用于電動汽車直流充電樁的能效計(jì)量方案研究

劉建，徐晴，孫應(yīng)軍，周超，田正其，周濛

（1.國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京210019；2.河南許繼儀表有限公司，河南許昌461000；3.武漢大學(xué)，武漢430072）

0 引 言

近年來，電動汽車因其清潔、環(huán)保、高效的優(yōu)點(diǎn)逐漸得到許多國家的重點(diǎn)發(fā)展及廣泛應(yīng)用，而作為電動汽車充電的重要配套設(shè)施，電動汽車充電樁或充電站也得到了大量的建設(shè)［1-3］。電動汽車充電設(shè)備的能效水平在一定程度上可以反映電動汽車產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排的能力，因此，對其進(jìn)行綜合能效評估，對實(shí)現(xiàn)節(jié)能降損和提高能源利用率具有十分重要的意義。

電動汽車充電樁是為電動汽車充電最基礎(chǔ)的電力設(shè)施。其中，電動汽車充電所用的直流充電樁含有大功率非線性直流充電機(jī)，在充放電的過程中會產(chǎn)生諧波，雖經(jīng)過必要的消諧裝置處理，但仍會有殘余諧波污染電網(wǎng)，同時可能產(chǎn)生錯計(jì)電量的狀況，所以有必要對充電樁充電負(fù)荷對電網(wǎng)影響進(jìn)行研究。另外，電動汽車是脈動式充電，充電過程存在大量的紋波，對計(jì)量表計(jì)也會產(chǎn)生影響，需要選擇特定的表計(jì)進(jìn)行測量。目前對電動汽車充電樁能效測試尚不能直接完整地進(jìn)行，內(nèi)部電能計(jì)量的表計(jì)也不能直接溯源［4-6］。

文章提出一種用于電動汽車直流充電樁的能效計(jì)量方案，通過設(shè)置合適的計(jì)量點(diǎn)，在計(jì)量點(diǎn)處安裝相應(yīng)的表計(jì)進(jìn)行測量，測量信息上傳至采集終端，進(jìn)行相應(yīng)的處理即可得到充電過程中的實(shí)時能效，且配置的后臺檢定設(shè)備可對外部安裝表計(jì)進(jìn)行檢定溯源，也可對充電樁內(nèi)部表計(jì)進(jìn)行外部檢定溯源。為得到充電樁內(nèi)部具體損耗分布，電能計(jì)算模塊可根據(jù)相關(guān)設(shè)備參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，結(jié)合充電樁物理模型，進(jìn)行理論計(jì)算，為電動汽車充電節(jié)能降損提供理論依據(jù)。同時，依照能效計(jì)量對充電樁進(jìn)行軟件仿真和實(shí)際測試，可分析充電樁充電負(fù)荷對電網(wǎng)的諧波影響，研究電能表計(jì)的適用性，以及能效計(jì)量方案的可行性。

1 能效計(jì)量方案設(shè)計(jì)

為了對電動汽車充電能效進(jìn)行計(jì)量，并且得到各充電設(shè)備的能耗情況，需要采集不同計(jì)量點(diǎn)的電氣參數(shù)，并通過相應(yīng)電能計(jì)算模塊進(jìn)行計(jì)算。對于配電變壓器和電力線路這類充電配套裝置的能耗情況，可直接采用電能表計(jì)對其兩端電能的計(jì)量結(jié)果得到損耗數(shù)值。對于電動汽車充電樁，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不單一且不便拆卸，在得到整體損耗后，為了解具體元件的電能損耗情況，還需通過相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合具體參數(shù)進(jìn)行電能分析，以此提供損耗計(jì)量的理論結(jié)果。

電動汽車直流充電樁外部裝有顯示器，可顯示電動汽車充電電量及收賈情況，內(nèi)部含有計(jì)量電表、保護(hù)開關(guān)電路、控制電路和非車載充電機(jī)等設(shè)備，可為電動汽車蓄電池直接提供穩(wěn)定可靠的直流電源。充電樁的能耗除控制電路的損耗外，還包括充電機(jī)的損耗。

電動汽車直流充電樁的能效計(jì)量方案如圖1所示。其中，電源對接口內(nèi)置電壓和電流互感器，把高電壓、大電流的交流信號轉(zhuǎn)換為小電壓信號輸出采集至充電樁輸出電能計(jì)量裝置，同時在充電樁對接口采集充電樁輸出直流電壓和直流電流，實(shí)現(xiàn)對充電樁效率、功率因數(shù)等的計(jì)量功能。充電樁后臺檢定設(shè)備集成有交流標(biāo)準(zhǔn)電能表和直流標(biāo)準(zhǔn)電能表，能對外部安裝表計(jì)進(jìn)行檢定，且能對充電樁內(nèi)置的交流電能表或直流電能表進(jìn)行外部檢定，使測量值可溯源。電能計(jì)算模塊通過采集的數(shù)據(jù)，可得到充電樁待機(jī)或工作狀態(tài)下的整體損耗以及損耗的理論分布，對充電樁生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)具有很好的指導(dǎo)價值。

圖1 直流充電樁能效計(jì)量方案圖Fig.1 Energy efficiencymeasurement scheme diagram of DC charging pile

2 充電計(jì)量及電能分析

電動汽車充電能效計(jì)量的主要目的是明確各個能耗設(shè)備的具體損耗電能值，包括配電變壓器、電力線路、充電樁及充電樁內(nèi)部元件等，只要在能耗設(shè)備的輸入端和輸出端加裝相應(yīng)的電能計(jì)量裝置就能實(shí)現(xiàn)對該設(shè)備整體能效計(jì)量的目的。對于內(nèi)部損耗情況，需進(jìn)行相應(yīng)的物理模型分析得到。

2.1 計(jì)量點(diǎn)的選擇

電動汽車充電過程中計(jì)量點(diǎn)的設(shè)置位置如圖2所示。關(guān)于貿(mào)易結(jié)算用電能計(jì)量點(diǎn)，以設(shè)置在購授電設(shè)施產(chǎn)權(quán)分界處為原則，對于充電站用電結(jié)算來說，即設(shè)為計(jì)量點(diǎn)4；對于充電樁用電結(jié)算來說，即為計(jì)量點(diǎn)5；對于用戶用電結(jié)算來說，即計(jì)量點(diǎn)7。在圖2中的計(jì)量點(diǎn)1、2、3處分別配置電流互感器（CT）、電壓互感器（PT）以及電能表，就能實(shí)現(xiàn)配電變壓器的損耗測量。可得配電變壓器的損耗為：ΔP變＝P1－（P2＋P3）。在計(jì)量點(diǎn)2、4處分別加裝 CT、PT以及電能表，可得電力傳輸線路的損耗為：ΔP線＝P2－P4。同樣的，在計(jì)量點(diǎn)5、7加裝電表，可以得到直流充電樁的功率損耗為：ΔP直流樁＝P5－P7，其中，包括充電樁內(nèi)部控制單元損耗P控制。對于直流充電樁內(nèi)部損耗功率分布，需由電能分析模塊依據(jù)相應(yīng)設(shè)備參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)等計(jì)算得出。

圖2 充電能效計(jì)量點(diǎn)選擇Fig.2 Choice of charging energy efficiencymeasurement points

對于電動汽車充電能效計(jì)量點(diǎn)的選擇，主要考慮兩方面的因素：經(jīng)濟(jì)效益和計(jì)量準(zhǔn)確性。所選計(jì)量點(diǎn)測量的輸入功率和輸出功率之間的差值應(yīng)可以提供所需測量的實(shí)際損耗，使經(jīng)濟(jì)效益最大；計(jì)量點(diǎn)一般選擇電壓、電流波形THD含量小的點(diǎn)，降低諧波對電表計(jì)量的影響，提高計(jì)量準(zhǔn)確性。

2.2 損耗分布的理論分析

直流充電樁含有充電機(jī)部分，其電能損耗除控制電路外，主要為充電機(jī)部分損耗。充電機(jī)即整流器，由IGBT和二極管元件組成，對其能耗的計(jì)算可依據(jù)IGBT和二極管的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行。由文獻(xiàn)［7-9］可知相關(guān)電力電子器件損耗計(jì)算公式，通過MATLAB計(jì)算程序結(jié)合具體參數(shù)可以得到直流充電樁內(nèi)部損耗分布。

2.2.1 整流器損耗計(jì)算

整流器損耗功率主要包括：IGBT的通態(tài)損耗和開關(guān)損耗、并聯(lián)二極管的通態(tài)損耗以及反向截止損耗。在確定IGBT和二極管的型號后，可得到相關(guān)特性曲線，例如IGBT的VCE-iC曲線，如圖3所示，可對其用二次函數(shù)（VCE＝RsiC2／Is＋RTiC＋VCE0）近似擬合。

圖3 IGBT的V CE－I C曲線Fig.3 V CE－I C curve of IGBT

考慮開關(guān)頻率、結(jié)溫等因素的影響，可計(jì)算整流器的損耗。IGBT的通態(tài)損耗計(jì)算為：

式中 PT為 IGBT通態(tài)損耗，其中 A1、A2、A3為VCE-IC（IGBT導(dǎo)通電壓對導(dǎo)通電流）特性曲線的擬合系數(shù)；DT為IGBT調(diào)制過程中的占空比。

IGBT的開關(guān)損耗計(jì)算為：

式中PSW為IGBT的開關(guān)損耗，包括開通損耗Pon和關(guān)斷損耗 Poff，其中 μ1、μ2、μ3和 μ4、μ5、μ6分別是Eon-IC（開通功率損耗對IGBT導(dǎo)通電流）特性曲線和Eoff-IC（關(guān)斷功率損耗對IGBT導(dǎo)通電流）特性曲線的擬合系數(shù)，f＝f0×fs，即工作頻率和開關(guān)頻率的乘積。

由此可得IGBT的功率損耗為：

式中 PIGBT為IGBT元件一個工作周期的損耗功率。

并聯(lián)二極管的通態(tài)損耗計(jì)算為：

式中 PD為二極管通態(tài)損耗；B1、B2、B3為 VF-IF（二極管正向電壓對正向電流）特性曲線的擬合系數(shù)；DD為二極管導(dǎo)通時的占空比。

二極管的反向截止損耗計(jì)算為：

式中 Prec為二極管反向截止損耗；λ1、λ2、λ3為Erec-IF（反向恢復(fù)損耗功率對二極管正向電流）特性曲線的擬合系數(shù)；f＝f0×fs，即工作頻率和開關(guān)頻率的乘積。

由此可得并聯(lián)二極管的功率損耗為式（6）：

式中Pdiode為并聯(lián)二極管元件一個工作周期的損耗功率。

2.2.2 損耗分析算例

以某型號直流充電樁為例，計(jì)算其內(nèi)部整流器部分的損耗分布。工作條件：直流電壓Udc＝500 V；交流電壓Us＝220 V；有功功率P＝14 kW；無功功率Q＝100 var；開關(guān)頻率 fs＝10 kHz；結(jié)溫 Tj＝25℃；死區(qū)時間 td＝（1.704×10－6）s；開關(guān)器件 IGBT選用的型號為FZ800R33KF2C，二極管選用的型號為1N5817。根據(jù)廠家提供的器件特性數(shù)據(jù)，對各特性曲線進(jìn)行擬合，將得到的擬合系數(shù)代入損耗計(jì)算程序中，可得到各部分的損耗功率，1 s時間內(nèi)的電能損耗計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 電動汽車充電設(shè)備損耗理論分布Tab.1 Loss theoretical distribution of electric vehicle charging equipment

通過理論計(jì)算分析，充電機(jī)的損耗來源主要是并聯(lián)電力二極管的通態(tài)損耗，也是直流充電樁功率損耗的主要來源，工業(yè)上應(yīng)通過減小二極管的通態(tài)阻抗或選用低能耗的電力二極管，來提高充電樁的運(yùn)行效率，降低電動汽車充電對電網(wǎng)質(zhì)量的影響，使充電設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)具有可行性。

3 充電樁能效計(jì)量仿真分析

電動汽車充電樁作為電力負(fù)荷接入電網(wǎng)，當(dāng)增加到一定數(shù)量時，會對整個電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生不可忽略的影響。因此，有必要研究充電樁接入電網(wǎng)后負(fù)荷端電壓、電流的變化情況，以確定充電樁這類非線性負(fù)荷對電能質(zhì)量的影響及計(jì)量電表的類型，增加電能計(jì)量準(zhǔn)確性，同時根據(jù)仿真和實(shí)測的電能分析結(jié)果，對照模型損耗計(jì)算結(jié)果，研究計(jì)量方案的準(zhǔn)確性及可行性。

3.1 充電樁仿真試驗(yàn)

直流充電樁的充電機(jī)為整流裝置，其輸入交流，輸出直流，需具體研究輸入輸出特性以確定計(jì)量器具的性能要求及計(jì)量方案的準(zhǔn)確性。本文中的仿真試驗(yàn)采用MATLAB軟件，直流充電樁模型采用三相橋式可控整流電路，仿真電路如圖4所示，電源電壓為有效值220 V的正弦波，模擬電網(wǎng)輸入，交流側(cè)電阻為0.5Ω，電感為8 mH，直流側(cè)電容為4 000μF。運(yùn)行后分析整流電路電網(wǎng)側(cè)電壓電流波形，直流側(cè)電壓波形，以及電能（功率）計(jì)量。

圖4 直流充電樁仿真模型Fig.4 Simulation model of DC charging pile

3.2 波形分析及能效計(jì)量結(jié)果

仿真試驗(yàn)中，充電樁所含整流器采用三相橋式全控整流，在能效計(jì)量方案對應(yīng)的計(jì)量點(diǎn)處設(shè)置示波器測試波形，可得交流側(cè)單相電壓、電流仿真波形如圖5所示，可以看出其功率因數(shù)達(dá)到1，即交流側(cè)電壓和電流可達(dá)到同相位，相位差為0。

圖5 交流側(cè)仿真電壓、電流波形Fig.5 Simulated voltage，currentwaveform in AC side

充電樁負(fù)荷對電網(wǎng)電壓波形影響不大，基本保持在正弦規(guī)律；在充電樁非線性負(fù)荷的影響下，交流側(cè)電流發(fā)生畸變，會向系統(tǒng)輸送諧波電流。對三相整流器的A相交流電壓、電流波形進(jìn)行FFT諧波分析可得各次電壓幅值，電流幅值，相角和功率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 三相橋式交流不帶內(nèi)阻整流電路試驗(yàn)中A相各次電壓電流幅值，相角和功率Tab.2 A phase voltage and current amplitude，phase angle，power in three-phase full bridge rectifier circuit

由表2中試驗(yàn)結(jié)果分析可知，在三相橋式整流型充電樁仿真試驗(yàn)中，電源電壓為正弦波時，交流側(cè)電流發(fā)生畸變，向系統(tǒng)輸送諧波電流，根據(jù)三角函數(shù)的正交性，三相橋式整流型充電樁負(fù)荷并不向系統(tǒng)輸送諧波功率，電能表計(jì)量的是基波功率。由文獻(xiàn)［10-11］可知，此時采用感應(yīng)式電能表和電子式電能表對計(jì)量結(jié)果的誤差影響相同，可以按實(shí)際情況選取。充電樁負(fù)荷側(cè)仿真輸出電壓、電流穩(wěn)定后波形如圖6所示，可以看出，直流充電樁輸出直流波形基本穩(wěn)定，直流紋波在0.16%左右，對于直流側(cè)的電能表計(jì)應(yīng)考慮紋波影響。

圖6 充電樁負(fù)荷側(cè)輸出波形Fig.6 Outputwaveform of charging pile in load side

通過對仿真試驗(yàn)中交流側(cè)及直流側(cè)的運(yùn)行功率進(jìn)行分析，計(jì)算1 s至2 s時間內(nèi)充電樁輸入電能及輸出電能（W＝3 UIt），分析結(jié)果如表3所示，可以得到整流器部分的功率損耗為154 J，考慮到控制單元的損耗，占交流側(cè)輸入功率的1.099%，與按理論損耗分析得到的損耗比例基本一致，可以看出按上述方案對直流充電樁進(jìn)行能效計(jì)量是具有可行性的。

表3 直流充電樁仿真電能損耗分析Tab.3 Simulated energy loss analysis of DC charging pile

現(xiàn)對型號為EVQC31-120A 500V-A1的直流充電樁按上述設(shè)計(jì)的能效計(jì)量方案進(jìn)行測試，可得到測試波形。由于實(shí)際電路誤差和現(xiàn)場試驗(yàn)條件等的影響，實(shí)際充電樁輸入輸出波形與仿真波形不能達(dá)到一致，但其原理相同，所達(dá)到的運(yùn)行效果也是一致的。其中，交流側(cè)電壓、電流穩(wěn)定波形如圖7所示，負(fù)荷側(cè)輸出直流電壓、電流穩(wěn)定后波形如圖8所示。

圖7 充電樁交流側(cè)電壓、電流波形Fig.7 Voltage and currentwaveform of charging pile in AC side

圖8 充電樁負(fù)荷側(cè)電壓電流波形Fig.8 Voltage and currentwaveform of charging pile in DC side

由圖7可以看出，交流側(cè)電壓電流相位基本相同，功率因數(shù)為1，系統(tǒng)不會向電網(wǎng)輸送諧波功率。圖8中直流紋波較高，可以看出受運(yùn)行條件影響，實(shí)際充電樁輸出直流電壓較仿真輸出更不穩(wěn)定，直流電壓表計(jì)對紋波的抗干擾能力需要達(dá)到1%左右，電流表計(jì)則需達(dá)到5%左右。根據(jù)文獻(xiàn)［12-13］討論的直流紋波信號對兩種直流電能計(jì)量方法（一種是分別使用直流電壓表和直流電流表測量其有效值再相乘得出直流功率以計(jì)算直流電能值，另一種是對電壓電流同步采樣，使用瞬時功率積分計(jì)算直流電能值）的影響可知，當(dāng)信號UdId（直流電壓電流的乘積）紋波含量不超過1%時，電能值計(jì)量誤差不超過0.02%，對于誤差等級為1%的安裝式直流電能表來說可忽略不計(jì)。因此當(dāng)電壓、電流乘積信號的紋波分量控制在1%時，安裝式直流電能表對于直流充電樁是適用的。

根據(jù)充電樁測試結(jié)果對1 s至1.2 s時間內(nèi)的輸入、輸出電能進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表4所示，其電能損耗占比為2.1%左右。考慮到實(shí)際情況下諧波影響和工作狀態(tài)不同產(chǎn)生的額外損耗及電能表的計(jì)量誤差產(chǎn)生的損耗差值，可以得出對直流充電樁依照能效計(jì)量方案進(jìn)行實(shí)際測試所得的電能損耗結(jié)果與仿真及模型計(jì)算分析結(jié)果基本一致，該檢測方法具有適用性。

表4 直流充電樁實(shí)測電能損耗分析Tab.4 Actualmeasured energy analysis of DC charging pile

4 結(jié)束語

文章根據(jù)相關(guān)因素設(shè)置合適的電能計(jì)量點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種可溯源的電動汽車直流充電樁能效計(jì)量方案，通過定量分析和實(shí)測結(jié)果可得如下結(jié)論：

（1）由直流充電樁的物理模型，結(jié)合其運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備參數(shù)，可通過理論分析得到三相橋式整流器部分的損耗率為1.2%左右，其中主要損耗為電力二極管的通態(tài)損耗；

（2）充電樁交流側(cè)向電網(wǎng)輸送諧波電流，對電壓無影響，根據(jù)三角函數(shù)的正交性，可用基波電能表進(jìn)行電能計(jì)量；負(fù)荷側(cè)直流紋波在0.16%左右，電能計(jì)量需考慮紋波影響；

（3）依照計(jì)量方案對實(shí)際充電樁進(jìn)行測試，根據(jù)實(shí)測波形和電能分析，考慮實(shí)際情況下諧波影響及電表誤差，其能效計(jì)量結(jié)果與物理模型計(jì)算和仿真分析結(jié)果基本一致。