日本汽车标准化组织对于车辆雷电试验方法的研究

2023-03-01

摘要:为了降低汽车尾气对环境的影响,以电动汽车和混合动力汽车等为代表的新能源车辆的数量越来越多,该类汽车配备了先进的电子控制设备和电力系统,与传统汽车相比,该类汽车更容易受到雷电等电磁干扰的影响。目前国内还未开展相关的研究工作。本文主要介绍了日本汽车标准化组织(JASO)发布的关于车辆雷电试验方法的技术文件,可为我国相关的工作的开展提供参考。

关键词:车辆,雷击,车辆试验方法标准化,雷电试验方法

1 引言

       近年来,为了降低汽车尾气对于环境的影响,国家出台了各种优惠政策和补贴措施,使得电动汽车和混合动力汽车等对环境影响较小的汽车数量快速增长。截至2021年底,全国新能源汽车保有量达784万。此外,从环保的角度来看,电动汽车和混合动力汽车采用了新材料以减轻车辆重量。同时,为了提高安全性、舒适性和智能性,该类型的汽车通常配备了先进的电子控制设备和电力系统。

       与传统汽车相比,这类汽车更容易受到雷电等电磁干扰的影响。当车辆在行驶过程中被雷电击中,雷电电流会流过车身和内部部件,并从轮胎释放到地面。雷电电流幅值较大,会对车辆造成严重的物理破坏,同时雷电电流产生的强大的电磁场可能会损坏控制和电源系统,导致其发生故障或功能紊乱,严重影响车辆的安全运行。因此,从保障车辆安全的角度出发,研究车辆在遭受雷击时的状态是非常重要的。

       虽然国内电动汽车和混合动力汽车的数量越来越多,但目前没有任何一个政府部门或企事业单位对汽车遭受雷击的情况进行研究。国外学者很早就开始关注这方面的问题,并开展了很多研究工作,其中以日本学者的研究较为系统。在日本,日本汽车标准化组织(JASO)在开展了大量研究后发布了关于车辆雷电试验方法的技术文件,并联合汽车制造商,在开发新车时,就致力于车辆雷电试验方法的标准化工作,以便对雷击的影响进行适当的摸底调查。因此,本文将主要介绍该技术文件的主要内容。

2 目的

       为了减轻重量,电动汽车和混合动力汽车会采用新材料,同时为了提高安全性,车辆会安装许多电子控制系统和电力系统。这些系统的使用会降低车辆对于电磁干扰的抵抗能力[1]-[2],而快速变化的雷电流会产生强烈的电磁波,当车辆遭受雷击或处于强的雷电环境时,车辆的电子控制系统和电力系统会受到干扰。在这种情况下,从保障车辆安全行驶的角度出发,研究雷击时车辆结构和电子部件的影响就显得尤为重要。

       日本汽车标准化组织发布的车辆雷电试验方法的技术文件旨在规范家用轿车和轻型货车的雷电效应试验方法,使得车辆雷电效应试验方法通用化和标准化。

3 小电流测试

       当车辆被雷击时,雷电电流通过内部齿轮件、车轴、车轮等从车身流出到地面。这种电流产生的瞬变电磁场可能导致车内电气和电子设备的故障[3]-[4]。此外,当雷电电流通过轮胎内部放电时,轮胎有可能因为雷电放电产生的巨大能量而发生破裂。在验证雷击对车辆的影响时,如果从刚开始就向测试车辆施加大电流,车辆很有可能会损坏,从而影响后续测试,无法验证电流分布和电流强度对关键设备的影响。因此,在不损坏车辆的前提下,可使用较小幅值的电流进行测试。施加小幅值雷电电流的测试被称为小电流测试。

       小电流测试是一种通过施加不损坏车辆设备和车辆内部电路的电流来评估电流路径、车辆设备及其接线中产生的过电流和过电压的测试。

4 小电流测试方法

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图1试验布置示意图

       图1显示了车辆雷电试验布置的示意图。试验时,车辆放置在导电平面的中心,同时为了降低边缘效应的影响,导电平面的边缘与车辆的距离应该在15厘米以上。导电平面的材料和厚度没有特殊要求。

       对于普通家用汽车,电流注入点为车顶表面,即车辆的中心,对于敞篷汽车,电流注入点为挡风玻璃上面板表面和车辆中心平面的交点。冲击电流发生器的高压输出线通过螺钉固定在车顶表面。为了降低整个试验回路的电感,高压输出线通常为铜编织带或大直径导线。此外,电流注入位置车顶表面的漆层会影响试验电流的注入,因此试验时需要将表面的漆层打磨掉。

       电流流出点为车轮螺钉,通过一个短的连接跳线将车轮与导电平面连接在一起。虽然车轮橡胶部分不导电,但在车辆的实际雷击中,雷电电弧会通过螺钉沿轮胎橡胶部分的表面闪络到大地,或者击穿轮胎橡胶部分,进入轮胎内部,并最终流向大地。因此,如果在没有短接跳线的情况下通过大电流,轮胎可能会爆裂。采用短接跳线,一方面是为了保护轮胎不发生爆裂,一方面是为了在尽可能真实模拟雷电电流分布的情况下在电流流出位置提供低阻抗的导电通路。

       对于四轮汽车,短接跳线的连接位置是车辆的四个车轮。根据四个车轮的接地情况,分为四个车轮同时接地和每个车轮单独接地(四个位置)共5种。

       试验时,导电平面和车轮轮毂之间需要采用通流能力大的线缆连接,同时,由于雷电电流变化率快,幅值相对较高,电流在传导过程中会产生较大的电动力,因此所有连接位置需要采用螺钉连接,避免连接线缆发生脱落。

       冲击电流发生器施加雷电电流,并使用Rogowski线圈在每个测量位置进行测量。施加的电流幅值从几安培到几百安培之间,在不损坏车辆的前提下,尽量采用较大幅值进行试验。在车辆顶端中心注入电流,测量车辆各部分的电流,并确定雷电电流的分布路径。推荐使用Crowbar开关形式的冲击电流发生器,以产生模拟的短时雷击和长持续时间的电流波形。注入电流的波形参数及其定义可参照IEC 61400-24:2019附录A[5]。

5 结论

       本文介绍了日本标准化组织在研究电动汽车和混合动力汽车遭受雷击时的车辆结构和电子元器件影响的试验方法。该方法还处在不断的改进过程中,他们会继续对此研究,并收集车辆遭受雷击后的数据,规范试验方法,争取建立标准的车辆雷电效应测试方法。我国也应该借鉴其研究成果和经验,开展相关的研究工作,进一步提升车辆的安全性,保障驾驶员和乘客的生命安全。