成的能量损失，则需要提高车载系统电压从而将电流限制在一个符合技术条件与经济性的范围内。而这直接导致了电池电压的上升，根据车辆的不同类型，有的电压会达到1000V。由于车载系统电压的增加，可显著减小导线的直径并可以增加总体驱动能效。

车辆中的高压部件分布见图1。车载系统的高压部分可分为两部分：能量储存装置部分的直流电和转速调节驱动器部分的三相交流电。图2为直流与交流回路的主要框图。

请注意，在实际工作特别是在这些高压区域中时应采取相应特殊的安全措施。

图3  高压电池回路中各部分的电流值比率

哪些因素需进行测试

电力驱动的能量平衡是最值得重视的部分，详细来说即电能储存设备（高压电池）的充电/放电过程以及系统能效。为此，驱动部件（发动机、发电动机、转换器）的负载情况也需要进行测试。一般来说，驱动单元的测试已经由生产商在台架上完成，因此主要的任务就是检测在直流电路中（必要时在交流电路中）的电流与电压情况。电压的采集可以从相应测试点直接接入，而电流的数据采集则需要通过分流计或是灵活地运用电流钳来进行。

图4  IPETRONIK高压导线

路试的苛求

相对于台架及实验室内的测试，道路试验对于测试技术与布线等的要求都有明显的提高，主要体现在如下几大方面：

（1）在实际道路试验过程中的振动与冲击对测试设备本身以及安装方式等都有着更高的要求；

（2）在车上用于安放设备及布线的空间狭小；

（3）受限的空间及振动冲击可能会导致导体的磨损；

（4）由于空间的限制以及不恰当的布置可能会导致线缆等被车上的尖锐部分所划伤；

（5）线缆可能会由于意外事件而被压碎或脱落等。

组装后的测试系统组件在移动测试时如果有损害是异常危险的，因为大多情况下这些组件缺少额外的技术保护（如保护管、金属屏蔽网等）。如果高压系统中的这些损伤没有被检测到，则可能会产生极其严重的后果甚至危害生命。

图5  在高压线缆上使用预标装置

安全第一

我们需要特别注意这些新的车载高压系统的移动检测。到目前为止，测试人员及服务人员不需要担心车载电力系统可能会带来的伤害，即使是42 V的车载系统也无需特别注意，因为都在可接触的安全用电范围内（50V交流或是120V直流）。但现在，随着新情况的出现，由于电驱系统的高电压，技术人员不得不注意由于某些错误而造成电流通过人体时所引起的高风险而产生损伤甚至致命的后果。

另外，还要注意的是，能被检测到的直流电电流要比交流电电流高，它可能会造成对人体长期的热损伤（如损伤细胞组织或烧伤等）。在高电导率直流电路分流时的电弧击穿也特别要引起重视。而在交流电路中操作不当可能会被电源粘住，从而造成心律紊乱，即使在电流只有20～50 mA时也可能会造成呼吸及心脏系统的停止。

鉴于以上理由，这类操作应由受过高压操作训练的专业人员来进行。

以下5条安全措施（德国工程师协会规范）应当在进行电动/混合动力车的操作时引起重视：

（1）断开连接－打开高压电池的断路器；

（2）防止自动连接－拔掉保险丝；

（3）确认连接断开－合适的电压检测器，带预检测功能；

（4）接地与短路（多个车载系统）－恰当的线缆设置；

（5）邻近活动部件绝缘保护－合适的橡皮垫等。

图6  High Voltage Iso Divider

明确危险以避免

要预知这些潜在的危险，就首先要了解高压网络的物理及电气原理。

高压车载系统的设计类似于IT网络，也就是说这个网络没有一个低阻抗的连接到导电部件（人体、底盘），为避免无法控制的静电充放以及由此带来的风险，电源的两个引脚都必须通过RC元件连接到高阻抗车体。在与这些车进行操作时应首先检查这一点。图3显示了高压电池回路中各部分的电流值比率。

由图3可知：

（1）单一的绝缘漏洞不会成为潜在的危险，只要没有更多的绝缘破损同时发生；

（2）任何绝缘破损必须在第一时间检测到并修复；

（3）最安全的方法是相对于整车的两个高压导体的绝缘控制，一旦电隔离降到最低值以下，系统必须立即马上检查并修复，而并不需要马上关掉整个系统；

（4）车体电压是高压系统的半值，这说明测试设备须要绝对的电隔离以避免伤害以及采集数据的错误。

在安装时需注意：为避免上述在高压网络中的高风险，必须安全装配上合适的测试线缆。普通实验室开槽线是不足以满足要求的，IPETRONIK高压导线（见图4）是双绝缘的，白色的核心绝缘层包裹在黑色或红色的外层绝缘皮下，因此，一点轻微的损伤都能在发生严重危害之前轻易地看出来，这时线缆需要立即更换。

图7  High Voltage Iso DAQ

更进一步的保护手段则是在高压线缆上使用一个预标装置，可集成在终端插头或是分开的小盒如高压限流器内（见图5）。限流器会将系统电流限制在2 mA以下，这一电流远小于会造成损害的电流下限。因此，限流器可避免在下级测试系统中由于短路或电弧击穿而产生的错误。

测试硬件需要达到的要求

根据有效安全规程IEC 61010-1，只有满足相应检测类别（CATⅠ～CAT Ⅳ）的检测与测试设备才允许使用。单个高压测试设备High Voltage Iso Divider（见图6）和四通道高压测试设备High Voltage Iso DAQ（见图7）是通过TUV认证的满足CAT Ⅰ 1000VDC和CAT Ⅱ 600 VAC的高压测试设备。因此，这些可以用于高达1 000 V的直流电检测。

当使用电流钳进行检测时，电流钳以及附属的测试系统都必须满足相应的测试类别。High Voltage Iso Divider可用于安全适用电流钳在高压系统中，任何IPETRONIK测试系统或是满足CAT Ⅰ和CAT Ⅱ类别的应用。High Voltage Iso DAQ则为另一种选择，紧凑的四通道系统并直接以CAN总线信号输出。该硬件可以实现在直流电领域内的安全与有效的能量平衡。

图8  数据采集软件IPEmotion用户界面

变频电路中的应用

如前所述，变频电动机与驱动部件之间的交流电回路的电流电机需求要小得多，因为关键数据一般都已经在测试台架上进行了检测。进行交流电检测的设备至少要满足CAT Ⅲ类的标准，因为测试常值在600 VAC的设备必须能够承受住高达6000 V的浪涌电压，如YOKOGAWA的高精度功率分析仪WT 3000 M。该系统能够快速而精确地检测到3相交流电网络中的功率平衡以及电动/混合动力驱动10～
20 kHz的PWM波调制信号，基本精度可达±0.02%。

数据采集软件IPEmotion（见图8）提供了一个专门的YOKOGAWA设备插件，可配置WT系列功率分析仪并轻松采集数据，在线计算能效与功率平衡等，在IPEmotion用户界面可以定义所有信号缩放比例及采集频率等设置。采集到的数据可以用IPEmotion自带数据管理功能进行分析或直接转为常用数据格式并保存，以供更进一步的分析。

结束语

电动/混合动力车辆的高压测试对专家们提出了新的要求，任何错误都可能引起严重的后果，为避免潜在的危险，任何操作都必须在保证安全的考虑下进行计划与执行。