15 Декабря 2020
Автор и должность
Любовь Минина, специалист
Отдел
ООО "Остек-Тест"
Издание
Вектор высоких технологий №5(50) 2020
Посмотреть в формате pdf

В марте 2018 года Международная организация по стандартизации (ИСО) выпустила стандарт ISO 19453 «Транспорт дорожный. Условия окружающей среды и испытания электрического и электронного оборудования для системы привода электромобилей». Стандарт состоит из четырех частей: Часть 1: Общие положения, Часть 3: Механические нагрузки, Часть 4: Климатические нагрузки, Часть 5: Химические нагрузки.

Современная автомобильная промышленность создает предпосылки для развития и усовершенствования испытаний на воздействия условий окружающей среды, в том числе испытаний на климатические воздействующие факторы. Исполнение требований этого стандарта обеспечит выпуск качественной и надежной продукции в данной области. За последние годы, благодаря появлению и развитию новых технологий, многие производители сместили значительный фокус внимания на вопросы экологии. Это дало толчок для разработок в сфере альтернативного транспортного двигателестроения, в том числе и с питанием от автономных источников электроэнергии. Из-за относительного новшества этого направления в автомобильной промышленности потребовались и новые методики испытаний, изложенные в нормативной документации. Одним из таких документов стал стандарт ISO 19453, и наша статья посвящена его четвертой части — Климатические нагрузки и описывает его содержание и требования. Мы расскажем, что нового привнесли электродвигатели в вопросы стандартизации в целом и автомобильную промышленность в частности.

Необходимость разработки новых испытательных стандартов

В автомобильной промышленности растет число транспортных средств с разными формами тяги двигателя, включая электромобили (EV) и гибридные электромобили (HEV). Электрические силовые установки и компоненты, установленные в таких транспортных средствах (например, приводной двигатель, инвертор, преобразователь постоянного тока и т. д.), становятся габаритнее, тяжелее, что вызывает необходимость перехода к высоковольтному напряжению. Для обеспечения долговечности таких установок и компонентов был необходим новый стандарт экологических испытаний. Опираясь на стандарты для экологических испытаний электрического и электронного оборудования 12 В / 24 В и широко используемый в автомобильной промышленности стандарт ISO 16750, началась работа по созданию стандарта для более крупных и тяжелых агрегатов, для которых характерны повышенные рабочие напряжения.

Мероприятия по стандартизации стартовали в 2011 году на заседании комитета по силовой электронике по методике испытаний высоковольтных компонентов на экологическую стойкость комитета «Японское общество автомобильных инженеров» (JSAE). В декабре 2013 года начался международный проект (ISO / TC22 / SC32 / WG2). В марте 2018 года стандарт ISO 19453 «Транспорт дорожный. Условия окружающей среды и испытания электрического и электронного оборудования для системы привода электромобилей» был выпущен в виде серии, состоящей из четырех частей (Таблица 1), как некое логическое продолжение-замена стандарта ISO 16750. Часть 2 опущена, но в настоящее время готовится соответствующий отдельный стандарт ISO 21498 (ISO / TC22 /SC37 / WG4).

Таблица 1 Сравнение глав ISO 16750 и ISO 19453 «Транспорт дорожный. Условия окружающей среды и испытания электрического и электронного оборудования для системы привода электромобилей»

Серия ISO 16750

Серия ISO 19453

1

ISO16750-1: Общие положения

ISO19453-1: Общие положения

2

ISO16750-2: Электрические нагрузки

Пропущен(в данный момент разрабатывается как ISO 21498)

3

ISO16750-3: Механические нагрузки

ISO19453-3: Механические нагрузки

4

ISO16750-4:Климатические нагрузки

ISO19453-4: Климатические нагрузки

5

ISO16750-5: Химические нагрузки

ISO19453-5: Химические нагрузки

Общее описание испытательных стандартов

Сфера применения

Предметом описываемой серии стандартов являются электрические двигательные (силовые) установки и компоненты класса напряжения «В», определенные в стандарте ISO 6469-3 «Транспорт дорожный на электрической тяге. Правила техники безопасности. Часть 3. Защита людей от поражения электротоком», включая приводные двигатели, инверторы, преобразователи постоянного тока и т.д. (Таблица 2).

Таблица 2 Класс мощности согласно стандарту ISO 6469-3

Класс

Макс. рабочее напряжение

Класс напряжения А

Менее 30 В AC или 60 В DC

Класс напряжения В (покрывается текущей серией стандартов)

От 30 до 1000 В AC или от 60 В до 1500 В DC

Однако батарейные блоки и системы для приводных устройств этой серией не охвачены. Стандартизация для них существует с 2016 года как ISO 19453-6 (тяговые аккумуляторные блоки и системы).

Конфигурация и изменения в сравнении с серией ISO 16750

В Таблице 3 представлена конфигурация серии стандартов ISO 19453 и изменения в сравнении с серией ISO 16750.

  • Часть 1. Общие положения

Определяет элементы, общие для частей 3, 4 и 5, использование терминов по месту монтажа, режимы работы оборудования и специальные условия испытаний высоковольтных компонентов, включая напряжения испытаний.

  • Часть 3. Механические воздействия

Определяет методы испытаний на вибрацию, механический удар, свободное падение и т.д. Описание вибрационных испытаний включает в себя концепцию определения низкочастотных и высокочастотных компонентов на основе измерений транспортного средства. Шаги, которые необходимо учитывать при создании профилей испытаний, перечислены в приложении с целью подготовки к будущему пересмотру стандартов.

  • Часть 4. Климатические воздействия

Охватывает испытания на воздействие внешних климатических факторов и коррозионную стойкость (высокая и низкая температура, термоциклирование, воздействие температуры и влажности в циклическом режиме, высокая температура / высокая влажность, пониженное атмосферное давление, точка росы, водостойкость, соляной туман, агрессивные газы, защита от пыли и т.д.).

  • Часть 5 Химические воздействия

Идентично стандарту ISO 16750, с частичным изменением метода применения только для испытаний на химическое воздействие.

Таблица 3 Стандартная конфигурация серии ISO 19453 и изменения в сравнении с серией ISO 16750

Часть

Содержание

Изменения по сравнению с серией ISO 16750

Часть 1 Общие положения

  • Термины и классификация по месту монтажа
  • Режимы работы, классификация функционального состояния
  • Испытания и требования

Добавлены конкретные режимы работы и определения для высоковольтных компонентов

Часть 3 Механические воздействия

  • Вибрация
  • Механический удар
  • Свободное падение

В профили виброиспытаний был добавлен подход раздельной стандартизации низкочастотных и высокочастотных компонентов

Часть 4 Климатические воздействия

  • Низкотемпературные испытания
  • Высокотемпературные испытания
  • Испытания на воздействие термоциклирования
  • Испытания охлажденной водой (испытание на брызгозащищенность, испытание погружением)
  • Испытания на воздействие соляного тумана
  • Воздействие влажности и температуры при циклическом режиме — испытание на конденсацию влаги
  • Влажность и повышенная температура при постоянном режиме
  • Испытание на воздействие конденсата
  • Коррозионное испытание с потоком смешанного газа
  • Испытание на воздействие пыли
  • Испытание на воздействие атмосферного давления

• Испытание на воздействие атмосферного давления теперь включает в себя тест, фокусирующийся на явлении частичного разряда, свойственном высоковольтным компонентам

• Добавлен режим испытаний конденсации влаги (воздействие росы)

• Добавлены условия ускоренных испытаний распылением солевого раствора

Часть 5 Химические воздействия

Условия воздействия испытательного агента

Частичное изменение метода применения и т. д.

Общие положения стандарта ISO 19453-4 (Климатические нагрузки)

Цель испытания

В этой части определяются условия окружающей среды, а также требования к испытаниям и эксплуатации, основанные на международно признанных конвенциях о типах окружающей среды, с которой автомобильное электрическое и электронное оборудование может столкнуться в течение жизненного цикла.

Диапазон рабочих температур

Температурный диапазон, в котором компоненты обязаны работать непрерывно, показан в Таблице 4. Минимальная рабочая температура (Tmin) равна −40 °C, а максимальная рабочая температура (Tmax) — +180 °C.

Таблица 4 Диапазон рабочих температур

Минимальная рабочая температура (Tmin), °C

Максимальная рабочая температура (Tmax), °C

A

-20

+65

B

-30

+65

C до T

-40

+65 до +180 (с шагом 5 °C)

Z

По договоренности

По договоренности

Содержание испытаний и эталонные стандарты

В Таблице 5 приведены типичные элементы ISO 19453-4 (Климатические нагрузки) и стандартная справочная информация. Отличия от ISO 16750-4 применимы к следующим пунктам: испытания на наличие конденсата, соляного тумана, комбинированный цикл испытаний и испытания относительным атмосферным давлением.

Комплектующие изделия с большой тепловой мощностью, такие как двигатели, в меньшей степени способны подстраиваться к изменению окружающей среды, поэтому в комплектующих может возникнуть конденсация росы. Испытание на конденсат включает стремительные изменения температуры и влажности (например, от −30 до +25 °C 90 % за короткое время) для оценки выносливости в таких условиях.

Комбинированные испытания распылением солевого раствора направлены на сокращение времени испытания благодаря использованию комбинированного метода циклирования, основанного на стандарте IEC 60068-2-52.

При использовании в условиях низкого атмосферного давления комплектующие с маленьким изоляционным расстоянием металлических проводников (например, эмалированные обмотки двигателя) могут испытывать явление частичного разряда. Испытание атмосферным давлением включает в себя испытание частичным разрядом, выполняемое путем приложения заданного испытательного напряжения при низком давлении, эквивалентном высоте 5000 м (54,0 кПа) или менее как указано в IEC 60664-1.

Таблица 5 ISO 19453-4 (Климатические воздействия) и наименование стандарта

#

Наименование метода испытаний

Ссылка на стандарт

5.1.1.1

Низкотемпературное испытание при хранении

IEC 60068-2-1

5.1.1.2

Низкотемпературное испытание при эксплуатации

IEC 60068-2-1

5.1.2.1

h-Высокотемпературное испытание при хранении

IEC 60068-2-2

5.1.2.2

Высокотемпературное испытание при эксплуатации

IEC 60068-2-2

5.2.1

Термоциклирование с заданной скоростью изменения температуры

IEC 60068-2-14 Nb(Изменение температуры с заданной скоростью)

5.2.2

Быстрое изменение температуры с заданной длительностью перехода

IEC 60068-2-14 Na( Резкое изменение температуры методом жидкость-жидкость)

5.3.2

Испытание на брызгозащищенность

5.3.3

Испытание на погружение

5.4.1

Испытание на коррозию

IEC 60068-2-52(распыление циклами, раствор хлорида натрия)

5.4.2

Испытание на утечку и функциональный контроль

IEC 60068-2-11(соляной туман)

5.4.3

Комбинированное циклическое воздействие соляного тумана

5.5

Испытания на воздействие циклической влажности – конденсация влаги

IEC 60068-2-30

5.6

Влажность/повышенная температура, стационарное испытание

IEC 60068-2-78

5.7

Испытание на конденсат

5.8

Коррозионное испытание потоком смешанного газа

IEC 60068-2-60 Метод испытаний 4

5.9

Испытание на солнечное излучение

5.10

Испытание на воздействие пыли

ISO 20653/JIS D 5020

5.11

Испытание на воздействие атмосферного давления

ISO 60664-1

Сведения об испытательном оборудовании

Испытание на воздействие термоциклирования и резкую смену температур с заданной длительностью перехода

Оборудование, пригодное для испытаний в соответствии со стандартами, описанными в статье, представлено на рис 1. Испытания по п. 5.2.1 (термоциклирование с заданной скоростью изменения) реализуются при задании режима термоциклирования с постоянной скоростью изменения температуры. Камеры тепла, холода, влаги и с возможностью быстрой смены температурного цикла (серия ESPEC AR) подходят для этой задачи.

Испытание по пункту 5.2.2 (быстрое изменение температур с заданной длительностью перехода) требует подвергнуть испытуемое изделие быстрой смене температуры. Камеры термоудара (особенно серии TSA или модели TSD и TSA) подходят для этой задачи (рис 1).

Таблица 6 Испытания по пунктам 5.2.1 и 5.2.2

Пункт

5.2.1 Термоциклирование с заданной скоростью изменения температур

5.2.2 Быстрое изменение температур с заданной длительностью перехода

Ссылка на нормативную документацию

IEC 60068-2-14Nb (Испытание на изменение температуры с постоянной скоростью)

IEC 60068-2-14Na (Испытание на резкую смену температуры)

Наименование продукции

Камеры термоциклирования (серия AR)

Камеры термоудара (серии TSA, TSD, TSE)

Диапазон температур

от -70 до +180°C (от 10 до 98 % RH)

от -70 до +200°C


Испытание на образование конденсата

После продолжительной работы в зимней холодной среде, когда автомобиль попадает в теплую среду (такую как гараж или подземная автостоянка), детали с большой теплоемкостью (например, двигатели) не могут быстро подстроиться к изменениям окружающей среды, поэтому на их поверхностях будет появляться конденсация, влияющая на электрические характеристики. В Таблице 7 приведены условия проведения испытания на образование конденсата. Крупная камера температуры/влажности и камера теплового удара воздух-воздух с функцией влажности, показанной на рис 2, подходят для этого испытания.

Таблица 7 Испытания на образование конденсата

Состояние

Низкотемпературный этап

Высокотемпературный/ с повышенной влажностью этап

Стадия осушения воздуха

Кол-во циклов

Температура

Время

Температура

/ отн. влажность

Время

Температура

/ отн. влажность

Время

A 10 °C

±3 °C

50 °C ±3 °C

70 % ±5 %

3 ч

-

-

3

B -30 °C

±3 °C

1 ч

25 °C ±3 °C

90 % ±5 %

1 ч

25 °C ±3 °C

менее 50 %

1,5 ч

5

Z

По договоренности

Пункт

5.7 Испытание на образование конденсата

Наименование продукции

Faster Temperature (& Humidity) Chamber SM series

Air to Air Thermal Shock Chamber TSA-D series

Диапазон температур

-40 °C до +180 °C / 20 % до 98 % RH

-40 °C дo +85 °C / 40 % дo 95 % RH


Испытание на воздействие атмосферного давления

Это испытание на частичный разряд, выполняемое путем подачи заданного испытательного напряжения под пониженным давлением, эквивалентным высоте 5 000 м (54,0 кПа) или менее (как указано в IEC 60664-1). Для этого типа испытаний подходит испытательная термобарокамера, позволяющая воспроизвести снижение атмосферного давления до заданного значения (рис 3).

В статье был рассмотрен стандарт условий окружающей среды и испытаний ISO 19453 для электрических двигательных установок и компонентов, установленных в таких транспортных средствах как электромобили (EV) и гибридные электромобили (HEV), применение которых в будущем будет неизбежно увеличиваться.

Стандарт представляет собой серию из четырех частей, в каждой из которых содержатся определяющие методы испытаний для оценки характеристик соответствующих электрических двигательных установок и компонентов, а также оборудование для проведения данных испытаний.

Применение это стандарта упрощает методику проведения механических, химических и, что было более подробно рассмотрено в статье, климатических испытаний, давая возможность предприятиям автомобильной и других видов промышленности выпускать надежную и качественную продукцию.