交直流充電樁檢測系統(tǒng)關鍵技術*

顏濤

(云南電網(wǎng)有限責任公司 昆明 650011)

0 引言

隨著電動汽車的普及，配套的充電基礎設施同樣分布廣泛[1-2]。國家發(fā)改委等《電動汽車充電基礎設施發(fā)展指南(2015—2020年)》顯示，到2020年，建成集中充換電站1.2萬座，分散充電樁480萬個[3]。為了確保充電設施能正常運行且能對電動汽車充電計量準確，充電樁的運行維護非常必要。由于缺乏現(xiàn)場交付驗收規(guī)范，大量充電樁在投運后，存在自身設備故障導致無法充電的情況，且部分充電樁還存在絕緣安全隱患[4-5]。充電樁檢測系統(tǒng)可以解決上述問題。

現(xiàn)有的充電樁檢測系統(tǒng)，自動化程度不高，交流檢測和直流檢測集成度不夠，無法實現(xiàn)充電樁全部實驗的自動化測量。為了解決上述問題，研制自動化程度高的交流和直流一體式充電樁檢測系統(tǒng)，多功能檢測系統(tǒng)可及時發(fā)現(xiàn)直流和交流充電樁故障并檢測充電計量的準確性，保證充電樁的正常使用。

1 系統(tǒng)總體設計

充電樁檢測系統(tǒng)包括交直流充電模擬器、NI電參量綜合分析儀、交流負載和直流負載等。研制的檢測系統(tǒng)，配置電能質(zhì)量分析儀，在60 kW及以下，可以對交流充電樁和直流充電樁進行性能和計量準確性進行檢測，所試驗項目符合標準和規(guī)范要求[6-7]。交直流模擬器通過485總線控制交直流負載。直流模擬器、交流模擬器、NI測試儀器、電能質(zhì)量分析儀、無線接收器及測試計算機組成局域網(wǎng)絡，由計算機軟件整體控制。

2 交直流充電模擬器

2.1 直流充電模擬器模擬電路設計

(1)電池模擬電壓源設計

充電樁在控制導引過程中，必須檢測到有蓄電池電壓并且在樁體輸出電壓范圍內(nèi)，才會有充電輸出。直流充電模擬器模擬蓄電池電壓，應確保充電樁直流輸出損壞模擬源。根據(jù)國家標準，設計2種模擬源300 V和600 V[8]，滿足各種充電樁的試驗需求。直流高壓電源模擬電路設計如圖1所示，采用二極管單相導通電路對模塊進行并聯(lián)電壓保護。

圖1 直流高壓電源模擬電路

(2)控制導引電路設計

控制導引電路中充電樁端連接確認CC1檢測點1接入電阻1 kΩ或者接入可調(diào)電阻，車輛端連接確認CC2檢測點2設計12 V電源通過1 kΩ電阻接入到槍端?？刂茖б娐穼崿F(xiàn)如下功能：測試正常充電；測試車輛接口斷開，正常充電過程中模擬斷開CC1；測試保護接地導體的連續(xù)性丟失，充電過程中模擬接地線E-GND丟失?？刂茖б妷合拗禍y試，通過調(diào)整R4的電阻，分別進行限值內(nèi)測試，超限值測試和車端電阻最值測試。

(3)絕緣故障測試設計

絕緣故障測試選用測試電阻Rt，分別在充電直流回路DC+與PE之間或DC-與PE之間進行非對稱絕緣測試、DC+與PE之間和DC-與PE之間進行對稱絕緣測試，測試電壓為非車載充電機的額定輸出電壓[9]；測試結(jié)束后如需繼續(xù)測試，必須重新設置測試參數(shù)并啟動非車載充電機在自檢階段進行測試；100 Ω/V

(4)采樣電路設計

由于充電樁的控制導引回路均采用低端接地的方式，為避免大地對高精度采樣帶來誤差影響，使用線性隔離方式進行信號處理。采用汽車用高線性度線性隔離芯片ACPL-C87BT，再通過差分電路進行采樣。各采樣點的模擬采樣電路設計見圖2。

圖2 CC1，CC2電壓檢測模擬電路設計

圖2中，為了不影響CC1，CC2本身回路的控制導引電壓，通過高輸入阻抗的AD620差分運放接入，再通過6∶1分壓電路轉(zhuǎn)換為0～2 V，將CC1，CC2電壓低端大地與AD采樣回路的地進行線性隔離，再通過AD620差分運放接入到數(shù)字電路的AD采樣芯片。

輔助電源電壓模擬采樣回路如圖3所示，由于輔助電源12 V是給車載控制供電使用，不承擔控制導引作用，因此采用6∶1電阻分壓方式，通過線性隔離接入到AD采樣芯片。

圖3 輔助電源電壓模擬采樣回路

圖4中，充電樁輸出電壓范圍為200～1 000 V，因此采用高精度的500∶1的分壓電路，將電壓轉(zhuǎn)換為0.4～2 V，通過線性隔離接入到AD采樣芯片。

圖4 充電樁輸出電壓模擬采樣回路

圖5中，充電樁輸出電流范圍為0～250 A，傳感器變比為1 500∶1，將充電樁輸出電流轉(zhuǎn)換為0～166.7 mA，因此采用10 Ω的采樣電阻轉(zhuǎn)換為0～1.67 V的電壓信號。傳感器本身一二次電流隔離，不需要再通過線性隔離處理，直接通過2倍同相放大電路接入AD采樣芯片。

圖5 充電樁輸出電流模擬采樣回路

2.2 交流充電模擬器模擬電路設計

(1)充電機控制導引電路設計

控制導引電路設計模擬車端連接確認12 V電源，串接1 kΩ電阻接入到充電樁的槍端。設定R2阻值1.3 kΩ，R3阻值2.74 kΩ，樁端的連接確認CP接入二極管后接入R2、R3。

(2)充電樁輸出采樣處理

充電樁輸出接入到交流可調(diào)負載，電壓由NI分析儀直接采樣，電流采用100 A/2 A的電流互感器進行采樣，然后將0～2 A信號傳送給NI分析儀。

(3)CP回路電壓限值測試電路設計

根據(jù)規(guī)程要求，需對CP回路的檢測點1進行限值內(nèi)測試、超限值測試和車端電阻最值測試。采用電子電位計的方式進行電阻的連續(xù)可調(diào)，R2、R3的阻值控制如表1所示[8-9]。

表1 超限值測試阻值設置

(4)采樣電路設計

由于充電樁的控制導引回路均采用低端接地的方式，為避免大地對高精度采樣帶來誤差影響，采用線性隔離芯片進行信號處理，再通過差分電路進行采樣。各采樣點的模擬采樣電路設計如圖6所示。

圖6 檢測點模擬電路設計

信號通過高輸入阻抗的差分運放AD620后，通過6∶1的分壓電路將信號轉(zhuǎn)變?yōu)?～2V，線性隔離后，再通過差分運放放大1.2倍，接入到AD采樣芯片，充電樁輸出電壓采樣電路見圖7。

圖7 充電樁輸出電壓采樣電路

充電樁輸出三相電壓通過400 V/0.5 V 電壓互感器轉(zhuǎn)換為0～0.5 V信號，輸出電流通過100 A/0.1 A轉(zhuǎn)換為0～0.1 A信號，再通過10 Ω取樣電阻，轉(zhuǎn)換為0～1 V信號，通過運算放大濾波處理接入到AD采樣芯片，充電樁輸出電流采樣電路見圖8。

圖8 充電樁輸出電流采樣電路

2.3 充電模擬器數(shù)字電路設計

(1)數(shù)字板設計

數(shù)字板是整個系統(tǒng)的控制核心，控制著AD采樣、串口通信、DA輸出等外設，內(nèi)部也有嚴格復雜的運算。為了保證系統(tǒng)的精度和運算速度，主控CPU選用TI的16位DSP TMS320F28335[10]，選用AD7616采樣芯片。直流和交流充電模擬器開發(fā)界面顯示如圖9。

(a)直流

(2)觸摸板串口變量參數(shù)

選用迪文K600觸摸屏進行顯示功能的開發(fā)，觸摸屏串口指令共有以下幾種類型包含查詢指令、返回指令、寫數(shù)據(jù)指令，以查詢指令為例，如下。

查詢指令：比如通過串口查詢觸摸屏上地址開始為0010后的1個數(shù)據(jù)，指令為A5 5A 04 83 0000 010001。指令解釋：

A5 5A為固定幀頭；

04為其后的指令字節(jié)數(shù)目；

83為指令類別，表示對觸摸屏數(shù)據(jù)存儲器的讀操作(具體指令類別根據(jù)觸摸屏的操作空間定義)；

0000為查詢開始的觸摸屏地址；

01為要查詢的地址數(shù)目；

0001為查詢的數(shù)據(jù)信息。

(3)觸摸屏各變量地址設計

觸摸屏變量可分為以下幾種類型：頁面變量，參數(shù)變量，顯示變量，操作命令變量4種類型。其中，頁面變量為觸摸后頁面發(fā)生跳轉(zhuǎn)同時將返回指令自動上傳至串口通訊；參數(shù)變量是需要DSP通過串口發(fā)送查詢指令后，再從串口返回相應命令；顯示變量是只需DSP通過串口發(fā)送寫數(shù)據(jù)指令后直接顯示在觸摸屏；操作命令變量是觸摸后將返回指令自動上傳至串口通訊。

3 基于虛擬儀器的電參量綜合分析儀

NI電參量綜合分析儀在檢測中起著關鍵作用，上位機發(fā)送控制指令通過綜合分析儀負責接收，采集數(shù)據(jù)并進行分析處理。

3.1 NI電參量綜合分析儀設計

綜合分析儀選用PCI-6221卡作為信號采集卡[11-12]，最大輸入范圍±1 000 V，單通道最大采樣率250 kS/s。PCI總線方式和工控機結(jié)合起來使用，將采集的數(shù)據(jù)送入工控機處理。示波器板卡采用NI PXI-5114，采樣率250 M/s，最高支持帶寬125 MHz，滿足直流紋波20 MHz、交流PWM波100 MHz帶寬的測試要求。

由于直流充電樁高達750 V，交流充電樁也達到220 V，因此，高壓信號不能直接接入示波器采集卡，需要通過電壓互感器進行電壓變換，進入采集卡的電壓輸入范圍。采集數(shù)據(jù)通過電壓互感器變比的換算得到實際電壓[5]。

選用濾波器濾除噪聲和干擾[13-14]。電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，故障電壓和電流信號中含有基頻正弦分量和其他頻率成分，由此，電壓和電流的采樣值中還含有其他成分的頻率信號采樣值。使用故障錄波算法時，獲得的電壓和電流采樣值不能直接使用[15]。通過數(shù)字濾波器濾波，單獨提取故障電氣量中的基波或某一次諧波分量的采樣值才能用于診斷故障。

監(jiān)測量主要包括現(xiàn)行國家標準中對電能質(zhì)量5項指標：系統(tǒng)頻率；電壓、電流有效值；電壓、電流偏移；電壓波動值；電壓、電流的各次諧波分量[16-17]。此外，監(jiān)測量還包括有功功率、無功功率、功率因數(shù)、視在功率和故障電壓波形等基本量[18]。

3.2 LabVIEW軟件架構

LabVIEW軟件功能齊全，適用于充電樁檢測系統(tǒng)架構，軟件功能包含波形記錄、數(shù)字濾波、頻率偏差計算、通信模塊等[5]。

檢測系統(tǒng)采集諧波次數(shù)多達100次，數(shù)據(jù)采樣頻率設定為10 kHz[5]。選用卡爾曼濾波，將暫態(tài)信號中的基頻分量當有效成分，將暫態(tài)信號中的高、低次諧波和衰減直流分量視為噪聲[19]，用估值算法對某個時刻的狀態(tài)進行估計，濾波模型為

(1)

式(1)經(jīng)過離散后測量信號為

(2)

式中，Ts=1/Nfs為采樣時間，N為采樣率，vk為測量噪聲分量。

充電樁檢測系統(tǒng)進行故障判斷，首先進行程序初始化，模塊接收數(shù)據(jù)，啟動故障錄波，當發(fā)生故障時，故障判斷模塊發(fā)出判斷信號，故障記錄模塊記錄故障[5]，計算模塊分別對各參量進行計算。

4 負載計算和設計

4.1 負載計算并進行充電輸出誤差測試

對負載分別進行恒壓和恒流模式下充電輸出誤差測試。充電樁設置恒壓模式，負載設置為恒流模式進行拉載，測試充電樁在某個負載電流下電壓輸出誤差。負載箱不斷檢測充電樁輸出電壓，根據(jù)人為設定電流，不斷調(diào)節(jié)阻抗，直到輸出電壓趨于穩(wěn)定。以700 V、250 A直流充電樁充電輸出電壓誤差試驗為例，測量點為350 V、525 V、700 V在拉載125 A時輸出電壓誤差。取525 V、125 A計算如表2所示。

表2 負載恒流模式

非車載充電機恒壓模式下充電輸出誤差測試流程示例如下，測試充電樁恒壓輸出525 V電壓誤差，發(fā)送525 V、125 A到負載，負載根據(jù)電壓指令切換電阻，當電流穩(wěn)定為125 A時，開始測量電壓輸出誤差，電流不能穩(wěn)定為125 A，則檢測當前電壓發(fā)送給負載，負載重新根據(jù)電壓指令切換電阻，直至電流穩(wěn)定為125 A，再開始測量電壓輸出誤差。

充電樁設置恒流模式，負載設置為恒壓模式進行拉載，測試充電樁在某個負載電壓下電流輸出誤差。負載箱不斷檢測充電樁輸出電流，根據(jù)人為設定電壓，不斷調(diào)節(jié)阻抗，直到輸出電流趨于穩(wěn)定。以700 V、250 A直流充電樁充電輸出電流誤差試驗為例，其測量點為恒流輸出50 A、125 A、250 A時，拉載使得輸出525 V，測量輸出電流誤差。以250 A、525 V為例計算如表3所示。

表3 負載恒壓模式

非車載充電機恒流模式下充電輸出誤差測試流程示例如下，測試充電樁恒流輸出250 A電流誤差，發(fā)送525 V、250 A到負載，負載根據(jù)電流指令切換電阻，當電壓穩(wěn)定為525 V時，開始測量電流輸出誤差，電壓不能穩(wěn)定為525 V時，則檢測當前電流發(fā)送給負載，負載重新根據(jù)電流指令切換電阻，直至電壓穩(wěn)定為525 V時，開始測量電流輸出誤差。

4.2 負載設計

按照負載計算，設計10 A負載模塊，選用500 W功率電阻進行串并聯(lián)。負載控制結(jié)構設計采用充電樁測試儀或上位機，通過485總線方式連接負載中控箱，負載中控箱通過485總線控制0.1 A負載箱、0.5 A負載箱、1 A負載箱、5 A負載箱、10 A負載箱1、10 A負載箱2、10 A負載箱n等。

5 現(xiàn)場應用

研制的充電樁檢測系統(tǒng)和電能質(zhì)量分析儀，通過車載，在某省內(nèi)已投運的交流和直流充電樁進行性能檢測和計量檢定試驗，現(xiàn)場應用效果良好，檢測規(guī)范符合標準要求。

6 結(jié)論

隨著電動車的普及，充電樁的運行維護意義重大。本文研制的充電樁檢測系統(tǒng)，完成直流和交流模擬器、充電模擬器數(shù)字電路、基于虛擬儀器的電參量綜合分析儀以及交流負載、直流負載的設計及制造，配置電能質(zhì)量分析儀，車載移動實現(xiàn)集成自動化測量，能及時發(fā)現(xiàn)交流和直流充電樁故障及絕緣安全隱患，且能保證充電樁對電動車充電計量的準確性，已在現(xiàn)場實施了應用，應用效果好。