EN 50155:2017 环境测试
工作温度范围需求
铁道应用经常面临严峻的环境条件，像是高海拔的高原丶高温乾燥的荒漠及低温潮湿的冻原， 也有可能处於长期高温的密闭空间，或是长期暴露在外的轨道旁，虽铁道的应用环境诡谲多变， 但EN 50155仍能订出严苛的标准来看待工作温度范围的测试，以保证铁道设备能在极端环境的条件下，依旧能可靠地运作。
EN 50155主要分为四种等级来定义不同的严峻环境条件，如下方表1所呈现。当我们在设计 铁道认证直流对直流电源模组时，必须考虑当系统启动过程中，是否会出现过温度的问题。
表1-操作温度等级
| 等级 | 设备操作温度范围 (℃) |
|---|---|
| OT1 | -25℃ to +55℃ |
| OT2 | -40℃ to +55℃ |
| OT3 | -25℃ to +70℃ |
| OT4 | -40℃ to +70℃ |
| OT5 | -25℃ to +85℃ |
| OT6 | -40℃ to +85℃ |
- OT1和OT2适用在乘客舱和驾驶室，长期温度必须保持在+25℃，而乘客舱和驾驶室的温度会影响材料的使用寿命。
- OT3和OT4应当适用於机柜中的设备，其长期参考温度为+45℃，此环境温度亦会影响材料的使用寿命。
- OT5和OT6类不能作为车辆要求温度的通用规范（例如可以用於半导体驱动元件（SDU），引擎控制元件）。
图1. 列车经常行驶於气候严峻的环境
图2. 宽操作温度范围得以应付严峻气候
设计时应考虑室内温升，以确保元件不超过其规定的额定温度。例如PCB 周围空气温度升高约15℃（此温度升高，很大程度上取决於PCB 本身的功耗以及邻近PCB 的功耗有关，或者自然气流丶强制气流等）。在PBA的设计中应考虑到单个PBA水准或垂直并置，或PBA 的子机架叠加时，供应商应考虑特定的机载安装所产生的要求。
在某些特殊情况下（例如，隔间丶阳光的影响丶辅助冷却系统的关闭），根据下表2的ST1或ST2，在短期热条件下对开机设备进行额外的运行检查。
表2-延伸操作温度等级-开机状态
| 等级 | 延伸操作温度等级-开机状态 (间隔时间: 10 分钟) | 乾热测试循环 |
|---|---|---|
| ST0 | 无延伸操作温度等级-开机状态 | Cycle A |
| ST1 | OTx + 15℃ | Cycle B |
| ST2 | OTx + 15℃ | Cycle C |
※等级ST1和ST2不适用於(表1)OT5和OT6。
※除非另有规定，等级ST1需要执行。
当列车通过隧道时，气温通常会剧烈变化，这种温差极大的环境容易造成水珠丶水气丶湿气等现象，容易对设备造成无法预期的影响，因此MINMAX的电源模组皆采用全封装灌胶，可有效抵挡外部环境因子造成的影响，而对於电子设备於环境应有的效能，EN 50155也订立出规范，MINMAX的测试更是站在EN 50155之下，订出对等或更加严格的测试条件，请参阅下表3：
| 测试项目 | EN 50155 : 2017参考条款 / MINMAX测试等级 |
|---|---|
| A.低温启动测试 Low Temperature Start-up Test |
EN 50155 13.4.4 / EN 60068-2-1
|
| B.乾热测试 Dry Heat Test |
EN 50155 13.4.5 / EN 60068-2-2
|
| C.低温储存测试 Low Temperature Storage Test |
EN 50155 13.4.6 / EN 60068-2-1
|
| D. 湿热循环测试 Cyclic Damp Heat Test |
EN 50155 13.4.7 / EN 60068-2-30
|
A. 低温启动测试 Low Temperature Start-up Test
为测试产品在低温下是否能正常启动，选择上表1低温等级做测试，执行如下图3，在室温检查功能後开始降温至指定温度，稳定时间最少持续2个小时，之後开机进行操作检查1个小时，检查完毕後回到室温持续1小时後，再次开机检查功能。在测试期间及之後，设备应按预期工作并在其规定的范围内工作则可判定为性能标准A。
图3. 低温启动测试
B. 乾热测试Dry Heat Test
为测试产品於高温且乾热环境下的性能表现，根据不同的外在条件，选择上表1高温等级以及表2的延伸温度做测试，并且选择Cycle A/B/C，执行方式如下图4/5/6，稳定时间最少持续2个小时。在测试期间及之後，设备应按预期工作并在其规定的范围内工作则可判定为性能标准A。
图4. 乾热测试-Cycle A
图5. 乾热测试-Cycle B
图6. 乾热测试-Cycle C
C. 低温储存测试Low Temperature Storage Test
为测试产品於低温储存环境下的耐受能力，将产品置於测试室中且无施加任何电源，测试温度应为-40℃下且停留至少16小时以上，待回复常温後才进行功能确认，产品应按其规定的范围内正常工作，则可判定为性能标准A。
D. 湿热循环测试Cyclic Damp Heat Test
为测试产品对操作环境温湿度变化的耐受能力，测试条件如下：
- 温度：+25℃ & +55℃
- 循环数 : 2个循环
- 时间 : 2 x 24小时
在测试期间及之後，设备应按预期工作并在其规定的范围内工作则可判定为性能标准A。
图7. 湿热循环测试-第1次和第2次的24小时循环开始
图8. 湿热循环测试-第2次循环结束以及恢复时间
图9. 全封装灌胶可以帮助转换器抵抗外在环境因素
EN 50155:2017 机构测试
列车高速运作中所有设备便长期处在震动状态，尤其速度更随着科技进步而不断提升，但风险也随之产生，因此，如何保证设备能承受剧烈的冲击丶震动丶撞击时，依然能保持稳定输出或正常运作，是各家设备商需要重视的问题。
EN 50155 认证中，明确的指出安装在车辆上的铁道级直流对电源转换器，必须满足 EN 61373 的振动与冲击测试。因此，制造过程中必须严格控制，以确保性能的一致性。MINMAX的铁道认证直流对直流电源转换器，通过EN 61373振动与冲击标准，专门设计能符合高冲击以及承受高振动耐受能力，确保长期运行下能保持稳定及减少故障的发生。
表4-机构测试
| 测试项目 | EN 50155 : 2017 参考条款 / 标准 | |
|---|---|---|
| 标准测试等级 | MINMAX 测试等级 | |
| A.功能型随机振动测试 Functional Random Vibration Test |
EN 50155 13.4.11.4 / EN 61373 (EN 60068-2-6) | |
| Category 1, Class B, Body Mounted Frequency Range: 5Hz~150Hz Grms Value: 0.103 Grms (1.01m/s²) for Vertical Axis Grms Value: 0.046 Grms (0.45m/s²) for Transverse Axis Grms Value: 0.071 Grms (0.70m/s²) for Longitudinal Axis Dwell Time: 10min/axis in Storage |
Category 1, Class B, Body Mounted Frequency Range: 5Hz~250Hz Grms Value: 0.2 Grms (2.0m/s²) for Each Axis Dwell Time: 10min/axis in Operation |
|
| B.增强型随机振动测试 Increased Random Vibration Test |
EN 50155 13.4.11.2 / EN 61373 (EN 60068-2-6) | |
| Category 1, Class B, Body Mounted | Category 1, Class B, Body Mounted | |
| Frequency Range: 5Hz~150Hz | Frequency Range: 5Hz~250Hz | |
| Grms Value: 0.583 Grms (5.72m/s²) for Vertical Axis Grms Value: 0.260 Grms (2.55m/s²) for Transverse Axis Grms Value: 0.404 Grms (3.96m/s²) for Longitudinal Axis |
Grms Value: 1.2 Grms (12m/s²) for Each Axis Dwell Time: 5 HRs/axis in Operation |
|
| Dwell Time: 5 HRs/axis in Storage | ||
| C.冲击测试 Shock Test |
EN 50155 13.4.11.3 / EN 61373 (EN 60068-2-27) | |
| Category 1, Class A&B, Body Mounted Wave Form: Half-Sine Acceleration Peak: 3.060 Grms (30m/s²) for Vertical Axis Acceleration Peak: 3.060 Grms (30m/s²) for Transverse Axis Acceleration Peak: 5.102 Grms (50m/s²) for Longitudinal Axis Dwell Time: 30mS in Storage Shock/Bump Times: 3 Times for Each Direction |
Category 3, Axle Mounted Wave Form: Half-Sine Acceleration Peak: 100 Grms (1000m/s²) for Each Axis Dwell Time: 6mS in Operation Shock Times: 3 Times for Each Direction |
|
| 碰撞测试 Bump Test |
No Reference / No Reference (EN 60068-2-29) | |
| No Needed | Wave Form: Half-Sine | |
| Acceleration Peak: 5.102 Grms (50m/s²) for Each Axis | ||
| Dwell Time: 30mS in Operation | ||
| Acceleration Peak: 10 Grms (100m/s²) for Each Axis | ||
| Dwell Time: 11mS in Operation | ||
| Bump Times: 2000 Bumps for Each Direction | ||
A. 功能型随机振动测试 Functional Random Vibration Test
首先选择测试设备安装的位置，分为车体安装A类/车体安装B类/转向架安装/车轴安装，并按下表5给出的相关均方根值和频率范围对设备进行试验，在设备的实际方向不明确或未知的情况下，应在三个轴上按垂直方向的均方根值进行试验。MINMAX在车体安装B类别的基本测试条件下，提高「振动频率」以及「加速度均方根」两项条件，给予客户更大的可靠度保障。
表5-功能型随机振动测试之强度和频率范围
图10. 横轴-功能型随机振动测试结果示意(MINMAX加严版)
B. 增强型随机振动测试Increased Random Vibration Test
首先选择测试设备安装的位置，分为车体安装A类/车体安装B类/转向架安装/车轴安装，并按下表6给出的相关均方根值和频率范围对设备进行试验。在设备的实际方向不明确或未知的情况下，应在三个轴上按垂直方向的均方根值进行试验。各类设备都应经受总共15小时的测试，应在三个互相垂直的轴上分别进行5小时的测试。
表6-增强型随机振动测试之强度和频率范围
图11. 横轴-增强型随机振动测试结果示意(MINMAX加严版)
C. 冲击测试 Shock Test
首先选择测试设备安装的位置，分为车体安装A/B类/转向架安装/车轴安装，并对受试设备施加18次冲击（横轴/纵轴/垂直轴的正向和反向各做三次），试验条件请参考下表7。MINMAX选择最严格的车轴安装条件。
表7-冲击测试之测试方向丶强度和持续时间
图12. 正横轴-冲击测试(MINMAX加严版，10Grms，11ms)
图13. 正横轴-冲击测试(MINMAX加严版，100Grms，6ms)
图14. 通过机构测试确保产品长期可靠度
EN 45545-2 防火保护测试
铁道交通运输产业广泛要求电源模组材料须符合防火保护测试 EN 45545-2 的相关要求。而 EN 45545-2 规范中，就有明订不同被测试材料会根据 R1-R26 不同类别来区分和定义其「防火性能指标参数与测试条件」。
测试内容 :
- 防火安全物体的功能性描述
- 均质材料的等级和要求等级
- 内部结构材料
评估防火性能有以下几个指标参数 :
- 热释放量
- 可燃性
- 毒性测试
- 烟雾密度
- 不同被测试材料会根据最终「防火性能指标参数」测试资料结果，来评核该被测试材料的防火保护测试等级(HL Level)
- 铁道车载会根据车辆运行环境及不同类别的车辆，并参照下方表4-危险分级表，来划分出所需要采用材料的防火保护测试等级
表4-危险分级表
| Operation category |
Design category | |||
|---|---|---|---|---|
| N: Standard vehicles |
A: Vehicles forming part of an automatic train having no emergency trained staff on board |
D: Double decked vehicles |
S: Sleeping and couchette vehicles |
|
| 1 | HL1 | HL1 | HL1 | HL2 |
| 2 | HL2 | HL2 | HL2 | HL2 |
| 3 | HL2 | HL2 | HL2 | HL3 |
| 4 | HL3 | HL3 | HL3 | HL3 |
MINMAX 所有铁道认证电源模组的塑胶外壳(Plastic Housing)丶印刷电路板(PCB)和塑封灌注胶(Potting Compound)皆会根据最终「防火性能指标参数」做测试，再由测试结果来评核该材料的防火保护等级(HL Level)，以确保铁道车辆运行的安全性。
铁道车辆的使用条件
对於铁道设备的要求会因为不同的铁道类型丶用途丶安装位置而有所调整，请参阅下图15，进一步了解铁道车辆上的典型设备位置：
1.不同类型的铁道车辆
不同的铁道车辆类型（例如地下公共交通丶地上公共交通丶高速客运列车或货运列车）可能导致特定的使用条件。
2.不同用途的铁道车辆
铁道车辆的预期用途受地理目的地以及它是在地下还是地上使用的影响。 设备的具体条件可能会有所不同，具体取决於预期用途（例如，安装在转向架上的长隧道出口/入口的快速温度变化）。
3.铁道车辆上设备的位置
下图15为铁道车辆典型设备位置，如位置4（车体下或车顶）丶位置5（车辆间）丶位置6（转向架）以及位置7（轮轴），会依据设计在不同的位置，给予不同的使用条件。而下表5则示意了设备位置与要求的条件结果。
表5-铁道车辆上典型设备位置示例
| 位置 | 定义 | 范例 | 需求结果示例 |
|---|---|---|---|
| 1 | 封闭式的电气作业区 | 内部车辆隔间（防风雨） 外部车辆隔间（防风雨） 框架下或屋顶上 |
工作温度和/或冲击水平取决於安装位置 |
| 2 | 机舱和内饰 | 乘用车厢和驾驶室 | 仅需要低的国际防护等级认证 （空气中灰尘和化学污染较低） |
| 3 | 封闭式的电气作业区与外部空气强制过滤通风 | 机械舱 | 在发动机/动力转换器室或对燃料和液体有抵抗力的情况下，工作温度更高 |
| 4 | 户外静态应用 | 车身下丶车顶下 （非天气保护地点） |
|
| 5 | 户外动态应用 | 车辆间 |
|
| 6 | 户外高动态应用 | 转向架 |
|
| 7 | 户外高动态应用 | 车轴 |
|
为何【电源转换器】会需要遵守EN 50155铁道认证? (下) 完
【感谢您的观看，如还有兴趣请参阅下集→为何【电源转换器】会需要遵守EN 50155铁道认证? (上)】
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