黄建钟

(深圳市星龙科技股份有限公司,广东,深圳 518052)

0 引言

《NB/T33001-2018电动汽车非车载传导式充电机技术条件》要求非车载传导式充电机(以下简称直流充电桩)当实际输出功率达到50%以上时充电效率要达到93%以上,充电效率是直流充电桩最重要的指标之一,由于380 V电网的电压的谐波失真度最高可达5%,这样使用交流功率表和直流电压、电流表独立测量(以下简称分体式测量方案)[1]。

由于测量信号不完全在同一时间内,无法准确地检测直流充电桩的效率,假如使用三相稳压电源,可以提高分体式测量方案的准确度,但是三相稳压电源价格昂贵(数十万级别),并且随着测量准确度的提高,对三相稳压电源稳定度要求更高,根据计量的通用准则,测量准确度要是达到0.1%[2],则稳压源的稳定度要达到0.02%,对于大功率(60 kW～240 kW)的稳定度达到0.02%的稳压电源通用商品难以采购,同时直流充电桩的直流输出功率也需要非常稳定,按照国家标准《NB/T33001-2018电动汽车非车载传导式充电机技术条件》直流充电桩的稳压精度为0.5%,稳流精度为1%[3],也无法满足高准确度充电效率的检测要求。

针对上述技术的不足,本文进行以下设计。

1 计量检定系统总体架构设计

本文研制了一种基于瞬时有功同步原理的直流充电桩效率检测装置,能保证交流功率和直流功率能够在信号us级别进行同步测量,无论电网的电压的谐波失真度有多高,无论直流充电桩的稳压和稳流准确度多低,均能准确测量直流充电桩的效率,测量准确度优于0.1级,为准确测量直流充电桩的充电效率,促进直流充电桩厂家降低充电机的整机损耗,提升能效利用率,减少能源浪费具有巨大推进作用[4]。

直流充电桩效率检测方法如图1所示。

注:1-交流供电插座;2-电源模块;3a/3b/3c-电流互感器;4-电压分压电阻网络;5a/5b/5c-电流电压转换模块;6-交流供电插座;7a/7b/7c/7 d-电压跟踪模块;8-交流瞬时有功测量电路;9-直流瞬时有功测量电路;10-AD 采集电路;11-BF533芯片及其外设;12-键盘KEY;13-显示LCD;14-电压放大器;15-直流零磁通互感器;16-直流充电桩;17-直流分压电阻 R7;18-R8;19-分流器R0

本研究方法通过基于三相硬件乘法器原理的交流瞬时有功测量电路。把三相交流有功功率的瞬时值变成一个随时间改变的直流信号Pac(t),同时通过硬件乘法器原理的直流瞬时有功测量电路,把直流充电桩输出的直流功率变成随时间改变的直流信号Pdc(t),Pac(t)和Pdc(t)均为波动的直流信号,通过完全同步的AD,使用1MSPS的采样率进行同步采样,保证交流和直流的功率严格同步,可保证在三相供电不稳定和直流充电桩直流输出不稳定时[5],均能准确测量出充电桩的效率。

本文将交流供电插座1、6表示为串接到直流充电桩的交流回路的插座,电流互感器 3a、3b、3c 采用2个0.01级的零磁通电流互感器,两个零磁通电流互感器的变比为40 000∶1,即400 A电流输入,二次输出 10 mA。电源模块 2采用+/-15 V 和 5 V输出的开关小电源,电流输出0.5A[6-7]。电压分压电阻网络4 采用 1ppm温漂、0.01%准确的的高稳定电阻,分压比为40:1,也就是200 V的电压输入,二次输出5 V。电流电压转换模块 5由运放OPA2277 U5和 0.01%准确的 RF电阻(1ppm温漂)组成、RF电阻阻值为 500 Ω。对于10 mA的电流输出转换为 5 V电压输出。交流瞬时有功测量电路自动把三相交有功功率转换为一个带纹波的直流输出信号Pac,直流瞬时有功测量电路自动把充电桩的直流[8]输出转换为一个带纹波的直流输出信号Pdc。BF533芯片及其外设控制AD采集电路按1MSPS的采样率[9],同步采样交流有功功率Pac和直流有功功率Pdc。同步采样的点数N达到10 000点,然后计算充电桩的充电桩效率η。BF533芯片及其外设把充电效率通过显示LCD进行显示,检测到结束命令退出。下面对本研究的关键技术进行设计。

2 关键技术分析

2.1 电压分压电阻网络

这里的研究方法把三相交流电压信号缩小40倍输入到交流瞬时有功测量电路的Y1a、Y1b、Y1c、Y2a、Y2b、Y2c的输入端子上,三相电流通过电流互感器 3a/3b/3c缩小40 000倍输入到电流电压转换模块 5a/5b/5c上,电流电压转换模块的输出连接到交流瞬时有功测量电路 的X1a、X1b、X1c、X2a、X2b、X2c的输入端子上。假设充电桩的交流电压输入为Ua、Ub、Uc,电流输入为Ia、Ib、Ic,则交流瞬时有功测量电路的输出。其中存在关系式:

(1)

式(1)中,40表示电阻网络分压比,40 000表示电流互感器变比,500表示电流电压变换器5的RF阻值。然后将式(1)继续改造,则有:

(2)

通过式(2)将交流瞬时有功测量电路 8的输出为三相交流电压电流的有功功率。直流充电桩输出电压经过R7 17、R8 18、缩小200倍后经过电压跟踪模块,输出到直流瞬时有功测量电路、直流充电桩输出电流经过零磁通互感器,数据信号被缩小1000倍后,通过分流器R0变换为电压,分流器的阻值为2 Ω,在经过电压放大器放大5/0.48倍后输出到直流瞬时有功测量电路[10]。其中直流瞬时有功测量电路的输出如式(3)所示:

(3)

式(3)中,200表示R7/R8的分压比,也就是直流电压的分压比,1000表示直流零磁通互感器的变比,2表示为分流器的阻值,5/0.48表示电压放大模块的放大倍数,实现240 A的对应电路转换为5 V 的电压。其中BF533芯片控制A/D采集电路,并同时对交流瞬时有功测量电路的输出Pac和直流瞬时有功测量电路的输出Pdc的直流电压按采样率为1MSPS进行同步采样。并且每秒钟计算一次效率对于三相交流有功功率的瞬时值实际上等于三相有功功率的平均值,也就是在理想的情况下Pac输出为一个恒定的直流,由于实际电压波动和三相不平衡,Pac为带纹波的直流输出信号。

设电压和电流的瞬时值为

(4)

则A相有功功率的瞬时值

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

(5)

同理B相和C相的有功功率的瞬时值为

pB=uBiB=UIcosφ+UIcos[(2ωt-240°)-φ]

pC=uCiC=UIcosφ+UIcos[(2ωt+240°)-φ]

(6)

所以三相瞬时功率Pac(i) 可以为

p=pA+pB+pC=3UIcosφ

(7)

设

Paci=p(i)

(8)

则有:

(9)

式(9)中,Paci表示交流瞬时有功采样点,Pdci表示直流瞬时有功采样点,N表示一秒钟的采样点数,其中N=100万=1 000 000;则充电机效率根据式(10)进行计算:

(10)

式(10)中,η表示效率,Pdc表示直流输出功率,Pac表示交流输入有功功率。

2.2 直流测试单元设计

本文通过精密的交流传感器(交流精密传感器价格低廉)和精密IV转换运放,把交流电流精确转换为AD转换的电压输入值。瞬时有功测量电路,如图2所示。

图2 瞬时有功测量电路

本文计算过程中,把三相交流有功功率的瞬时值变成一个随时间改变的直流信号Pac(t),同时通过硬件乘法器原理的直流瞬时有功测量电路,把直流充电桩输出的直流功率变成随时间改变的直流信号Pdc(t),Pac(t)和Pdc(t)均为波动的直流信号,通过完全同步的AD,使用1MSPS的采样率进行同步采样,保证交流和直流的功率严格同步,可保证在三相供电不稳定和直流充电桩直流输出不稳定时,均能准确测量出充电桩的效率。直流电能采集电路、采集电压变换二次直流电压Uv和电流变换后的直流电压Ui,通过BF533主板计算直流有功功率。BF533主板通过定时器(Timer1)采集被检的电能表的脉冲输出计算电能,并且与被标准表(本发明测试线)采样值计算的电能值做比较,计算出被检电能表的电能值。其中直流测试单元功能指标如表1所示。

表1 直流测试单元功能指标

3 试验结果与分析

实验室配置采用Intel i8双核计算机,显卡采用GTX1080Ti,运行内存为64 GB,储存内存为256 GB[8]。现场实验环境设置,实验对象为市场通用能源汽车,充电桩电压等级范围350～700 V。在此环境下进行实验,参数配置如表2所示。

表2 环境参数与配置软件

测试仪器设备性能指标如表3所示。

表3 测试仪器设备性能指标

通过5个小时的测试,采集到的数据信息如表4所示。

表4 数据采集信息示意表

为了衡量本文方法数据信息采集能力,采用交流电源进行数据采集时,输出纹波数据信息如图3所示。

图3 交流电纹波数据示意图

采用本研究方法的直流电纹波数据信息输出如图4所示。

图4 直流电纹波数据示意图

通过图3和图4可以看到,本文的方法通过采用直流电流后,纹波波形输出比较平稳。为了评定本文的充电桩充电效率,将文献[1]方法采用交流功率的方式和文献[2]方法非瞬时有功同步技术对采集到的电压、电流数据信息进行误差对比分析。电压测点如图5所示。

根据采集到的测点电压值,再对对应电流时间进行测量,输出如图6所示的对比示意图。

图6 电流测点示意图

通过图5和图6的对比示意图,可以看到不同方式的采集点的区别。在测量功率误差时,将对应的点电流值与电压值乘积求值即可输出,为了分析误差,直接通过图7的曲线图形式表示。

图7 平台校准分析误差曲线

通过将本文方法与对比文献[1]方法和文献[2]方法进行对比,文献[1]方法设计的同步溯源方案最大校准误差为1.86%,在计量值为700 V时达到最大;文献[2]方法设计的Wiener泛函数校准平台在计量值为700 V时最大误差为1.64%。而本文方法整体误差最低,最大误差在计量值为460 V时校准误差为0.86%,在620 V出现最小误差为0.78%,之后在700 V恢复到最大误差。

4 总结

本文研究了基于硬件乘法器级联原理的三相交流有功功率的瞬时值硬件电路,实现交流有功功率能够在时域上进行快速精确获取,且输出为单一的直流信号,为双通道AD同步测量提供了us级别的交流有功功率信号(带纹波的直流信号Pac)。并设计了直流瞬时有功测量电路,实现直流带纹波的电压和电流有功功率在时域上进行快速精确获取,且输出为单一的直流信号,为双通道AD同步测量提供了us级别的直流有功功率信号(带纹波的直流信号Pdc)。通过对交流变换网络和直流变换网络的准确设计,实现直流功率的输出值和交流有功功率的输出的对应值完全一样,利用高速的高准确度AD进行同步采样,提高了计算直流充电桩的效率。