電動汽車非車載充電機檢測平臺的建立與實踐

劉亞麗，李國棟，胡波，趙新，車延博，滕文

（1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津300384；2.天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，天津300072；3.國網(wǎng)天津市電力公司營銷部，天津300010）

電動汽車非車載充電機檢測平臺的建立與實踐

劉亞麗1，李國棟1，胡波2，趙新3，車延博2，滕文2

（1.國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津300384；2.天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院，天津300072；3.國網(wǎng)天津市電力公司營銷部，天津300010）

為推動和規(guī)范非車載充電機的電氣性能，為充電機性能檢測工作提供技術(shù)手段，建立了基于組態(tài)王軟件的非車載充電機自動化檢測平臺。本平臺采用組態(tài)王軟件進(jìn)行系統(tǒng)開發(fā)，圍繞組態(tài)王開發(fā)平臺進(jìn)行外圍硬件設(shè)備的配置，設(shè)備驅(qū)動和通信的設(shè)計，并根據(jù)制定好的實驗方案進(jìn)行系統(tǒng)人機界面及實驗操作的軟件設(shè)計?；谠撈脚_可開展安全功能、輸出特性、絕緣性能、諧波電流4大類實驗，并通過實踐驗證了檢測平臺的可行性與實用性。

組態(tài)王；充電機檢測平臺；自動化測試；通信驅(qū)動；測試實驗

充電機性能是電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要支撐，關(guān)系著電動汽車和動力電池系統(tǒng)的安全。若充電機性能不達(dá)標(biāo)，將會引起蓄電池充電時間異常、整車?yán)m(xù)航時間縮短、蓄電池使用壽命降低等問題。

目前電動汽車發(fā)展仍以公共交通及公共服務(wù)車輛為主，換電模式為主要運行模式之一，因此為保證電網(wǎng)和用戶的安全，需開展非車載充電機的性能檢測工作。文獻(xiàn)[1-5]對此開展了相關(guān)研究工作。因國外對充電機檢測并沒有相關(guān)的檢測標(biāo)準(zhǔn)，所以相關(guān)研究較少。

為可靠高效地開展非車載充電機性能測試，本文基于自動控制系統(tǒng)開發(fā)軟件組態(tài)王6.55設(shè)計開發(fā)了充電機檢測平臺。本平臺可靠性高、實時性強、界面友好、操作簡單、測試精度高，同時通過與平臺設(shè)備的通信實現(xiàn)非車載充電機遠(yuǎn)程自動化測試。平臺具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，以報表或者曲線形式展現(xiàn)測試結(jié)果，測試過程準(zhǔn)確高效。

1 檢測平臺設(shè)計

1.1 平臺硬件設(shè)計

國家、企業(yè)各相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[6-8]均規(guī)定了充電機輸出電壓和輸出電流的范圍，基本范圍在24～750 V，10～500 A之間，結(jié)合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)及平臺搭建意義，本平臺設(shè)計可滿足50～500 V，0～100 A的充電機性能的測試，可以完成的測試項目包括安全功能試驗、輸出特性試驗、絕緣性能試驗、諧波電流試驗。

檢測平臺主要由3部分構(gòu)成，即功率電路系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺硬件結(jié)構(gòu)Fig.1Hardware structure of platform

功率電路系統(tǒng)包括交流模擬電源、調(diào)壓電源、功率可調(diào)直流負(fù)載、電源選擇柜、開關(guān)切換柜、短路柜，模擬充電機不同運行工況。

檢測系統(tǒng)包括功率分析儀、數(shù)據(jù)記錄儀、示波器、電能質(zhì)量測試儀及所需的傳感器設(shè)備，在充電機性能測試過程中實時量測各測量點電壓、電流數(shù)據(jù)，獲得充電機性能數(shù)據(jù)。

監(jiān)控系統(tǒng)包括工控機、驅(qū)動程序、板卡及串行通信線纜等，實現(xiàn)充電機檢測的可視化和自動化，能夠?qū)崟r監(jiān)視充電機的狀態(tài)和遠(yuǎn)程控制平臺設(shè)備進(jìn)行充電機的測試。

1.2 平臺通信設(shè)計

本平臺采用組態(tài)王軟件開發(fā)，測試過程中平臺設(shè)備需要與組態(tài)王進(jìn)行實時通信，組態(tài)王的驅(qū)動程序采用ActiveX技術(shù)，使通信程序和組態(tài)王構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，保證運行系統(tǒng)的高效率，從而組成可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的自動檢測平臺。

本平臺中組態(tài)王與I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換采用串行通信和板卡兩種方式，平臺通信設(shè)計如圖2所示。電源選擇柜、開關(guān)切換柜、直流負(fù)載柜采用板卡通信模式，此模式需在組態(tài)王工程瀏覽器的設(shè)備節(jié)點中通過“板卡”項進(jìn)行配置設(shè)備驅(qū)動，板卡插接在工控機的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線ISA（industrial standard architecture）擴展槽內(nèi)，用戶通過訪問板卡的I/O地址與平臺設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；交流模擬電源和功率分析儀通過“COM”項進(jìn)行配置設(shè)備驅(qū)動，串口設(shè)備通過RS232串行通信線纜連接到工控機的串口，本平臺配置2個串口，最多可配置32個串口通信設(shè)備。串口通訊不僅需要物理接口的連接還需要依據(jù)不同的設(shè)備采用不同的通訊配置，確定包括波特率、校驗方式、校驗位和數(shù)據(jù)位的個數(shù)等參數(shù)，設(shè)備和上位機組態(tài)王軟件必須配置一致才能實現(xiàn)正常通訊。

圖2 平臺通信設(shè)計Fig.2Communication design of platform

通過遠(yuǎn)程通信方案可以遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)與監(jiān)控輸入電源狀態(tài)，實現(xiàn)過壓、欠壓等不同電網(wǎng)狀況模擬；可以通過板卡通信遠(yuǎn)程控制電源選擇柜和開關(guān)切換柜的開關(guān)，實現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)自動切換；可以遠(yuǎn)程在線調(diào)節(jié)直流負(fù)載的大小，模擬蓄電池充電的狀態(tài)，實現(xiàn)充電機輸出不同功率的工作模式下測試的自動化；并實時上傳檢測系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)。

2 基于組態(tài)王的自動化檢測平臺

2.1 組態(tài)王功能分析

本平臺人機界面采用亞控公司的組態(tài)王6.55對平臺進(jìn)行開發(fā)，該軟件充分利用了Windows的圖形功能完備、界面一致性好、易學(xué)易用的特點，使開發(fā)的系統(tǒng)更具有通用性，大大減少了工控軟件開發(fā)者的重復(fù)性工作，縮短項目開發(fā)周期，減少開發(fā)費用。

組態(tài)王開發(fā)軟件的功能特點有：①強大的界面顯示功能：提供給用戶豐富的作圖工具，可隨心所欲地繪制出各種工業(yè)界面；②良好的開放性：組態(tài)軟件能與多種通信協(xié)議互聯(lián)，支持多種硬件設(shè)備，向下能與低層的數(shù)據(jù)采集設(shè)備通信，向上能與管理層通信，實現(xiàn)上位機與下位機的雙向通信；③豐富的功能模塊：完成實時監(jiān)控產(chǎn)生功能報表、顯示歷史曲線、實時曲線、提供報警功能；④強大的數(shù)據(jù)庫：配有實時數(shù)據(jù)庫，可存儲各種數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交換；⑤可編程的命令語言：擴充應(yīng)用系統(tǒng)的功能，對應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行最精確的控制；⑥周密的系統(tǒng)安全防護：對不同的操作者賦予不同的操作權(quán)限，保證整個系統(tǒng)的安全可靠運行；⑦仿真功能：提供強大的仿真功能使系統(tǒng)并行設(shè)計從而縮短開發(fā)周期[9]。文獻(xiàn)[10]曾經(jīng)用組態(tài)王軟件開發(fā)了逆變器并網(wǎng)檢測平臺，為本項目的實施提供了可靠的保證。

2.2 測試方案

整個充電機測試方案以組態(tài)王6.55作為開發(fā)平臺，測試充電機的測試方案流程如圖3所示。

圖3 非車載充電機測試方案Fig.3Test plan of off-board charger

人機操作界面可實現(xiàn)以下功能：

（1）總體監(jiān)控。在上位機顯示采集數(shù)據(jù)實時值，計算機通過和設(shè)備通信訪問相關(guān)設(shè)備寄存器來獲得設(shè)備的運行情況，包括交流調(diào)壓電源輸出值、充電機輸出參數(shù)、負(fù)載接入電路的參數(shù)及相關(guān)狀態(tài)，并通過動畫連接、實時曲線等顯示出來。

（2）控制功能。如圖3（a）中的“配電控制”環(huán)節(jié)，在上位機端對開關(guān)切換柜和電源選擇柜的接觸器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，模擬充電機運行的真實狀態(tài)，其中開關(guān)切換柜內(nèi)的接觸器為圖1中的開關(guān)S，是本平臺的硬件核心，通過對它的遠(yuǎn)程控制，選擇合適的設(shè)備接入充電機的兩側(cè)，滿足不同充電機的要求。

（3）報警功能。如圖3（b）中的“交流檔位報警”和“參數(shù)設(shè)定報警”環(huán)節(jié)，在充電機的交流電源的輸入檔位和充電機輸出參數(shù)設(shè)定錯誤時，會發(fā)生報警，保證測試平臺安全運行。

（4）數(shù)據(jù)存儲。如圖3（b）中的“存數(shù)據(jù)報表”環(huán)節(jié)，將實驗中所需的充電機配置參數(shù)、檢測參數(shù)和當(dāng)前設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)均存入報表，并可通過EXCEL報表進(jìn)行查詢，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

（5）打印功能。打印產(chǎn)生的數(shù)據(jù)報表、歷史曲線等。

（6）界面顯示。平臺操作界面分為主界面和子界面，利用菜單方式進(jìn)入充電機的測試實驗子界面。通過點擊工具欄的選項可以看到不同設(shè)備的狀態(tài)以及充電機的測試參數(shù)，并且在工具欄可以使用“急?！惫δ?，數(shù)據(jù)報表功能，控制設(shè)備通斷功能。其界面結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。

圖4 平臺界面結(jié)構(gòu)Fig.4Interface structure of platform

3 檢測平臺測試實例

3.1 非車載充電機測試項目

非車載需要測試的項目主要為安全功能實驗、輸出特性實驗、絕緣性能實驗、諧波電流實驗、電磁兼容實驗5大類。

安全功能實驗要求充電機具有輸入過壓保護、欠壓保護、輸出過壓保護、輸出過流保護、輸出短路保護；輸出特性實驗包括輸出電壓誤差、輸出電流誤差、穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、紋波系數(shù)、功率因數(shù)、效率實驗；絕緣性能實驗包括絕緣電阻測試、工頻耐壓、沖擊耐壓、泄漏電流、接地電阻測試；電磁兼容試驗包括電磁騷擾發(fā)射測試和設(shè)備的抗擾度測試，由于電磁兼容測試需在特定的實驗環(huán)境下開展，因此本平臺未開展此項測試。

本文用上述設(shè)備對某廠家一臺10 kW充電機模塊進(jìn)行性能測試，該產(chǎn)品輸出電壓范圍50～100V，輸出電流范圍0～100 A。以下以部分實驗實例說明本平臺測試結(jié)果。

3.2 諧波電流實驗

在平臺的菜單項中選擇“諧波電流實驗”，根據(jù)實驗流程，設(shè)定充電機工作在額定輸出電流狀態(tài)，通過電能質(zhì)量分析儀采集2～25次諧波電流數(shù)據(jù)，并計算出單次諧波電流含有率，其計算式為

式中：HRIh為第h次諧波電流含有率；Ih為第h次諧波電流（方均根值）；I1為基波電流（方均根值）。

由于充電機整流設(shè)備為6脈動，以6k±1次諧波為主，因此測試數(shù)據(jù)僅列出6k±1次諧波電流含量如表1所示，各次諧波電流頻譜如圖5所示。

表1 諧波電流含有率Tab.1Harmonic current ratio %

圖5 諧波電流頻譜Fig.5Harmonic current spectrum

由表1和圖5可知，充電機的5次和7次諧波占總諧波比重最大，且三相電流諧波含有率基本相同，而充電機輸入的各次諧波電流含有率均不大于30%，符合GB/T 19826—2005電力工程直流電源設(shè)備通用技術(shù)條件及安全要求規(guī)定。

3.3 穩(wěn)壓精度實驗

實驗步驟：充電機連接功率可調(diào)阻性負(fù)載，設(shè)置充電機恒壓輸出模式，設(shè)定電壓整定值，調(diào)整輸入電壓分別為90%、100%、110%額定值時，在0～100%額定電流間調(diào)整負(fù)載電流，分別測量充電機輸出電壓，找出上述變化范圍內(nèi)充電機輸出電壓的極限值UM，計算公式為

式中：δU為穩(wěn)壓精度；UZ為交流輸入電壓額定值，380 V，且負(fù)載電流為50%額定電流時輸出電壓測量值；UM為輸出電壓極限值。

在平臺的菜單項中選擇“穩(wěn)壓精度實驗”，根據(jù)實驗流程設(shè)定各測試數(shù)據(jù)點，穩(wěn)壓精度測試數(shù)據(jù)如表2所示。實驗數(shù)據(jù)如圖6所示，其中實驗點1、4、7的交流輸入電壓是額定電壓的110%；點2、5、8為額定電壓；點3、6、9為額定電壓的90%。實驗點1、2、3為空載狀態(tài)下；點4、5、6為輸出電流50 A；7、8、9為輸出電流100 A。

表2 穩(wěn)壓精度實驗數(shù)據(jù)Tab.2Data of steady voltage accuracy

圖6 電壓偏差對比Fig.6Comparison of voltage deviation

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定當(dāng)交流電源電壓在標(biāo)準(zhǔn)值±15%范圍內(nèi)變化，輸出直流電流在額定值的0～100%范圍內(nèi)變化時，輸出直流電壓應(yīng)在相應(yīng)的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)任一數(shù)值上應(yīng)保持穩(wěn)定，充電機輸出電壓精度不應(yīng)超過±0.5%。從表2中可以看出該模塊穩(wěn)壓精度各測試點處滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并且輸出電壓越接近額定電壓，穩(wěn)壓精度越高。圖6給出了每個測量點偏離電壓設(shè)定值的大小，從圖中可以看出隨著負(fù)載增加，實際輸出電壓在減小，并且在各設(shè)定輸出電壓下，輸出電流為50%狀態(tài)下電壓偏差度最小。

4 結(jié)語

本文詳細(xì)闡述了一種基于自動控制系統(tǒng)開發(fā)軟件組態(tài)王的非車載充電機檢測平臺，對平臺的硬件電路設(shè)計、通信設(shè)計做了詳細(xì)論述，并對檢測平臺的測試流程及測試方案進(jìn)行了分析，最后給出了諧波電流實驗、穩(wěn)壓精度實驗2個典型實驗的實驗結(jié)果分析，驗證了該檢測平臺的實用性。本檢測平臺結(jié)構(gòu)合理，自動化程度高，可以在很大程度上提高充電機檢測的效率和準(zhǔn)確性，具有推廣應(yīng)用價值。

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Installation and Practice for Detection Platform of Electric Vehicle Off-board Charger

LIU Yali1，LI Guodong1，HU Bo2，ZHAO Xin3，CHE Yanbo2，TENG Wen2
（1.Tianjin Electric Power Corporation Electrical Power Research Institute of State Grid，Tianjin 300384，China；2.School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China；3.The Marketting Department，Tianjin Electric Power Corporation of State Grid，Tianjin 300010，China）

In order to promote and regulate the electrical properties of off-board charger and provide the method of performance testing，the platform of electric vehicle off-board charger based on KingView is established.A detailed description of hardware，communication design，test plan and test interface are raised in this paper.The platform can carry out four kinds of tests consist of security functions，output characteristics，insulation performance and harmonic current.Through analyzing the examples，the feasibility and practicality of the platform can be confirmed.

KingView；detecting platform of electric vehicle；automated testing；communication driver；testing experiment

TM72

A

1003-8930（2015）11-0098-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.11.016

劉亞麗（1984—），女，碩士，工程師，研究方向為電能質(zhì)量及新能源技術(shù)。Email：liuyali_sdu@163.com

2014-04-04；

2014-07-16

李國棟（1978—），男，碩士，高級工程師，研究方向為電能質(zhì)量及新能源技術(shù)。Email：tjLGD@163.com

胡波（1989—），男，碩士研究生，研究方向為電力電子技術(shù)研究。Email：lovegerrard@163.com