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.國網天津市電力公司電力科學研究院，天津300384；2.天津大學電氣與自動化工程學院，天津300072；3.國網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.國網天津市電力公司電力科學研究院，天津300384；2.天津大學電氣與自動化工程學院，天津300072；3.國網天津市電力公司營銷部，天津300010）

為推動和規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手段，建立了基于組態王軟件的非車載充電機自動化檢測平臺。本平臺采用組態王軟件進行系統開發，圍繞組態王開發平臺進行外圍硬件設備的配置，設備驅動和通信的設計，并根據制定好的實驗方案進行系統人機界面及實驗操作的軟件設計。基于該平臺可開展安全功能、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。

組態王；充電機檢測平臺；自動化測試；通信驅動；測試實驗

充電機性能是電動汽車產業發展的重要支撐，關系著電動汽車和動力電池系統的安全。若充電機性能不達標，將會引起蓄電池充電時間異常、整車續航時間縮短、蓄電池使用壽命降低等問題。

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

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開發軟件組態王6.55設計開發了充電機檢測平臺。本平臺可靠性高、實時性強、界面友好、操作簡單、測試精度高，同時通過與平臺設備的通信實現非車載充電機遠程自動化測試。平臺具有強大的數據處理能力，以報表或者曲線形式展現測試結果，測試過程準確高效。

1 檢測平臺設計

1.1 平臺硬件設計

國家、企業各相關標準[6-8]均規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，結合現有標準及平臺搭建意義，本平臺設計可滿足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部分構成，即功率電路系統、檢測系統和監控系統，硬件結構如圖1所示。

圖1 平臺硬件結構Fig.1Hardware structure of platform

功率電路系統包括交流模擬電源、調壓電源、功率可調直流負載、電源選擇柜、開關切換柜、短路柜，模擬充電機不同運行工況。

檢測系統包括功率分析儀、數據記錄儀、示波器、電能質量測試儀及所需的傳感器設備，在充電機性能測試過程中實時量測各測量點電壓、電流數據，獲得充電機性能數據。

監控系統包括工控機、驅動程序、板卡及串行通信線纜等，實現充電機檢測的可視化和自動化，能夠實時監視充電機的狀態和遠程控制平臺設備進行充電機的測試。

1.2 平臺通信設計

本平臺采用組態王軟件開發，測試過程中平臺設備需要與組態王進行實時通信，組態王的驅動程序采用ActiveX技術，使通信程序和組態王構成一個完整的系統，保證運行系統的高效率，從而組成可以進行遠程控制的自動檢測平臺。

本平臺中組態王與I/O設備之間的數據交換采用串行通信和板卡兩種方式，平臺通信設計如圖2所示。電源選擇柜、開關切換柜、直流負載柜采用板卡通信模式，此模式需在組態王工程瀏覽器的設備節點中通過“板卡”項進行配置設備驅動，板卡插接在工控機的工業標準結構總線ISA（industrial standard architecture）擴展槽內，用戶通過訪問板卡的I/O地址與平臺設備進行數據交換；交流模擬電源和功率分析儀通過“COM”項進行配置設備驅動，串口設備通過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個串口通信設備。串口通訊不僅需要物理接口的連接還需要依據不同的設備采用不同的通訊配置，確定包括波特率、校驗方式、校驗位和數據位的個數等參數，設備和上位機組態王軟件必須配置一致才能實現正常通訊。

圖2 平臺通信設計Fig.2Communication design of platform

通過遠程通信方案可以遠程調節與監控輸入電源狀態，實現過壓、欠壓等不同電網狀況模擬；可以通過板卡通信遠程控制電源選擇柜和開關切換柜的開關，實現開關狀態自動切換；可以遠程在線調節直流負載的大小，模擬蓄電池充電的狀態，實現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的測量數據。

2 基于組態王的自動化檢測平臺

2.1 組態王功能分析

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

組態王開發軟件的功能特點有：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界面；②良好的開放性：組態軟件能與多種通信協議互聯，支持多種硬件設備，向下能與低層的數據采集設備通信，向上能與管理層通信，實現上位機與下位機的雙向通信；③豐富的功能模塊：完成實時監控產生功能報表、顯示歷史曲線、實時曲線、提供報警功能；④強大的數據庫：配有實時數據庫，可存儲各種數據，實現與外部設備的數據交換；⑤可編程的命令語言：擴充應用系統的功能，對應用系統進行最精確的控制；⑥周密的系統安全防護：對不同的操作者賦予不同的操作權限，保證整個系統的安全可靠運行；⑦仿真功能：提供強大的仿真功能使系統并行設計從而縮短開發周期[9]。文獻[10]曾經用組態王軟件開發了逆變器并網檢測平臺，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王6.55作為開發平臺，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以下功能：

（1）總體監控。在上位機顯示采集數據實時值，計算機通過和設備通信訪問相關設備寄存器來獲得設備的運行情況，包括交流調壓電源輸出值、充電機輸出參數、負載接入電路的參數及相關狀態，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”環節，在上位機端對開關切換柜和電源選擇柜的接觸器進行遠程控制，模擬充電機運行的真實狀態，其中開關切換柜內的接觸器為圖1中的開關S，是本平臺的硬件核心，通過對它的遠程控制，選擇合適的設備接入充電機的兩側，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“參數設定報警”環節，在充電機的交流電源的輸入檔位和充電機輸出參數設定錯誤時，會發生報警，保證測試平臺安全運行。

（4）數據存儲。如圖3（b）中的“存數據報表”環節，將實驗中所需的充電機配置參數、檢測參數和當前設備的狀態參數均存入報表，并可通過EXCEL報表進行查詢，進行數據處理。

（5）打印功能。打印產生的數據報表、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備的狀態以及充電機的測試參數，并且在工具欄可以使用“急停”功能，數據報表功能，控制設備通斷功能。其界面結構設計如圖4所示。

圖4 平臺界面結構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、穩壓精度、穩流精度、紋波系數、功率因數、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射測試和設備的抗擾度測試，由于電磁兼容測試需在特定的實驗環境下開展，因此本平臺未開展此項測試。

本文用上述設備對某廠家一臺10 kW充電機模塊進行性能測試，該產品輸出電壓范圍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”，根據實驗流程，設定充電機工作在額定輸出電流狀態，通過電能質量分析儀采集2～25次諧波電流數據，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）。

由于充電機整流設備為6脈動，以6k±1次諧波為主，因此測試數據僅列出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備通用技術條件及安全要求規定。

3.3 穩壓精度實驗

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

式中：δU為穩壓精度；UZ為交流輸入電壓額定值，380 V，且負載電流為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“穩壓精度實驗”，根據實驗流程設定各測試數據點，穩壓精度測試數據如表2所示。實驗數據如圖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 穩壓精度實驗數據Tab.2Data of steady voltage accuracy

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

標準規定當交流電源電壓在標準值±15%范圍內變化，輸出直流電流在額定值的0～100%范圍內變化時，輸出直流電壓應在相應的調節范圍內任一數值上應保持穩定，充電機輸出電壓精度不應超過±0.5%。從表2中可以看出該模塊穩壓精度各測試點處滿足標準要求，并且輸出電壓越接近額定電壓，穩壓精度越高。圖6給出了每個測量點偏離電壓設定值的大小，從圖中可以看出隨著負載增加，實際輸出電壓在減小，并且在各設定輸出電壓下，輸出電流為50%狀態下電壓偏差度最小。

4 結語

本文詳細闡述了一種基于自動控制系統開發軟件組態王的非車載充電機檢測平臺，對平臺的硬件電路設計、通信設計做了詳細論述，并對檢測平臺的測試流程及測試方案進行了分析，最后給出了諧波電流實驗、穩壓精度實驗2個典型實驗的實驗結果分析，驗證了該檢測平臺的實用性。本檢測平臺結構合理，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確性，具有推廣應用價值。

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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，研究方向為電能質量及新能源技術。Email：liuyali_sdu@163.com

2014-04-04；

2014-07-16

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

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