交流充電樁沖擊電流測試平臺(tái)設(shè)計(jì)

謝鵬飛，唐德平，黃才能，彭凱

（合肥科威爾電源系統(tǒng)股份有限公司，安徽合肥，230093）

隨著新能源電動(dòng)汽車的發(fā)展，交流充電樁的使用越發(fā)普及，而交流充電樁充電過程中對于配電網(wǎng)的影響也逐步受到關(guān)注[1]。依據(jù)IEC標(biāo)準(zhǔn)[2~4]和ISO標(biāo)準(zhǔn)[5]對于交流沖擊測試的規(guī)范，本文提出了一種利用電力電子開關(guān)技術(shù)的測試平臺(tái)方案，研制了一款滿足交流充電樁輸入沖擊電流的測試平臺(tái)。所采用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法，保證了測試過程的精準(zhǔn)、可控。

1 測試系統(tǒng)方案的設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

交流充電樁沖擊電流測試平臺(tái)是驗(yàn)證交流充電樁在啟動(dòng)工作過程中，在電網(wǎng)輸入端產(chǎn)生一個(gè)短時(shí)沖擊電流，用于驗(yàn)證被試交流充電樁的承受能力。

IEC61439-7標(biāo)準(zhǔn)[2]提供了一個(gè)理論的測試波形，要求在最大允許的T1時(shí)間（20μs）內(nèi)，電流能夠迅速達(dá)到200A±10A，峰值電流不超過230A，在峰值電流后，電流能夠在30μs +20μs范圍內(nèi)，恢復(fù)到66A±3A。如圖1所示。

圖1 IEC標(biāo)準(zhǔn)的參考沖擊電流波形

交流充電樁沖擊電流測試平臺(tái)包含鎖相采樣電路、開關(guān)控制單元、主控單元以及RLC負(fù)載，主電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)如圖2所示。測試平臺(tái)在交流充電樁輸出搭建兩條回路，分別是S1/R2回路和RLC負(fù)載回路。其中，S1/R2回路模擬交流充電樁的額定負(fù)載電流，而RLC負(fù)載回路是模擬交流充電樁啟動(dòng)工作過程的沖擊電流，利用IGBT實(shí)現(xiàn)沖擊電流的可控接入和斷開。

圖2 交流充電樁輸入沖擊電流測試平臺(tái)主回路拓?fù)?/p>

主電路特點(diǎn)如下：

（1）通過鎖相采樣電路，檢測輸入電網(wǎng)的相位和幅值、頻率，并將采樣數(shù)據(jù)反饋主控制單元；

（2）主控制單元根據(jù)采集的電壓、頻率，控制RLC負(fù)載單元的投切。其中感性負(fù)載L1主要影響電流的爬升時(shí)間，阻性負(fù)載R1主要影響沖擊的峰值電流，容性負(fù)載C1主要影響放電過程的持續(xù)時(shí)間；

（3）主控制單元根據(jù)鎖相電路，使能IGBT開關(guān)在電網(wǎng)電壓設(shè)定相位的時(shí)刻導(dǎo)通，產(chǎn)生沖擊電流，并且沖擊測試后切斷IGBT開關(guān)，并進(jìn)行能量泄放；

（4）負(fù)載R2為交流充電樁的額定負(fù)荷，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，通常不低于30A(rms)。

1.2 控制回路設(shè)計(jì)

鎖相采樣電路包括電壓幅值采樣電路和鎖相電路設(shè)計(jì)，電壓幅值采樣電路如圖3所示，元件T400選用LEM的LV 25-P霍爾傳感器，鎖相采樣電路設(shè)計(jì)如圖4所示，通過二階濾波設(shè)計(jì)和運(yùn)放回路設(shè)計(jì)，將交流電壓信號轉(zhuǎn)變成電平翻轉(zhuǎn)信號，從而捕捉電網(wǎng)電壓的頻率和過流相位點(diǎn)。鎖相采樣電路將電壓采樣信號和鎖相采樣信號通過模擬量傳遞給主控單元。

圖3 電壓幅值采樣回路

圖4 鎖相回路

主控制單元采用DSP28335作為主控制器，該DSP是一款高速浮點(diǎn)型數(shù)字信號處理器，具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元，具備精度高、成本低、功耗小、性能高、A/D轉(zhuǎn)換更精確快速等優(yōu)點(diǎn)[6]。DSP主控制單元根據(jù)鎖相采樣電路，識別輸入電網(wǎng)的幅值、頻率和相位捕捉，通過已經(jīng)建立的數(shù)據(jù)庫，配置R2負(fù)載和RLC負(fù)載的阻值、感值和容值，再根據(jù)上位機(jī)設(shè)定的相位角度，驅(qū)動(dòng)IGBT開關(guān)在設(shè)定時(shí)刻導(dǎo)通和關(guān)斷。系統(tǒng)的邏輯控制回路如圖5所示。

圖5 交流充電樁輸入沖擊電流測試平臺(tái)控制回路

1.3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)平臺(tái)基于交流充電樁額定負(fù)載的基礎(chǔ)上，搭建一個(gè)沖擊回路的負(fù)載。本系統(tǒng)平臺(tái)的目標(biāo)是控制通過控制沖擊回路上電阻、電感、電容的配置，滿足對于沖擊電流波形曲線的要求，同時(shí)利用IGBT開關(guān)μs級動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，可以在任意相位角度下實(shí)現(xiàn)精確的沖擊控制。

整個(gè)測試過程是一個(gè)瞬態(tài)特性，交流電壓不同相位角度下，電壓的幅值都不相同，對于同樣配置的電阻、電感、電容負(fù)載，所產(chǎn)生的沖擊電流和曲線都不一樣，因此，RLC負(fù)載的配置需要根據(jù)輸入電網(wǎng)的電壓、頻率、以及設(shè)定的相位角度來確定。

因此，系統(tǒng)平臺(tái)首先會(huì)依據(jù)鎖相采樣電路和設(shè)定的測試相位角度，完成RLC負(fù)載的配置，再依次控制S1開關(guān)和IGBT開關(guān)的動(dòng)作，完成沖擊電流測試過程。軟件控制邏輯圖如圖6所示。

圖6 交流充電樁輸入沖擊電流測試平臺(tái)軟件控制邏輯圖

2 仿真平臺(tái)

按照系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，搭建仿真平臺(tái)如圖7所示。

圖7 交流充電樁輸入沖擊電流測試軟件仿真平臺(tái)

上述仿真平臺(tái)中，Series RLC Branch2模擬被測的交流充電樁；Series RLC Branch1控制額定帶載電流，控制在30A~32A的額定交流電流；Series RLC Branch通過配置不同的RLC負(fù)載，滿足不同電壓相位角、以及市電的不同工況幅值下沖擊電流的大小、上升時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間。系統(tǒng)通過IGBT控制沖擊電流回路的接入和關(guān)斷。

通過仿真平臺(tái)，為交流充電樁沖擊電流測試平臺(tái)建立了在不同電壓環(huán)境、不同相位角度、不同被試件內(nèi)部阻抗工況下的仿真配置數(shù)據(jù)庫。部分仿真配置數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 部分仿真配置數(shù)據(jù)

3 仿真結(jié)果分析

利用研制的交流充電樁輸入沖擊電流測試平臺(tái)，對于交流充電樁不同相位角度下的沖擊電流進(jìn)行仿真測試，圖8和圖9為相位角90°時(shí)的交流輸入沖擊電流仿真波形。從仿真波形可以看出，沖擊電流發(fā)生在相位角90°的位置，而LEM的霍爾傳感器采樣延時(shí)時(shí)間40μs，控制開關(guān)IGBT的上升延時(shí)時(shí)間0.21μs，導(dǎo)通時(shí)間0.1μs，驅(qū)動(dòng)回路的硬件延時(shí)時(shí)間小于2μs，因此產(chǎn)生的相位誤差延時(shí)可以控制在50μs內(nèi)，等效的相位誤差是0.9°。

圖8 90°相位角沖擊電流的仿真波形

圖9 展開的沖擊電流全過程仿真波形

同時(shí)，沖擊電流在11μs時(shí)刻達(dá)到了200A，符合20μs內(nèi)達(dá)到200A±10A的要求。峰值電流達(dá)到225A，小于230A的峰值限值。在達(dá)到峰值電流后50μs，恢復(fù)到65A，滿足標(biāo)準(zhǔn)對于66A±3A的要求。

圖10 為相位角45°時(shí)的沖擊電流仿真波形，從仿真結(jié)果來看，沖擊電流在17μs時(shí)達(dá)到了200A，峰值電流達(dá)到220A，在達(dá)到峰值電流后50μs，恢復(fù)到68A，滿足測試標(biāo)準(zhǔn)的精度要求。

圖10 45°相位角下的沖擊電流全過程仿真波形

仿真結(jié)果證明，測試的波形符合IEC標(biāo)準(zhǔn)和ISO標(biāo)準(zhǔn)對于測試波形曲線的精度要求。測試平臺(tái)可以精確控制沖擊電流的觸發(fā)相位角度，控制精度小于1°，可以控制峰值電流小于230A，電流爬升時(shí)間滿足20μs內(nèi)可達(dá)200A的要求，同時(shí)可以保證電流在50μs從峰值電流恢復(fù)到66A±3A。

4 結(jié)束語

應(yīng)用電力電子技術(shù)，研制一種新型的交流充電樁沖擊電流測試平臺(tái)，通過軟硬件設(shè)計(jì)，能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對于沖擊電流波形曲線的全過程控制，可以廣泛應(yīng)用于交流充電樁在不同電網(wǎng)環(huán)境下的研發(fā)測試、品質(zhì)檢測、以及第三方檢驗(yàn)的需求。