基于瞬時有功同步原理的直流充電樁效率檢測方法

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電動汽車非車載傳導式充電機技術條件》要求非車載傳導式充電機(以下簡稱直流充電樁)當實際輸出功率達到50%以上時充電效率要達到93%以上,充電效率是直流充電樁最重要的指標之一,由于380 V電網的電壓的諧波失真度最高可達5%,這樣使用交流功率表和直流電壓、電流表獨立測量(以下簡稱分體式測量方案)[1]。

由于測量信號不完全在同一時間內,無法準確地檢測直流充電樁的效率,假如使用三相穩壓電源,可以提高分體式測量方案的準確度,但是三相穩壓電源價格昂貴(數十萬級別),并且隨著測量準確度的提高,對三相穩壓電源穩定度要求更高,根據計量的通用準則,測量準確度要是達到0.1%[2],則穩壓源的穩定度要達到0.02%,對于大功率(60 kW～240 kW)的穩定度達到0.02%的穩壓電源通用商品難以采購,同時直流充電樁的直流輸出功率也需要非常穩定,按照國家標準《NB/T33001-2018電動汽車非車載傳導式充電機技術條件》直流充電樁的穩壓精度為0.5%,穩流精度為1%[3],也無法滿足高準確度充電效率的檢測要求。

針對上述技術的不足,本文進行以下設計。

1 計量檢定系統總體架構設計

本文研制了一種基于瞬時有功同步原理的直流充電樁效率檢測裝置,能保證交流功率和直流功率能夠在信號us級別進行同步測量,無論電網的電壓的諧波失真度有多高,無論直流充電樁的穩壓和穩流準確度多低,均能準確測量直流充電樁的效率,測量準確度優于0.1級,為準確測量直流充電樁的充電效率,促進直流充電樁廠家降低充電機的整機損耗,提升能效利用率,減少能源浪費具有巨大推進作用[4]。

直流充電樁效率檢測方法如圖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-電壓分壓電阻網絡;5a/5b/5c-電流電壓轉換模塊;6-交流供電插座;7a/7b/7c/7 d-電壓跟蹤模塊;8-交流瞬時有功測量電路;9-直流瞬時有功測量電路;10-AD 采集電路;11-BF533芯片及其外設;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

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

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0.01級的零磁通電流互感器,兩個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輸出的開關小電源,電流輸出0.5A[6-7]。電壓分壓電阻網絡4 采用 1ppm溫漂、0.01%準確的的高穩定電阻,分壓比為40:1,也就是200 V的電壓輸入,二次輸出5 V。電流電壓轉換模塊 5由運放OPA2277 U5和 0.01%準確的 RF電阻(1ppm溫漂)組成、RF電阻阻值為 500 Ω。對于10 mA的電流輸出轉換為 5 V電壓輸出。交流瞬時有功測量電路自動把三相交有功功率轉換為一個帶紋波的直流輸出信號Pac,直流瞬時有功測量電路自動把充電樁的直流[8]輸出轉換為一個帶紋波的直流輸出信號Pdc。BF533芯片及其外設控制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。同步采樣的點數N達到10 000點,然后計算充電樁的充電樁效率η。BF533芯片及其外設把充電效率通過顯示LCD進行顯示,檢測到結束命令退出。下面對本研究的關鍵技術進行設計。

2 關鍵技術分析

2.1 電壓分壓電阻網絡

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

(1)

式(1)中,40表示電阻網絡分壓比,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)繼續改造,則有:

(2)

通過式(2)將交流瞬時有功測量電路 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過R7 17、R8 18、縮小200倍后經過電壓跟蹤模塊,輸出到直流瞬時有功測量電路、直流充電樁輸出電流經過零磁通互感器,數據信號被縮小1000倍后,通過分流器R0變換為電壓,分流器的阻值為2 Ω,在經過電壓放大器放大5/0.48倍后輸出到直流瞬時有功測量電路[10]。其中直流瞬時有功測量電路的輸出如式(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,實現240 A的對應電路轉換為5 V 的電壓。其中BF533芯片控制A/D采集電路,并同時對交流瞬時有功測量電路的輸出Pac和直流瞬時有功測量電路的輸出Pdc的直流電壓按采樣率為1MSPS進行同步采樣。并且每秒鐘計算一次效率對于三相交流有功功率的瞬時值實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輸出為一個恒定的直流,由于實際電壓波動和三相不平衡,Pac為帶紋波的直流輸出信號。

設電壓和電流的瞬時值為

(4)

則A相有功功率的瞬時值

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值為

pB=uBiB=UIcosφ+UIcos[(2ωt-240°)-φ]

pC=uCiC=UIcosφ+UIcos[(2ωt+240°)-φ]

(6)

所以三相瞬時功率Pac(i) 可以為

p=pA+pB+pC=3UIcosφ

(7)

設

Paci=p(i)

(8)

則有:

(9)

式(9)中,Paci表示交流瞬時有功采樣點,Pdci表示直流瞬時有功采樣點,N表示一秒鐘的采樣點數,其中N=100萬=1 000 000;則充電機效率根據式(10)進行計算:

(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 直流測試單元設計

本文通過精密的交流傳感器(交流精密傳感器價格低廉)和精密IV轉換運放,把交流電流精確轉換為AD轉換的電壓輸入值。瞬時有功測量電路,如圖2所示。

圖2 瞬時有功測量電路

本文計算過程中,把三相交流有功功率的瞬時值變成一個隨時間改變的直流信號Pac(t),同時通過硬件乘法器原理的直流瞬時有功測量電路,把直流充電樁輸出的直流功率變成隨時間改變的直流信號Pdc(t),Pac(t)和Pdc(t)均為波動的直流信號,通過完全同步的AD,使用1MSPS的采樣率進行同步采樣,保證交流和直流的功率嚴格同步,可保證在三相供電不穩定和直流充電樁直流輸出不穩定時,均能準確測量出充電樁的效率。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BF533主板計算直流有功功率。BF533主板通過定時器(Timer1)采集被檢的電能表的脈沖輸出計算電能,并且與被標準表(本發明測試線)采樣值計算的電能值做比較,計算出被檢電能表的電能值。其中直流測試單元功能指標如表1所示。

表1 直流測試單元功能指標

3 試驗結果與分析

實驗室配置采用Intel i8雙核計算機,顯卡采用GTX1080Ti,運行內存為64 GB,儲存內存為256 GB[8]。現場實驗環境設置,實驗對象為市場通用能源汽車,充電樁電壓等級范圍350～700 V。在此環境下進行實驗,參數配置如表2所示。

表2 環境參數與配置軟件

測試儀器設備性能指標如表3所示。

表3 測試儀器設備性能指標

通過5個小時的測試,采集到的數據信息如表4所示。

表4 數據采集信息示意表

為了衡量本文方法數據信息采集能力,采用交流電源進行數據采集時,輸出紋波數據信息如圖3所示。

圖3 交流電紋波數據示意圖

采用本研究方法的直流電紋波數據信息輸出如圖4所示。

圖4 直流電紋波數據示意圖

通過圖3和圖4可以看到,本文的方法通過采用直流電流后,紋波波形輸出比較平穩。為了評定本文的充電樁充電效率,將文獻[1]方法采用交流功率的方式和文獻[2]方法非瞬時有功同步技術對采集到的電壓、電流數據信息進行誤差對比分析。電壓測點如圖5所示。

根據采集到的測點電壓值,再對對應電流時間進行測量,輸出如圖6所示的對比示意圖。

圖6 電流測點示意圖

通過圖5和圖6的對比示意圖,可以看到不同方式的采集點的區別。在測量功率誤差時,將對應的點電流值與電壓值乘積求值即可輸出,為了分析誤差,直接通過圖7的曲線圖形式表示。

圖7 平臺校準分析誤差曲線

通過將本文方法與對比文獻[1]方法和文獻[2]方法進行對比,文獻[1]方法設計的同步溯源方案最大校準誤差為1.86%,在計量值為700 V時達到最大;文獻[2]方法設計的Wiener泛函數校準平臺在計量值為700 V時最大誤差為1.64%。而本文方法整體誤差最低,最大誤差在計量值為460 V時校準誤差為0.86%,在620 V出現最小誤差為0.78%,之后在700 V恢復到最大誤差。

4 總結

本文研究了基于硬件乘法器級聯原理的三相交流有功功率的瞬時值硬件電路,實現交流有功功率能夠在時域上進行快速精確獲取,且輸出為單一的直流信號,為雙通道AD同步測量提供了us級別的交流有功功率信號(帶紋波的直流信號Pac)。并設計了直流瞬時有功測量電路,實現直流帶紋波的電壓和電流有功功率在時域上進行快速精確獲取,且輸出為單一的直流信號,為雙通道AD同步測量提供了us級別的直流有功功率信號(帶紋波的直流信號Pdc)。通過對交流變換網絡和直流變換網絡的準確設計,實現直流功率的輸出值和交流有功功率的輸出的對應值完全一樣,利用高速的高準確度AD進行同步采樣,提高了計算直流充電樁的效率。