电动汽车的高压子系统和组件作为重要安全部件，必须不断满足日益严苛的安全要求。电池包跌落试验作为安全评估中的一项，用于评定运输过程中，电池包在受到垂直方向冲击时的耐冲击强度以及电池包外壳体对电池单体和模组的保护能力。本文介绍如何在跌落测试期间，测量高压电池组内部和外部的加速度以验证电池包安全性。CSM测量技术提供了一种简单的解决方案：采用单个测量系统，以高达100KHZ的采样频率同步测量高压和低压部件的数据信号。
背景
电动汽车中高压部件的可靠性和安全性对汽车制造商和一级供应商提出了新的挑战：高压组件必须经过各种测试，以确保乘员在任何情况下以及在车辆整个生命周期内的安全。电池包的跌落试验作为GB/T 31467.3-2015标准中的一项（图1），用于考核电池包的耐冲击强度。本文介绍的测量系统方案，对GB 38031-2020中电池包振动、机械冲击、模拟碰撞试验中加速度或其它模拟量的测量都有借鉴意义。
本文以“韩国机动车安全标准”（KMVSS）为例介绍如何对电池组进行跌落测试。其它国家的测试类似（见图 1）。KMVSS规定电池组（电量达到80%）必须从4.90米高度跌落到混凝土地板上。该测试是一系列安全测试的一部分，旨在确保电池在某些极端情况下不会爆炸或着火。
图1 | 国际标准中电池跌落式实验条件
面临的挑战
进行跌落测试时，需要在高压电池组内部和外部的不同点测量加速度。在电池包内部，加速度传感器在确保高压安全的情况下采集数据，并与安装在电池包外壳外部的加速度传感器同步采集。如果没有高压安全测量系统，电池包内的仪器可能因导电而严重损坏数据采集设备，并且可能危及生命。此外，必须以高采样率进行测量，以记录撞击发生时信号的动态变化过程。
解决方案
1> 所有测量模块都放置在跌落高度的一半处，以优化信号线束的长度并最大限度地减少信号干扰。
2> 电池包内的加速度测量：使用标准的IEPE加速度传感器，专用的高压安全传感器线束通过密封套插入电池组，以实现传感器的高压安全隔离。电池组内，三个IEPE单轴加速度传感器通过一个微型适配器盒连接到传感器线束，并最终将数据传输到HV IEPE 3 FL100。
3> 电池包内的加速度传感器数据由CSM HV IEPE 3 FL100高压测量模块记录。该测量模块专为在HV环境中使用IEPE传感器而开发，并以每个通道高达100 kHz 的数据速率记录来自加速度传感器的数据。
4> 电池包外的加速度测量：安装在电池包外壳上的其它加速度传感器的数据由CSM AD4 ECAT IE100测量模块采集。该模块以每通道高达100 kHz的数据速率记录加速度传感器传来的数据。
5> XCP Gateway通过集成以太网分布式系统时钟同步方法确保两个测量模块的数据高精度同步，从而实现电池包内外所有测量值的同步采集。此外XCP Gateway也是数据采集软件的接口，将来自EtherCAT®总线的信号转换为基于XCP on Ethernet协议报文的信号。
6> 使用Vector公司集成CSM测量模块的采集软件进行实时数据采集和分析，如vMeasure或CANape，可实现自动化测量，数据分析后处理以及脚本二次开发等功能，并可同步实时监控总线传来的信号。
方案优势
> 该方案借助CSM的高压测量技术，可在跌落测试期间安全地测量高压电池组内的信号。
> 采用单个测量系统便能从高压环境内部和外部采集数据，方案便捷可靠。
> 能够实现同步数据采集并以100 kHz的高采样频率采集跌落测试中的加速度实时动态数据。
> 与Vector测量软件适配，实现数据实时分析以及回放。
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HV IEPE3 FL100
CSM的HV IEPE3 FL100 测量模块专为高压环境下使用IEPE传感器进行测量而设计，例如加速度传感器，压力和力传感器等在高压环境测量。它提供三个模拟量输入接口，带有用于连接IEPE传感器的特定传感器电源。测量频率单通道可达100KHz，K960传感器线束专为该模块设计，可确保IEPE传感器在高压环境中的安全运行。
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AD4 ECAT MM Series是一款应用于汽车测量技术领域的高速模拟信号测量模块。该模块每个通道的测量频率可达100kHz。各通道间电气隔离，传感器激励电压可达到直流24V，因此该测量模块非常适合于IEPE传感器。各信号输入通道可同步采样，模块间同步精度高于1µs，支持基于IEEE 1451.4 TEDS功能。
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CSM的XCP-Gateway协议转换器是专门为CSM EtherCAT®微型模块系列开发的，以完成多通道高速率测量任务。XCP网关允许将基于XCP on Ethernet测量数据协议同CSM EtherCAT®测量模块相连接，从而使得EtherCAT®测量采集的优点和基于XCP标准通信的灵活性集于一体。
EtherCAT与XCP on Ethernet标准协议的转换：
· EtherCAT: 所有测量信号的同步时间精度小于1µs
· XCP on Ethernet：测量信号时间戳精度为1µs
至少能满足100个ECAT通道最高10KHz采样测量。
注：图文内容源自Vector。
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