基于瞬時(shí)有功同步原理的直流充電樁效率檢測(cè)方法

黃建鐘

(深圳市星龍科技股份有限公司,廣東,深圳 518052)

0 引言

《NB/T33001-2018電動(dòng)汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)技術(shù)條件》要求非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)(以下簡(jiǎn)稱直流充電樁)當(dāng)實(shí)際輸出功率達(dá)到50%以上時(shí)充電效率要達(dá)到93%以上,充電效率是直流充電樁最重要的指標(biāo)之一,由于380 V電網(wǎng)的電壓的諧波失真度最高可達(dá)5%,這樣使用交流功率表和直流電壓、電流表獨(dú)立測(cè)量(以下簡(jiǎn)稱分體式測(cè)量方案)[1]。

由于測(cè)量信號(hào)不完全在同一時(shí)間內(nèi),無(wú)法準(zhǔn)確地檢測(cè)直流充電樁的效率,假如使用三相穩(wěn)壓電源,可以提高分體式測(cè)量方案的準(zhǔn)確度,但是三相穩(wěn)壓電源價(jià)格昂貴(數(shù)十萬(wàn)級(jí)別),并且隨著測(cè)量準(zhǔn)確度的提高,對(duì)三相穩(wěn)壓電源穩(wěn)定度要求更高,根據(jù)計(jì)量的通用準(zhǔn)則,測(cè)量準(zhǔn)確度要是達(dá)到0.1%[2],則穩(wěn)壓源的穩(wěn)定度要達(dá)到0.02%,對(duì)于大功率(60 kW～240 kW)的穩(wěn)定度達(dá)到0.02%的穩(wěn)壓電源通用商品難以采購(gòu),同時(shí)直流充電樁的直流輸出功率也需要非常穩(wěn)定,按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《NB/T33001-2018電動(dòng)汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)技術(shù)條件》直流充電樁的穩(wěn)壓精度為0.5%,穩(wěn)流精度為1%[3],也無(wú)法滿足高準(zhǔn)確度充電效率的檢測(cè)要求。

針對(duì)上述技術(shù)的不足,本文進(jìn)行以下設(shè)計(jì)。

1 計(jì)量檢定系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本文研制了一種基于瞬時(shí)有功同步原理的直流充電樁效率檢測(cè)裝置,能保證交流功率和直流功率能夠在信號(hào)us級(jí)別進(jìn)行同步測(cè)量,無(wú)論電網(wǎng)的電壓的諧波失真度有多高,無(wú)論直流充電樁的穩(wěn)壓和穩(wěn)流準(zhǔn)確度多低,均能準(zhǔn)確測(cè)量直流充電樁的效率,測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于0.1級(jí),為準(zhǔn)確測(cè)量直流充電樁的充電效率,促進(jìn)直流充電樁廠家降低充電機(jī)的整機(jī)損耗,提升能效利用率,減少能源浪費(fèi)具有巨大推進(jìn)作用[4]。

直流充電樁效率檢測(cè)方法如圖1所示。

注:1-交流供電插座;2-電源模塊;3a/3b/3c-電流互感器;4-電壓分壓電阻網(wǎng)絡(luò);5a/5b/5c-電流電壓轉(zhuǎn)換模塊;6-交流供電插座;7a/7b/7c/7 d-電壓跟蹤模塊;8-交流瞬時(shí)有功測(cè)量電路;9-直流瞬時(shí)有功測(cè)量電路;10-AD 采集電路;11-BF533芯片及其外設(shè);12-鍵盤KEY;13-顯示LCD;14-電壓放大器;15-直流零磁通互感器;16-直流充電樁;17-直流分壓電阻 R7;18-R8;19-分流器R0

本研究方法通過(guò)基于三相硬件乘法器原理的交流瞬時(shí)有功測(cè)量電路。把三相交流有功功率的瞬時(shí)值變成一個(gè)隨時(shí)間改變的直流信號(hào)Pac(t),同時(shí)通過(guò)硬件乘法器原理的直流瞬時(shí)有功測(cè)量電路,把直流充電樁輸出的直流功率變成隨時(shí)間改變的直流信號(hào)Pdc(t),Pac(t)和Pdc(t)均為波動(dòng)的直流信號(hào),通過(guò)完全同步的AD,使用1MSPS的采樣率進(jìn)行同步采樣,保證交流和直流的功率嚴(yán)格同步,可保證在三相供電不穩(wěn)定和直流充電樁直流輸出不穩(wěn)定時(shí)[5],均能準(zhǔn)確測(cè)量出充電樁的效率。

本文將交流供電插座1、6表示為串接到直流充電樁的交流回路的插座,電流互感器 3a、3b、3c 采用2個(gè)0.01級(jí)的零磁通電流互感器,兩個(gè)零磁通電流互感器的變比為40 000∶1,即400 A電流輸入,二次輸出 10 mA。電源模塊 2采用+/-15 V 和 5 V輸出的開(kāi)關(guān)小電源,電流輸出0.5A[6-7]。電壓分壓電阻網(wǎng)絡(luò)4 采用 1ppm溫漂、0.01%準(zhǔn)確的的高穩(wěn)定電阻,分壓比為40:1,也就是200 V的電壓輸入,二次輸出5 V。電流電壓轉(zhuǎn)換模塊 5由運(yùn)放OPA2277 U5和 0.01%準(zhǔn)確的 RF電阻(1ppm溫漂)組成、RF電阻阻值為 500 Ω。對(duì)于10 mA的電流輸出轉(zhuǎn)換為 5 V電壓輸出。交流瞬時(shí)有功測(cè)量電路自動(dòng)把三相交有功功率轉(zhuǎn)換為一個(gè)帶紋波的直流輸出信號(hào)Pac,直流瞬時(shí)有功測(cè)量電路自動(dòng)把充電樁的直流[8]輸出轉(zhuǎn)換為一個(gè)帶紋波的直流輸出信號(hào)Pdc。BF533芯片及其外設(shè)控制AD采集電路按1MSPS的采樣率[9],同步采樣交流有功功率Pac和直流有功功率Pdc。同步采樣的點(diǎn)數(shù)N達(dá)到10 000點(diǎn),然后計(jì)算充電樁的充電樁效率η。BF533芯片及其外設(shè)把充電效率通過(guò)顯示LCD進(jìn)行顯示,檢測(cè)到結(jié)束命令退出。下面對(duì)本研究的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 電壓分壓電阻網(wǎng)絡(luò)

這里的研究方法把三相交流電壓信號(hào)縮小40倍輸入到交流瞬時(shí)有功測(cè)量電路的Y1a、Y1b、Y1c、Y2a、Y2b、Y2c的輸入端子上,三相電流通過(guò)電流互感器 3a/3b/3c縮小40 000倍輸入到電流電壓轉(zhuǎn)換模塊 5a/5b/5c上,電流電壓轉(zhuǎn)換模塊的輸出連接到交流瞬時(shí)有功測(cè)量電路 的X1a、X1b、X1c、X2a、X2b、X2c的輸入端子上。假設(shè)充電樁的交流電壓輸入為Ua、Ub、Uc,電流輸入為Ia、Ib、Ic,則交流瞬時(shí)有功測(cè)量電路的輸出。其中存在關(guān)系式:

(1)

式(1)中,40表示電阻網(wǎng)絡(luò)分壓比,40 000表示電流互感器變比,500表示電流電壓變換器5的RF阻值。然后將式(1)繼續(xù)改造,則有:

(2)

通過(guò)式(2)將交流瞬時(shí)有功測(cè)量電路 8的輸出為三相交流電壓電流的有功功率。直流充電樁輸出電壓經(jīng)過(guò)R7 17、R8 18、縮小200倍后經(jīng)過(guò)電壓跟蹤模塊,輸出到直流瞬時(shí)有功測(cè)量電路、直流充電樁輸出電流經(jīng)過(guò)零磁通互感器,數(shù)據(jù)信號(hào)被縮小1000倍后,通過(guò)分流器R0變換為電壓,分流器的阻值為2 Ω,在經(jīng)過(guò)電壓放大器放大5/0.48倍后輸出到直流瞬時(shí)有功測(cè)量電路[10]。其中直流瞬時(shí)有功測(cè)量電路的輸出如式(3)所示:

(3)

式(3)中,200表示R7/R8的分壓比,也就是直流電壓的分壓比,1000表示直流零磁通互感器的變比,2表示為分流器的阻值,5/0.48表示電壓放大模塊的放大倍數(shù),實(shí)現(xiàn)240 A的對(duì)應(yīng)電路轉(zhuǎn)換為5 V 的電壓。其中BF533芯片控制A/D采集電路,并同時(shí)對(duì)交流瞬時(shí)有功測(cè)量電路的輸出Pac和直流瞬時(shí)有功測(cè)量電路的輸出Pdc的直流電壓按采樣率為1MSPS進(jìn)行同步采樣。并且每秒鐘計(jì)算一次效率對(duì)于三相交流有功功率的瞬時(shí)值實(shí)際上等于三相有功功率的平均值,也就是在理想的情況下Pac輸出為一個(gè)恒定的直流,由于實(shí)際電壓波動(dòng)和三相不平衡,Pac為帶紋波的直流輸出信號(hào)。

設(shè)電壓和電流的瞬時(shí)值為

(4)

則A相有功功率的瞬時(shí)值

pA=uAiA=2UIcos (ωt)cos(ωt-φ)=UI[cosφ+cos (2ωt-φ]

(5)

同理B相和C相的有功功率的瞬時(shí)值為

pB=uBiB=UIcosφ+UIcos[(2ωt-240°)-φ]

pC=uCiC=UIcosφ+UIcos[(2ωt+240°)-φ]

(6)

所以三相瞬時(shí)功率Pac(i) 可以為

p=pA+pB+pC=3UIcosφ

(7)

設(shè)

Paci=p(i)

(8)

則有:

(9)

式(9)中,Paci表示交流瞬時(shí)有功采樣點(diǎn),Pdci表示直流瞬時(shí)有功采樣點(diǎn),N表示一秒鐘的采樣點(diǎn)數(shù),其中N=100萬(wàn)=1 000 000;則充電機(jī)效率根據(jù)式(10)進(jìn)行計(jì)算:

(10)

式(10)中,η表示效率,Pdc表示直流輸出功率,Pac表示交流輸入有功功率。

2.2 直流測(cè)試單元設(shè)計(jì)

本文通過(guò)精密的交流傳感器(交流精密傳感器價(jià)格低廉)和精密IV轉(zhuǎn)換運(yùn)放,把交流電流精確轉(zhuǎn)換為AD轉(zhuǎn)換的電壓輸入值。瞬時(shí)有功測(cè)量電路,如圖2所示。

圖2 瞬時(shí)有功測(cè)量電路

本文計(jì)算過(guò)程中,把三相交流有功功率的瞬時(shí)值變成一個(gè)隨時(shí)間改變的直流信號(hào)Pac(t),同時(shí)通過(guò)硬件乘法器原理的直流瞬時(shí)有功測(cè)量電路,把直流充電樁輸出的直流功率變成隨時(shí)間改變的直流信號(hào)Pdc(t),Pac(t)和Pdc(t)均為波動(dòng)的直流信號(hào),通過(guò)完全同步的AD,使用1MSPS的采樣率進(jìn)行同步采樣,保證交流和直流的功率嚴(yán)格同步,可保證在三相供電不穩(wěn)定和直流充電樁直流輸出不穩(wěn)定時(shí),均能準(zhǔn)確測(cè)量出充電樁的效率。直流電能采集電路、采集電壓變換二次直流電壓Uv和電流變換后的直流電壓Ui,通過(guò)BF533主板計(jì)算直流有功功率。BF533主板通過(guò)定時(shí)器(Timer1)采集被檢的電能表的脈沖輸出計(jì)算電能,并且與被標(biāo)準(zhǔn)表(本發(fā)明測(cè)試線)采樣值計(jì)算的電能值做比較,計(jì)算出被檢電能表的電能值。其中直流測(cè)試單元功能指標(biāo)如表1所示。

表1 直流測(cè)試單元功能指標(biāo)

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

實(shí)驗(yàn)室配置采用Intel i8雙核計(jì)算機(jī),顯卡采用GTX1080Ti,運(yùn)行內(nèi)存為64 GB,儲(chǔ)存內(nèi)存為256 GB[8]?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置,實(shí)驗(yàn)對(duì)象為市場(chǎng)通用能源汽車,充電樁電壓等級(jí)范圍350～700 V。在此環(huán)境下進(jìn)行實(shí)驗(yàn),參數(shù)配置如表2所示。

表2 環(huán)境參數(shù)與配置軟件

測(cè)試儀器設(shè)備性能指標(biāo)如表3所示。

表3 測(cè)試儀器設(shè)備性能指標(biāo)

通過(guò)5個(gè)小時(shí)的測(cè)試,采集到的數(shù)據(jù)信息如表4所示。

表4 數(shù)據(jù)采集信息示意表

為了衡量本文方法數(shù)據(jù)信息采集能力,采用交流電源進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí),輸出紋波數(shù)據(jù)信息如圖3所示。

圖3 交流電紋波數(shù)據(jù)示意圖

采用本研究方法的直流電紋波數(shù)據(jù)信息輸出如圖4所示。

圖4 直流電紋波數(shù)據(jù)示意圖

通過(guò)圖3和圖4可以看到,本文的方法通過(guò)采用直流電流后,紋波波形輸出比較平穩(wěn)。為了評(píng)定本文的充電樁充電效率,將文獻(xiàn)[1]方法采用交流功率的方式和文獻(xiàn)[2]方法非瞬時(shí)有功同步技術(shù)對(duì)采集到的電壓、電流數(shù)據(jù)信息進(jìn)行誤差對(duì)比分析。電壓測(cè)點(diǎn)如圖5所示。

根據(jù)采集到的測(cè)點(diǎn)電壓值,再對(duì)對(duì)應(yīng)電流時(shí)間進(jìn)行測(cè)量,輸出如圖6所示的對(duì)比示意圖。

圖6 電流測(cè)點(diǎn)示意圖

通過(guò)圖5和圖6的對(duì)比示意圖,可以看到不同方式的采集點(diǎn)的區(qū)別。在測(cè)量功率誤差時(shí),將對(duì)應(yīng)的點(diǎn)電流值與電壓值乘積求值即可輸出,為了分析誤差,直接通過(guò)圖7的曲線圖形式表示。

圖7 平臺(tái)校準(zhǔn)分析誤差曲線

通過(guò)將本文方法與對(duì)比文獻(xiàn)[1]方法和文獻(xiàn)[2]方法進(jìn)行對(duì)比,文獻(xiàn)[1]方法設(shè)計(jì)的同步溯源方案最大校準(zhǔn)誤差為1.86%,在計(jì)量值為700 V時(shí)達(dá)到最大;文獻(xiàn)[2]方法設(shè)計(jì)的Wiener泛函數(shù)校準(zhǔn)平臺(tái)在計(jì)量值為700 V時(shí)最大誤差為1.64%。而本文方法整體誤差最低,最大誤差在計(jì)量值為460 V時(shí)校準(zhǔn)誤差為0.86%,在620 V出現(xiàn)最小誤差為0.78%,之后在700 V恢復(fù)到最大誤差。

4 總結(jié)

本文研究了基于硬件乘法器級(jí)聯(lián)原理的三相交流有功功率的瞬時(shí)值硬件電路,實(shí)現(xiàn)交流有功功率能夠在時(shí)域上進(jìn)行快速精確獲取,且輸出為單一的直流信號(hào),為雙通道AD同步測(cè)量提供了us級(jí)別的交流有功功率信號(hào)(帶紋波的直流信號(hào)Pac)。并設(shè)計(jì)了直流瞬時(shí)有功測(cè)量電路,實(shí)現(xiàn)直流帶紋波的電壓和電流有功功率在時(shí)域上進(jìn)行快速精確獲取,且輸出為單一的直流信號(hào),為雙通道AD同步測(cè)量提供了us級(jí)別的直流有功功率信號(hào)(帶紋波的直流信號(hào)Pdc)。通過(guò)對(duì)交流變換網(wǎng)絡(luò)和直流變換網(wǎng)絡(luò)的準(zhǔn)確設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)直流功率的輸出值和交流有功功率的輸出的對(duì)應(yīng)值完全一樣,利用高速的高準(zhǔn)確度AD進(jìn)行同步采樣,提高了計(jì)算直流充電樁的效率。