一、高压纹波的危害在新能源汽车的高压系统里有一个容易被忽略却影响整车性能、寿命与安全的 “隐形杀手”——高压纹波。高压纹波在新能源汽车系统危害很大主要危害电池寿命影响持续的高频纹波电流会导致电池内部发热加剧加速电极老化。电磁兼容EMC问题高频纹波辐射干扰车载电子设备如传感器、通信系统。器件应力增加电容和功率器件因纹波电流产生额外热损耗造成线束或者器件的耐久性同时也大大降低可靠性和使用寿命。控制精度下降电压/电流采样受纹波干扰可能影响电机控制、充电精度。它是叠加在高压直流母线上的高频电压 / 电流波动像一串杂乱的音符破坏着电能的纯净传输。而它的产生并非偶然而是电力电子器件、系统设计、工况变化等多重因素共同作用的结果。今天我们就用图文结合的方式拆解高压纹波的核心成因看懂它的 “诞生逻辑和解决方案”。二、纹波频率低频纹波10Hz-1kHz主要电机逆变器的低频电流脉动会产生低频纹波频率范围刚好在10Hz-1kHz这个范围内转速越高频率越高。OBC充电器充电时电网中也会产生50Hz、60Hz低频纹波新能源汽车是多负载并联直流电网任何负载突变都会直接反映在母线上加速、减速、能量回收 、或者电流剧烈变化都会产生几十Hz到几百Hz的脉动噪声。空调压缩机、PTC 加热、水泵等汽车部件的启停动作、都会产生低频阶跃扰动。中/高频纹波1kHz-150kHz1kHz150kHz 纹波主要来自电机控制器 PWM 载波、死区畸变、DC-DC 开关频率以及母线 LC 谐振放大是高压系统最核心的中频段纹波这些开关频率本身以及2 倍、3 倍、5 倍或者更高的谐波会直接落在 1kHz150kHz 区间成为这段纹波的第一大来源。三、测试方法与标准现状一般来说同一测试项抗扰类试验与发射类试验频率范围相同且发射类限值低于抗扰类试验施加的干扰强度值从ISO21498-2 2021版频率10Hz-150kHz来看是符合此规范的ISO21498-2 2024版将纹波注入抗扰试验的频率范围下限改为了100Hz而纹波发射试验频率下限仍为10Hz若修改的初衷是觉得10Hz-100Hz没必要做那么纹波发射类试验也同样可以改为从100Hz开始但是汽车在电驱的低速时产生的电流脉动PMW载波OBC车载充电耦合的工频50Hz、60Hz频率等都有100Hz以下的干扰源。标准起草时考虑到在低频100Hz以下纹波去耦时纹波信号不易通过10mF去耦电容去耦回路交流阻抗较高若要100Hz以下开始测试需对供电电源做出一定的要求。也有可能因为当时设备在10Hz-100Hz纹波设备的耦合变压器注入效果难以达到要求兼容低频去耦合的问题故做了修改。但从上述同一测试项抗扰类试验与发射类试验的要求规范来讲从纹波注入抗扰度试验从10Hz开始是有必要的并且很多主机厂的纹波注入试验测试规范也是从10Hz开始的。四、纹波电压/电流和交流阻抗的关系一般样品的交流阻抗呈现以下两种趋势如上图1所示从低频到高频样品阻抗呈现为从高到低再从低到高的趋势这是一般的样品交流阻抗特性阻抗的最低点Zs对应的频率Fs即为当前样品的谐振频率那么在谐振频率时这个阻抗和纹波电压Upp电流Ipp的关系即为Upp Zs · Ipp 或 Ipp Upp / Zs由于Zs较小一般为几毫欧至几十毫欧所以较低的Upp纹波电压即可达到较高的Ipp纹波电流如果不对电流加以限制纹波电流甚至可以达到几千安培这很容易损坏样品。以ISO21498-2 2024版给出的纹波注入抗扰度试验中纹波限值示例值为例其最大电流为200Apeak即400App最大电压为24Vpeak即48Vpp那么最大电流和最大电压时对应的阻抗值 Zs0 Upp / Ipp 48 Vpp / 400 App 0.12 Ω ,对于谐振频率时阻抗小于Zs0 的样品在Fs前后大概率[当不同频段的纹波电压和电流值要求不一样时例如纹波电压要求较低时Fs1和Fs2可能不存在。]会有阻抗刚好等于Zs0的两个频点Fs1Fs1Fs以及Fs2Fs2Fs。那么在频率小于Fs1时纹波电压将先达到设定值即纹波电流将小于设定值在频率等于Fs1时纹波电压和纹波电流将同时达到设定值在频率大于Fs1且小于Fs2时纹波电流将先达到设定值即纹波电压将小于设定值在频率等于Fs2时纹波电压和纹波电流将同时达到设定值在频率大于Fs2时纹波电压将先达到设定值即纹波电流将小于设定值。当样品为电池包时其一般阻抗特性如图2所示呈现从低频到高频阻抗逐渐上升的趋势一般情况下其低频阻抗最低为几毫欧还以ISO21498-2 2024版给出的纹波注入抗扰度试验中纹波限值示例值为例Zs0为0.12Ω在高频时由于线束电感以及电池包内部的分布电感的存在一般在高频最大阻抗在几欧姆至几十欧姆这也意味着对于电池包来说大概率会有阻抗刚好等于Zs0的频点Fs2。那么在频率小于Fs2时纹波电流将先达到设定值即纹波电压将小于设定值在频率等于Fs2时纹波电压和纹波电流将同时达到设定值在频率大于Fs2时纹波电压将先达到设定值即纹波电流将小于设定值综上不管是一般的高压样品抑或是电池包由于其阻抗特性大概率需要纹波注入设备具备纹波电压和电流同时输出的能力在纹波注入系统的输出端而我们并不清楚谐振点的准确频点所以纹波发生器需要在全频段电压电流达到要求。五、高压纹波正式测试前为什么要校准在不同样品中交流阻抗特性表现出显著差异性。同时高压纹波发生器的内阻特性亦随频率变化而变化。在进行空载校准或采用固定阻抗校准件如电阻进行校准过程中正式测试阶段样品端注入的纹波电压与纹波电流会因样品阻抗的变化而产生相应变化。以下将针对两种不同情况进行详细分析假设纹波设备的功率输出足够大在正式测试阶段采用空载或固定阻抗校准件例如电阻校准的数据进行测试。若样品在当前测试频点的交流阻抗较低交流电流将显著高于校准阶段的电流值。由于耦合网络耦合变压器的阻抗影响耦合网络将消耗过多的纹波电压导致注入样品端的纹波电压低于测试标准要求。进一步地若样品在谐振点附近的交流阻抗极低可能仅为几毫欧纹波电流可能超过标准规定的限制电流从而导致样品损坏。综上所述采用其他负载或空载进行校准所得到的校准数据应用于样品时由于样品阻抗与校准阶段所用校准件阻抗存在差异测试结果将无法达到准确度要求。在纹波设备功率输出不足的情况下尽管空载校准看似能够获得符合要求的电压曲线但在带样品测试时由于功率限制某些频点将无法满足电压和电流的测试要求。综上样品正式测试前进行带样品校准是保证注入功率/电压/电流满足要求的最准确的方法。六、高压纹波设备市场上主流实现方案纹波发生器在高压电气性能系统中是技术难度非常大的一个设备各个纹波设备供应商实现的方案和优缺点不一我们做了一些主流实现方案介绍1、四象限交直流电源纹波发生器变压器电感耦合优点★输出波形欠电压、过电压、电压曲线、低频纹波时有一定的驱动电容能力功率放大器功率足够大的情况下带载波形不容易畸变。★交流低频部分由电源直接产生在300Hz频率切换频率切换点刚好在耦合变压器耦合效率比较高的频点上小功率功放即可实现标准要求的电压电流。缺点★四象限交直流电源价格高体积庞大、笨重纹波测试时必须交直流电源和纹波发生器放置在一起测功机或者整车转毂台架切换时不方便移动。★电源回馈效率较低有一部分功率转换成热量散掉。2、交直流开关电源纹波发生器变压器电感耦合优点★成本低。★低频部分由交直流电源产生在300Hz频率切换刚好在耦合变压器耦合效率比较高的频点小功率功放即可实现标准要求的电压电流。缺点★交直流电源实际是一台开关电源天生的弱点就是纹波底噪较大一般都在2Vpp左右小信号6V以下或者做谐振点扫描时纹波底噪较大从而淹没掉实际输出的信号影响测试精度。★体积较大、纹波测试时必须交直流电源和纹波发生器放置在一起且线束长度有严格控制测功机或者整车转毂台架切换时不方便移动。3、纹波发生器全频段变压器电感耦合优点★单独纹波发生器可实现10Hz-150kHz全频段注入。★纹波底噪小于200mVpp★整体体积小至1.2m³切换场景时移动方便。★可搭配其他型号的直流供电电源或者电池。缺点★技术难度大纹波耦合变压器在低频段耦合效率非常低成本也相对较高需要更大的功率放大器才能输出目标的电压和电流值。4、直接注入法高压四象限可编程电源优点★欠电压、过电压、电压曲线、纹波时有一定的驱动电容能力功率放大器功率足够大的情况下带载波形不容易畸变。★一台电源可实现交流、直流且纹波全频段注入10Hz-150kHz★可轻松实现较大的纹波电压和纹波电流。缺点★功放功率非常大直流需要多大功率交流也需要多大功率整体成本昂贵。★没有高效的回馈功能设备在大功率运转时需转换成热量散掉。★标准和市场主流是变压器电感耦合法出现结果不一致时无法判定。★设备通过模块并机体积较大测功机或者整车转毂台架切换时不方便移动。5、纹波发生器电容耦合法优点★设备采用电容隔离支持并联进整车或者电驱系统。★中高频衰减小可输出较大电压电流幅值。缺点★低频1kHz以下耦合效率很低无法满足ISO21498-2标准10Hz-1kHz频率24Vpp要求。★标准和市场主流是变压器电感耦合法出现结果不一致时无法判定。七、容测EA-RWxx系列 高压纹波测试系统EA-RWxx系列高压纹波系统采用最前沿的技术专为新能源汽车高压纹波测试提供的解决方案。满足ISO21498-2-2021/2024、VW80300-2021、LV123-2016等法规对于纹波的要求。✅内置有函数信号发生器、四象限放大器、纹波耦合变压器电感耦合法、闭环纹波测量系统等。✅高压纹波测试系统支持10Hz-200kHz频率范围。✅最大承载DC 60V-1100V直流电压0-1000A电流。✅智能化操作系统纹波耦合变压器匝比自动切换用户只需要输出数据其他由系统自动生成。✅体积尺寸主流设备800mm×1000mm×1600mm底部配置可移动车轮可快速切换台架。✅可匹配其他直流电源使用纹波发生器支持单独使用。✅多种高压保护功能内置预充和快速泄放系统谐振电流保护功能用户使用更加安全。✅内置10mF去耦电容防止纹波信号污染供电系统。✅10.1寸触摸显示屏具有强大的抗干扰等级再恶劣的环境依然能够正常使用同时支持上位机远程操作。✅用户可选择优先电流达到软件配合BMS监控电池温度和电压用于动力电池纹波自加热测试。八、纹波发生器输出能力EA-RWxx系列根据不同的功率放大器在10Hz-60Hz支持最高可同时达到25Vpp纹波电压和最大1000App纹波电流60Hz-150kHz支持同时达到60Vpp纹波电压和1000App纹波电流纹波耦合变压器端。✅满足电流的同时达到全频段60Vpp不再是做梦。✅EA-RWxx系列纹波发生器和交直流电源切换方案在300Hz实现频率切换实现全频段60Vpp纹波电压和1000App纹波电流。✅通常交直流开关电源的纹波底噪较大在做小信号测试时30Vpp以下因底噪过大而影响测试精度而在高幅值大于30Vpp时,纹波底噪的影响可以被忽略。注:更大范围的纹波电压和纹波电流需定制九、选频功能电驱系统本身是一个复杂的纹波干扰源在一些特殊的频点会产生比较高幅值的噪声信号高压纹波发生器在整个频段进行校准时输出的纹波信号会和电驱系统产生的纹波交织在一起监测系统采样时会采集到电驱产生的纹波底噪如果底噪峰值大于我们设定的峰值设定值和回馈值不一致闭环系统校准就无法进行。此时选频功能可将噪声信号与实际校准的纹波信号剥离只关注纹波发生器注入的频域和时域信号保证校准顺利进行测试结果也更加精确。十、频率堆叠技术强大的信号源支持输出除单频点正弦波外的多频点堆叠信号用户可根据需要同时同时多个频率多个幅值的堆叠信号。支持函数编辑和交流波形导入功能实现正弦波、谐波等波形输出最高可实现200kHz的频率波形。选配功能模块支持谐波分量实时补偿及分析可实现谐波分量闭环调整。这对于纹波老化测试理论上将大大缩短老化时间。下图上方波形为7个不同频率不同幅值的堆叠信号下方为长沙容测采样设备采集到的信号fft分解后的各个频率的幅值可对各个带载的畸变谐波做频率实时补偿。十一、EA-RWxx系列产品规格十二、软件及通讯协议软件支持屏界面和上位机软件双操作系统屏界面支持完整功能可脱机使用支持外接示波器模块实现FFT频域分析也可以通过内部数采模块实现闭环测试和FFT频域分析。上位机软件支持纹波电压、纹波电流、样品阻抗信息、自动生成曲线图同时支持样品电流、样品电压值实时显示可同步保存在报告。支持替代法、闭环法测试满足市场各类型用户的需求。支持频率步进、百分比、线性步进、单点、平均点数等6种纹波输出方式。十三、通讯协议EA-RWxx系列高压纹波测试系统采用SCPI通讯协议通过以太网、GPIB 发送命令兼容RS485和Can口支持外部触发及编程。不仅可以解放人力还支持自动化测试使测试变得更加可靠、高效。