原创 狭窄高压环境中的电流和电压测量

电动汽车的驱动系统开发测试过程中，开发人员需要在车辆高压电气系统中测量高频电流和电压。由于安装空间有限，测量设备的安装将会非常困难。本文展示如何在确保高压安全和不受环境干扰影响的前提下，在狭窄空间内以高采样率测量电流和电压。

背景介绍

在电动汽车研发初期，电驱系统中的组件和完整的高压电气系统都会在仿真和测试台上进行大量的测试。尽管如此，最真实可靠的测试环境无疑是进行实车测试。因此，为了动力系统软硬件的进一步升级优化获得准确结果，实车道路测试不可或缺。

图1:在有足够安装空间下，HV BM模块可用于车辆电气系统中电流、电压和功率的精确可靠测量

对于电驱系统测试台架或实车高压电气系统中的电流、电压和功率测量，CSM的HV BM模块是一种相当成熟的解决方案。HV BM模块具有坚固的外壳，紧凑且抗干扰能力强，适合在实车路试中使用。此外，HV BM模块可实现高达2 MS/s的采样频率，可同时测量高达2000A和2000V的高频电流电压。高压母线穿过HV BM模块外壳，直接连接在高压绝缘外壳内部。由于该方案能够在内部线束（或屏蔽层）中直接测量，因此可以获得极其精确的测量结果。但是，由于车内存在安装紧密的组件和狭窄的线束通道，车辆中的可用安装空间可能太小。在这种情况下，必须找到新的解决方案来完成实车环境中电流、电压和功率的测量。

挑战

首先，测量开展的前提是传感器必须能够安装到对应的测点上。狭窄的线束通道或周围组件会限制传感器可用的测点安装空间。因此，面对这种狭窄空间内的信号测量，方案要更加紧凑，传感器布置要可分布性且更加灵活。

图2:狭窄的高压线束通道仅为测量方案提供有限的安装空间来测量高压线束内的电流和电压

此外，为了获得非常精确的测量结果，避免屏蔽层电流和外部高压线束的测量干扰，需要对高压母线进行直接接线测量，这样测量得到的结果是实时且不受干扰的。为了进行进一步数据分析，数据的测量频率需要最高可达1 MHz（或更高）。与此同时，测量方案必须有坚固可靠的外壳保护，一方面确保用户和设备的高压安全，另一方面保护测量过程免受环境干扰影响。

CSM测量解决方案

HV BM分体式模块（HV SAM/HV SBM）用于在非常狭窄的安装空间内测量电流、电压和功率。该分体式模块系列使用与HV BM模块相同的测量原理来进行车辆电气系统的测量。三种分体式模块都有各自紧凑的高压安全外壳，如下图所示：

由于将原有的HV BM模块拆分成三个独立的模块，HV BM分体式模块（HV SAM/HV SBM）安装在高压电源线或高压母线上所需的空间得以最小化。HV SBM通过带环形端子的格兰头或PL300/PL500接头直接接入高压线束中测量电流和流压。

电流和电压分体式测量模块（HV SBM_I/HV SBM_U）通过带有高压屏蔽层的高压线束和安全接头连接到分体式采集模块（HV SAM），这使得HV SBM可以在狭窄的空间中单独使用，并轻松安装在空间可用的地方。

图3:HV BM分体式模块的视图：HV SBM（通过PL500接头或带环形端子的格兰头进行线束连接）和HV SAM（从左到右）。

图4:狭窄线束通道中的电流和电压测量。用于电流和电压测量的HV BM分体式模块（HV SBM_I、HV SBM_U）通过高压安全线束连接到分体式采集模块（SAM）。分体式采集模块（SAM）通过CAN或EtherCAT®连接到计算机。

HV SAM执行采样、AD转换、滤波、在线计算、数据采集、协议转换和电流隔离等功能。连接到HV SBM的高压安全线束的标准长度为2米。

与标准HV BM模块一样，HV SAM将数据通过EtherCAT®或CAN输出到上位机，数据传输速率高达1MHz。通过EtherCAT®协议输出的测量数据通过XCP-Gateway转换为支持XCP-on-Ethernet协议的报文并转发到计算机。通过XCP-Gateway可以轻松集成采集其他附加信号的测量模块。

优势

HV BM分体式模块（HV SAM/HV SBM）可实现在狭窄空间下精确的电流、电压和功率测量。该模块基于成熟的HV BM模块测量技术来获得准确的测量结果：直接在高压线束中使用分流电阻进行电流测量，可最大限度地减少外部磁场的影响，而基于磁通量或霍尔效应的电流测量方案则会受屏蔽层电流和外部磁场影响，导致测量结果失真。因此该HV BM电流测量方案几乎不存在伪信号、迟滞效应、系统相关噪声、特性偏移或偏移误差。

HV BM分体式模块（HV SAM/HV SBM）外部尺寸几乎和高压线束大小相当，可以安装在高压线束的线路位置。因此，可以对狭小空间下的高压用电设备（例如空调压缩机、热泵、AD/DC转换器或电子制动器等）进行测量。

HV BM分体式模块（HV SAM/HV SBM）是Vector/CSM E-Mobility测量系统的一部分，为广大用户提供一种分布式、可扩展的测量系统，用于在狭窄的车辆安装空间中测量大电流和高电压，以便后续使用CANape/vMeasure进行电动汽车的在线数据分析。