顏湘武，王麗娜，李艷艷，谷建成，張 波，尹菲菲，張合川

（華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 保定 071003）

0 引言

隨著環(huán)境問(wèn)題日益突出和石油消耗量不斷攀升，電動(dòng)汽車在提高經(jīng)濟(jì)效益、減少環(huán)境污染和保障能源安全方面的優(yōu)勢(shì)越發(fā)凸顯［1-2］。近年來(lái)，在國(guó)家政策的激勵(lì)下，充電設(shè)備作為電動(dòng)汽車運(yùn)行的配套設(shè)施，正處于大規(guī)模推廣階段。充電設(shè)備電氣性能對(duì)動(dòng)力電池壽命、充電經(jīng)濟(jì)性以及電網(wǎng)電能質(zhì)量有著重要的影響［3-5］。隨著電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，越來(lái)越多的高性能充電機(jī)被研發(fā)出來(lái)［6-7］。雖然目前相關(guān)行業(yè)、企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中［8-14］，提出了關(guān)于電動(dòng)汽車充電設(shè)備的測(cè)試內(nèi)容和測(cè)試方法，為測(cè)試提供了參考，但沒(méi)有制定相應(yīng)測(cè)試細(xì)則和步驟，對(duì)應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)尚未出臺(tái)。因此有必要研究一套既能對(duì)充電設(shè)備進(jìn)行性能測(cè)試又能為測(cè)試方法研究提供平臺(tái)的自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)。

在電動(dòng)汽車充電設(shè)備測(cè)試裝置和試驗(yàn)方法方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了一定的研究。云南電力試驗(yàn)研究院研究了一種非車載充電機(jī)試驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)［15］，北京交通大學(xué)研究人員開(kāi)發(fā)了基于計(jì)算機(jī)的“電氣性能測(cè)試系統(tǒng)”［16］。兩者的特點(diǎn)是硬件平臺(tái)分為交流輸入、直流負(fù)載和測(cè)量裝置3個(gè)部分，兩者的直流負(fù)載部分分別采用了分級(jí)電阻和程控電子負(fù)載，其控制和測(cè)量方法簡(jiǎn)單，主要測(cè)試不同功率下的充電設(shè)備特性。H.Bai等在插入式電動(dòng)汽車充電機(jī)設(shè)計(jì)中，使用320 V/44 A·h鋰電池組作為充電負(fù)載搭建測(cè)試平臺(tái)，來(lái)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)的大功率充電機(jī)的性能［17］。該方法使用動(dòng)力電池作為充電負(fù)載，由于動(dòng)力電池包本身的參數(shù)固定，所以只用于一些充電對(duì)象固定的充電機(jī)，無(wú)法作為一種通用的測(cè)試試驗(yàn)方法。Han Seung-Ho等開(kāi)發(fā)了用于電動(dòng)汽車快速充電機(jī)的測(cè)試裝置QCTE，該測(cè)試裝置將動(dòng)力電池的充電曲線轉(zhuǎn)換成充電需求，通過(guò)計(jì)算機(jī)發(fā)送到充電機(jī)，使充電機(jī)按照該需求進(jìn)行充電，并可通過(guò)計(jì)算機(jī)完成自動(dòng)測(cè)試過(guò)程［18］。該方法不能模擬不同規(guī)格參數(shù)的動(dòng)力電池組在不同充電條件下的充電特性。

通過(guò)比對(duì)以上測(cè)試平臺(tái)和測(cè)試方法，可以看出，可控直流負(fù)載作為充電負(fù)載具有控制簡(jiǎn)單、可調(diào)整范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，但存在不能模擬真實(shí)充電環(huán)境的缺點(diǎn)。利用動(dòng)力電池組可以實(shí)現(xiàn)實(shí)際充電過(guò)程中的測(cè)試，但存在規(guī)格參數(shù)單一、購(gòu)置價(jià)格高等缺點(diǎn)，不能滿足任意充電機(jī)的多等級(jí)輸出測(cè)試需求。本文將上述兩者的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，根據(jù)電池充電特性的可模擬性并結(jié)合可控直流負(fù)載的高度可控性和可調(diào)性，研發(fā)了基于虛擬電池技術(shù)的電動(dòng)汽車充電設(shè)備測(cè)試系統(tǒng)。另外，電動(dòng)汽車充電設(shè)備測(cè)試所需設(shè)定的參數(shù)眾多，流程控制復(fù)雜，所以在系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了高度自動(dòng)化測(cè)試，用以提高測(cè)試效率，降低人為出錯(cuò)率。同時(shí)，針對(duì)研究性方面的測(cè)試，系統(tǒng)提供了多種工況的模擬功能以及開(kāi)放的接口，用以自定義測(cè)試流程和數(shù)據(jù)分析。

1 虛擬電池技術(shù)

1.1 基于虛擬電池技術(shù)的總體測(cè)試方案

利用虛擬電池技術(shù)［19］的測(cè)試系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1，其核心部分是動(dòng)力電池模型，外圍主要是與外部系統(tǒng)進(jìn)行信息交互的功能接口。在使用電池模型進(jìn)行測(cè)試時(shí)，首先設(shè)置電池模型參數(shù)（電池類型、串并聯(lián)結(jié)構(gòu)、額定容量、當(dāng)前容量、散熱方式、壓縮時(shí)間系數(shù)、環(huán)境溫度），用于構(gòu)建電池模型的初始狀態(tài)；然后根據(jù)電池參數(shù)辨識(shí)獲得的模板數(shù)據(jù)、電池當(dāng)前的充電狀態(tài)及設(shè)定的充電參數(shù)（充電電流、電壓值），計(jì)算下一時(shí)刻的充電狀態(tài)；再根據(jù)計(jì)算的充電狀態(tài)數(shù)據(jù)，設(shè)置直流負(fù)載參數(shù)，使之呈現(xiàn)電池充電特性。

在測(cè)試過(guò)程中可以通過(guò)狀態(tài)在線變更軟件界面修改電池參數(shù)（某一電池單體的歐姆內(nèi)阻、電壓、荷電狀態(tài)SOC（State Of Charge））來(lái)模擬電池的異常狀態(tài)，以便測(cè)試充電機(jī)在異常狀態(tài)下的響應(yīng)能力。

圖1 基于虛擬電池技術(shù)的測(cè)試方案Fig.1 Scheme of test based on virtual battery technology

1.2 電池管理系統(tǒng)與充電機(jī)之間的通信虛擬

正常充電過(guò)程中，電池管理系統(tǒng)BMS（Battery Management System）通過(guò)控制器局域網(wǎng)CAN（Controller Area Network）總線與充電機(jī)之間進(jìn)行通信，充電機(jī)根據(jù)BMS發(fā)出的需求信息，自動(dòng)調(diào)整其輸出。但是在實(shí)際測(cè)試中，不能只根據(jù)動(dòng)力電池的狀態(tài)決定充電機(jī)的輸出，而是要實(shí)現(xiàn)對(duì)充電機(jī)輸出的大范圍靈活設(shè)置。所以在系統(tǒng)中嵌入了車載充電機(jī)、非車載充電機(jī)與BMS之間的通信協(xié)議，通信結(jié)構(gòu)由實(shí)際充電過(guò)程中充電機(jī)和BMS之間的通信轉(zhuǎn)換為通過(guò)工控機(jī)進(jìn)行中轉(zhuǎn)的通信，如圖2所示。工控機(jī)軟件可模擬BMS，向充電機(jī)發(fā)送虛擬的電池狀態(tài)信息，從而控制充電機(jī)的輸出。對(duì)于非車載充電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了與之在通信握手階段、參數(shù)配置階段、充電階段、充電結(jié)束階段、錯(cuò)誤處理階段［19］的通信過(guò)程。對(duì)于車載充電機(jī)，工控機(jī)軟件按照生產(chǎn)企業(yè)提供的協(xié)議進(jìn)行通信。通過(guò)軟件界面可以發(fā)送虛擬電池單體過(guò)壓、過(guò)溫等信息到充電機(jī)，測(cè)試充電機(jī)對(duì)電池異常的響應(yīng)。

圖2 通信模擬方案Fig.2 Scheme of communication simulation

1.3 電池模型

電動(dòng)汽車動(dòng)力電池類型主要包括鋰離子電池、鉛酸電池、鎳氫電池。通過(guò)觀察分析上述電池的充放電特性及靜置特性，可以看出在充電后靜置時(shí)，電壓曲線出現(xiàn)驟降部分、平緩下凹部分以及漸近平穩(wěn)部分。驟降部分可以用歐姆電阻參數(shù)來(lái)模擬，平緩下凹部分以及漸近平穩(wěn)部分可以用電容參數(shù)和電阻參數(shù)的組合來(lái)模擬。通過(guò)MATLAB擬合，發(fā)現(xiàn)使用二階等效電路模型能提高模擬準(zhǔn)確度，因此系統(tǒng)采用二階電路等效模型［20］，如圖3所示。模型的重要參數(shù)包括：開(kāi)路電壓 Uo、歐姆內(nèi)阻R0、電化學(xué)極化電阻R1、電化學(xué)極化電容C1及時(shí)間常數(shù)t1、濃差極化電阻R2、濃差極化電容C2及時(shí)間常數(shù)t2。不同規(guī)格的電池組模型可以通過(guò)將若干單體電池模型進(jìn)行串并聯(lián)實(shí)現(xiàn)。這些參數(shù)隨著SOC、充電電壓或者充電電流的不同而改變，在充電過(guò)程中需要進(jìn)行實(shí)時(shí)計(jì)算。

圖3 二階等效電路模型Fig.3 Second-order equivalent circuit model

工控機(jī)軟件中存儲(chǔ)有各類電池通過(guò)充電靜置方法得到的電池單體在某一充電電流下、不同SOC下的上述參數(shù)的辨識(shí)結(jié)果，它們?yōu)閷?shí)時(shí)狀態(tài)參數(shù)計(jì)算提供模板數(shù)據(jù)。某磷酸鐵鋰電池單體在6 A充電電流下的參數(shù)辨識(shí)結(jié)果如表1所示。

表1 磷酸鐵鋰電池單體在6 A充電電流下的參數(shù)辨識(shí)結(jié)果Table 1 Results of parameter identification for LiFePO4 battery with charging current of 6 A

1.4 電池模型充電狀態(tài)參數(shù)實(shí)時(shí)計(jì)算過(guò)程

a.利用安時(shí)法計(jì)算單體電池SOC。

為了提高測(cè)試效率，縮短測(cè)試時(shí)間，采用壓縮測(cè)試曲線的方法，定義時(shí)間系數(shù)KT為：

其中，Δt為電池模型循環(huán)計(jì)算周期的實(shí)際時(shí)長(zhǎng)；Δt′為所模擬的充電時(shí)長(zhǎng)。

第i個(gè)電池單體在第k+1個(gè)計(jì)算周期的荷電狀態(tài) SOCi（k+1）為：

其中，i表示第i個(gè)電池單體；h為充電效率；CN為電池額定容量；Ick為第k個(gè)計(jì)算周期的充電電流。

b.計(jì)算單體電池開(kāi)路電壓Uo。

開(kāi)路電壓是SOC的函數(shù)，采用Gregory L.Plett的“復(fù)合模型”計(jì)算第i個(gè)電池單體在第k+1個(gè)計(jì)算周期的開(kāi)路電壓，方法如式（3）所示。

其中，K0、K1、K2、K3、K4為已知擬合系數(shù)，對(duì)于不同類型的電池，擬合系數(shù)不同。

c.單體電池參數(shù)的計(jì)算。

利用模板數(shù)據(jù)中存儲(chǔ)的在不同SOC下的R0、R1、R2、t1、t2的值，通過(guò)線性插值獲取當(dāng)前時(shí)刻第 i個(gè)電池單體對(duì)應(yīng)的參數(shù) R0i（k+1）、R1i（k+1）、R2i（k+1）、t1i（k+1）、t2i（k+1）。在計(jì)算R0i（k+1）時(shí)，應(yīng)注意在不同的充電電流作用下，R0i（k+1）的取值不同，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)充電電流越大，該值逐漸降低，因此在計(jì)算時(shí)引入歐姆電阻電流系數(shù)Ki：

d.恒流充電方式下電池端電壓的計(jì)算。

其中，Up1i（k+1）為第 i個(gè)電池單體在第 k+1 個(gè)計(jì)算周期的電化學(xué)極化電壓；Up2i（k+1）為第i個(gè)電池單體在第k+1個(gè)計(jì)算周期的濃差極化電壓；Ubi（k+1）為第 i個(gè)電池單體在第k+1個(gè)計(jì)算周期的單體端電壓；Ub（k+1）為第k+1個(gè)計(jì)算周期的電池組端電壓；n為電池組內(nèi)電池串體個(gè)數(shù)。

e.恒壓充電方式下電池電流的計(jì)算。

Ub已知，根據(jù)式（7）和式（8），電流的計(jì)算公式為：

假設(shè)第k+1個(gè)計(jì)算周期內(nèi)的電流仍為Ick，然后按式（2）計(jì)算 SOCi（k+1），根據(jù)式（3）計(jì)算 Uoi（k+1），根據(jù)步驟 c 提供的方法，計(jì)算 R0i（k+1）、R1i（k+1）、R2i（k+1）、t1i（k+1）、t2i（k+1），隨之計(jì)算 Up1i（k+1）、Up2i（k+1），再利用式（9）得出Ic（k+1）。

f.單體電池溫度的計(jì)算。

電池充電過(guò)程中所產(chǎn)生的熱量Qc由電池化學(xué)反應(yīng)熱 Qr（J）、極化生熱 Qp（J）、焦耳熱 QJ（J）組成。計(jì)算公式如下：

其中，Ic為充電電流；t為時(shí)間；Q1為單位參與化學(xué)反應(yīng)物質(zhì)完全反應(yīng)所產(chǎn)生的熱；Rin為充電時(shí)的等效輸入電阻。

溫度變化：

式（10）—（13）中各變量均取第i個(gè)電池單體在第k+1個(gè)計(jì)算周期的值。

當(dāng)前單體電池溫度：

其中，C為電池?zé)崛萘?；Tr為電池散熱影響，它是進(jìn)行計(jì)算時(shí)電池組溫度Tb與環(huán)境溫度Tenv的函數(shù)。

利用虛擬電池技術(shù)模擬動(dòng)力電池常規(guī)充電的自動(dòng)化測(cè)試流程如圖4所示。

圖4 虛擬電池動(dòng)態(tài)參數(shù)計(jì)算流程Fig.4 Flowchart of dynamic parameter calculation for virtual battery

2 系統(tǒng)測(cè)試內(nèi)容

通過(guò)參考關(guān)于充電設(shè)備技術(shù)規(guī)范的相關(guān)國(guó)家、行業(yè)及企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)［8-14］，并結(jié)合研究性試驗(yàn)需求，確定電動(dòng)汽車充電設(shè)備測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)的測(cè)試內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面。

a.功能性測(cè)試項(xiàng)目：充電功能、保護(hù)功能、限壓和限流特性、輔助電源供電性能。

b.電氣性能測(cè)試項(xiàng)目：輸出電壓誤差、輸出電流誤差、穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、紋波系數(shù)、效率、功率因數(shù)、負(fù)載調(diào)整率、電壓調(diào)整率等。

c.接口與通信測(cè)試項(xiàng)目：接口信號(hào)分析測(cè)試［21-24］、BMS與充電機(jī)通信測(cè)試。

d.電能質(zhì)量特性測(cè)試項(xiàng)目：輸入電壓不平衡度、輸入電流諧波、輸入電壓波動(dòng)與閃變。

e.附加功能測(cè)試項(xiàng)目：結(jié)合對(duì)充電設(shè)備的電能質(zhì)量問(wèn)題、功效問(wèn)題、穩(wěn)定性問(wèn)題以及充電設(shè)備技術(shù)規(guī)范問(wèn)題等的研究性要求，測(cè)試平臺(tái)還應(yīng)提供自定義測(cè)試內(nèi)容，用戶根據(jù)需求，自行設(shè)定測(cè)試方法，進(jìn)行開(kāi)放性測(cè)試。

3 系統(tǒng)硬件平臺(tái)

硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)要考慮兼容車載充電機(jī)、非車載充電機(jī)以及充電模塊參數(shù)，并且要解決測(cè)試的安全性和可控性問(wèn)題。另外，該系統(tǒng)集科研性和實(shí)用性為一體，不僅要在虛擬電池狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試，也需要在直流負(fù)載或者動(dòng)力電池組作為負(fù)載狀態(tài)下進(jìn)行測(cè)試。所以負(fù)載模塊要考慮多種類型負(fù)載的接入。本文搭建的硬件平臺(tái)由可控交流電源、充電負(fù)載模塊、測(cè)量裝置、保護(hù)控制裝置、工控機(jī)以及它們之間的通信接口組成，結(jié)構(gòu)組成如圖5所示。

圖5 硬件平臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of hardware platform

可控交流電源可以向待測(cè)充電設(shè)備提供可控的單相或三相交流電源，能夠模擬電網(wǎng)各種電壓、頻率擾動(dòng)。測(cè)量裝置主要由測(cè)量?jī)x表以及高分辨率的功率分析儀組成，為測(cè)試試驗(yàn)提供可靠的測(cè)量數(shù)據(jù)。保護(hù)控制裝置主要由可編程控制器（PLC）與各類開(kāi)關(guān)器件組成，可根據(jù)系統(tǒng)指令自動(dòng)投切設(shè)備，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視，在系統(tǒng)出現(xiàn)過(guò)流、過(guò)壓或設(shè)備工作異常時(shí)切斷回路，以保護(hù)系統(tǒng)設(shè)備。工控機(jī)配置有多個(gè)通信接口，與待測(cè)充電設(shè)備和BMS通過(guò)CAN總線通信，與單相數(shù)控電源、三相數(shù)控電源、電阻負(fù)載、可編程控制器之間通過(guò)RS-485接口通信，與電子負(fù)載間通過(guò)RS-232接口通信，與數(shù)據(jù)采集裝置之間通過(guò)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通信。中央處理單元實(shí)時(shí)監(jiān)視測(cè)試設(shè)備的工作狀態(tài)，控制測(cè)試自動(dòng)有序進(jìn)行，同時(shí)完成對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的采集和存儲(chǔ)。

4 系統(tǒng)軟件部分

系統(tǒng)軟件根據(jù)面向?qū)ο笏枷?，用Visual C#語(yǔ)言編寫(xiě)，在數(shù)據(jù)管理方面采用SQL Server數(shù)據(jù)庫(kù)，在數(shù)據(jù)分析模塊采用Visual C#與MATLAB混合編程技術(shù)。系統(tǒng)軟件由測(cè)試控制軟件和系統(tǒng)管理軟件兩部分組成。系統(tǒng)管理軟件部分的功能主要是編輯測(cè)試流程、監(jiān)控測(cè)試、分析數(shù)據(jù)和生成報(bào)告。測(cè)試控制軟件的主要功能是解析流程文件、控制測(cè)試執(zhí)行、采集和存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)。

a.測(cè)試流程部分。

系統(tǒng)中每項(xiàng)測(cè)試是按照測(cè)試流程文件進(jìn)行管理的，每項(xiàng)測(cè)試包含若干測(cè)試階段，每一測(cè)試階段中可設(shè)置的內(nèi)容有：充電機(jī)充電方式（恒壓、恒流、恒流限壓、脈沖）、環(huán)境溫度、交流電源調(diào)節(jié)方式、輸入電壓、輸入頻率、輸出電壓、輸出電流、輸出限制電流、輸出限制電壓、脈沖充電參數(shù)、負(fù)載類型、負(fù)載工作模式、負(fù)載調(diào)節(jié)方式、負(fù)載輸出、虛擬電池參數(shù)和本階段測(cè)試結(jié)束條件等。系統(tǒng)提供了流程自動(dòng)生成功能，即用戶通過(guò)選擇相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，自動(dòng)生成測(cè)試流程，還提供了開(kāi)放的接口，用戶可以自定義測(cè)試流程。系統(tǒng)將測(cè)試流程信息保存在可擴(kuò)展標(biāo)記語(yǔ)言（XML）文件中，便于測(cè)試時(shí)讀取。

b.測(cè)試執(zhí)行控制部分。

在測(cè)試時(shí)，根據(jù)流程文件中的參數(shù)值遠(yuǎn)程配置測(cè)試設(shè)備和待測(cè)充電設(shè)備，并使用子線程方式，判斷階段結(jié)束或跳轉(zhuǎn)條件，完成測(cè)試階段的轉(zhuǎn)換。在測(cè)試過(guò)程中一方面將測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，另一方面將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，便于后續(xù)分析。

c.數(shù)據(jù)分析處理部分。

測(cè)試數(shù)據(jù)分析處理部分系統(tǒng)提供了自動(dòng)分析和手動(dòng)分析2種數(shù)據(jù)分析模式。前者是針對(duì)有規(guī)律的測(cè)試項(xiàng)，通過(guò)后臺(tái)程序選取有效數(shù)據(jù)范圍，統(tǒng)計(jì)指標(biāo)測(cè)量值，并與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比對(duì)，得出測(cè)試結(jié)論，并生成測(cè)試報(bào)告；后者是手動(dòng)選取數(shù)據(jù)范圍，進(jìn)行指標(biāo)數(shù)據(jù)分析，用于研究性測(cè)試。

5 應(yīng)用試驗(yàn)

本文以車載充電機(jī)的充電模塊（充電模塊A）以及非車載充電機(jī)充電模塊（充電模塊B）的測(cè)試試驗(yàn)為例，說(shuō)明該系統(tǒng)的應(yīng)用情況。充電模塊A參數(shù)：工作頻率為 47～53 Hz，輸入電壓為 180～264 V，輸出電壓為50～500 V，輸出電流為0～6.6 A，最大輸出功率為3.3 kW。充電模塊B參數(shù)：頻率范圍為49～51 Hz，輸入電壓范圍為187～253 V，輸出電壓范圍為100～750 V，輸出電流范圍為2.5～12.5 A。

5.1 研究性測(cè)試

利用本系統(tǒng)可以進(jìn)行多種研究性測(cè)試，如研究不同負(fù)載類型、虛擬電池時(shí)間系數(shù)、負(fù)載調(diào)節(jié)變化率、不同充電階段、輸入電壓擾動(dòng)、輸入頻率擾動(dòng)等因素對(duì)指標(biāo)測(cè)量值的影響。由于篇幅原因，該部分只進(jìn)行簡(jiǎn)要舉例，用以說(shuō)明系統(tǒng)功能。

5.1.1 不同負(fù)載類型對(duì)穩(wěn)流精度測(cè)試的影響

選取充電模塊A，設(shè)定輸入電壓為220 V，輸入頻率為50 Hz，工作模式為恒流，輸出電流為5 A，負(fù)載選擇電子負(fù)載、動(dòng)力電池組和虛擬電池。虛擬電池參數(shù)：電池類型為磷酸鐵鋰電池，將10組電池進(jìn)行串聯(lián)（每組10個(gè)電池單體），額定容量為25 A·h，額定電壓為320 V。穩(wěn)流精度（正偏差，負(fù)偏差）測(cè)試結(jié)果如表2所示，可以看出，虛擬電池作為負(fù)載的測(cè)試結(jié)果與動(dòng)力電池作為負(fù)載的結(jié)果最接近。

表2 不同負(fù)載類型下的穩(wěn)流精度Table 2 Stabilized current precision for different load types

5.1.2 虛擬電池時(shí)間系數(shù)對(duì)穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度的影響

選取充電模塊A，設(shè)置為恒流限壓充電模式，恒流值為5 A，限壓值為350 V，虛擬電池的參數(shù)同5.1.1節(jié)，設(shè)置初始SOC為10%，終止SOC為90%。在不同時(shí)間系數(shù)下的充電曲線如圖6所示。

圖6 虛擬電池在不同時(shí)間系數(shù)下的充電曲線Fig.6 Charging curve of virtual battery for different time coefficients

利用上述曲線中恒壓部分的數(shù)據(jù)計(jì)算穩(wěn)壓精度，恒流部分的數(shù)據(jù)計(jì)算穩(wěn)流精度，得到的分析結(jié)果如表3所示。由表3可見(jiàn)，虛擬電池的不同時(shí)間系數(shù)對(duì)穩(wěn)態(tài)測(cè)試結(jié)果的影響不是很大。另外通過(guò)對(duì)多臺(tái)充電機(jī)在不同虛擬電池參數(shù)下，進(jìn)行不同時(shí)間系數(shù)的多指標(biāo)測(cè)試進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)時(shí)間系數(shù)小于10時(shí)，指標(biāo)測(cè)量結(jié)果與真實(shí)電池測(cè)量結(jié)果相差不大。

表3 充電模塊A在不同時(shí)間系數(shù)下的測(cè)試結(jié)果Table 3 Test results of charging module A for different time coefficients

5.2 型式測(cè)試

系統(tǒng)可按照各標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的要求，對(duì)充電設(shè)備進(jìn)行型式測(cè)試，來(lái)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在的問(wèn)題以及評(píng)價(jià)產(chǎn)品的合格程度。由于篇幅限制，對(duì)所能完成的測(cè)試不一一列舉，只選取典型測(cè)試進(jìn)行舉例。

5.2.1 穩(wěn)定性指標(biāo)測(cè)試

系統(tǒng)中穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、輸出電壓誤差、輸出電流誤差、輸入電壓諧波等指標(biāo)，屬于穩(wěn)態(tài)指標(biāo)，該部分的測(cè)試方法基本一致。列舉穩(wěn)壓精度的測(cè)試對(duì)其方法進(jìn)行說(shuō)明。選擇充電模塊A、B，參數(shù)設(shè)置如下。

a.模塊A參數(shù)：模塊數(shù)為1；輸入頻率為48、49、50、51、52 Hz；輸入電壓為 187、209、220、231、253 V；輸出電壓為 100、200、300、400、490 V；電子負(fù)載；恒流工作模式；負(fù)載恒流輸出為 0、2、4、6 A。

b.模塊B參數(shù)：模塊數(shù)為3（并聯(lián)）；輸入頻率為49、49.5、50、50.5、51 Hz；輸入電壓為 187、203.5、220、236.5、253 V；輸出電壓為 550、600、650、700、750 V；電阻負(fù)載；恒電阻工作模式；負(fù)載電阻輸出為41.67、31.25、25 Ω。

測(cè)試完成后，使用開(kāi)發(fā)的軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，結(jié)果如下。

a.穩(wěn)壓精度指標(biāo)δU與輸出參數(shù)之間的關(guān)系。

對(duì)于充電模塊A，在輸入電壓Ui為220 V、輸入頻率f為50 Hz，且Ud、Id變化時(shí)，分析結(jié)果如表4所示，可見(jiàn)，輸出電壓Ud越大，δU越小，穩(wěn)壓精度越高；輸出電流Id越大，δU相對(duì)較小，Id對(duì)δU的影響不大。

對(duì)于充電模塊 B，在Ui為220 V、f為50 Hz，且Ud、負(fù)載阻值Rd變化時(shí)，分析結(jié)果如表5所示，可以看出，Ud越大，δU越小，穩(wěn)壓精度越高；Id對(duì) δU的影響不規(guī)律，且影響不大。

b.輸入電流諧波與輸出參數(shù)之間的關(guān)系。

對(duì)于充電模塊A，在Ui為220 V、f為50 Hz時(shí)，輸入電流諧波總畸變率（THD）與Ud、Id的關(guān)系見(jiàn)圖7。當(dāng)輸出電壓為490 V，輸出電流分別為2、4、6 A時(shí)，2～21次諧波電流值與標(biāo)準(zhǔn)GB17625.1—2003《電磁兼容限值諧波電流發(fā)射限值（設(shè)備每相輸入電流≤16 A）》中規(guī)定值的比較結(jié)果如圖8所示，圖中m為諧波次數(shù)，Im為m次電流諧波有效值。

表4 模塊A的穩(wěn)壓精度Table 4 Stabilized voltage precision of module A

表5 模塊B的穩(wěn)壓精度Table 5 Stabilized voltage precision of module B

圖7 電流總諧波畸變率與充電模塊A輸出參數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationship between THD and output parameters of module A

圖8 2～21次諧波電流值Fig.8 Harmonic currents，from 2nd to 21st order

由圖7可以看出，輸出功率越大，總諧波畸變率越小。由圖8可以看出，輸入電流中奇次諧波含量較高，但各次電流諧波值不一定隨功率的增大呈現(xiàn)衰減趨勢(shì)。

5.2.2 調(diào)整性指標(biāo)測(cè)試

以電流調(diào)整率測(cè)試為例進(jìn)行說(shuō)明。測(cè)試方法：f設(shè)定為 50 Hz，Ui設(shè)定為 220 V，Ud設(shè)定為 500 V，負(fù)載選用電子負(fù)載，恒流工作模式，負(fù)載電流Id在0～6.5 A內(nèi)進(jìn)行漸變，測(cè)試結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，Ud隨著Id的連續(xù)增大而減小，Ud的變化范圍為497.9～498.8 V，差值為0.9 V，變化幅度較小。

圖9 電流調(diào)整率測(cè)試中各參數(shù)變化情況Fig.9 Parameter variation during current regulation test

6 結(jié)論

本文基于虛擬電池技術(shù)研制了以產(chǎn)品型式試驗(yàn)、充電設(shè)備測(cè)試方法研究、充電機(jī)性能研究為目的的測(cè)試試驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)適用于車載充電機(jī)、非車載充電機(jī)及其充電模塊的電氣性能測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試的高度可控，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了虛擬電池技術(shù)；系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，提高了測(cè)試效率，為電源測(cè)試提供了新方法。該系統(tǒng)已完成了對(duì)多臺(tái)車載和非車載充電機(jī)的完整測(cè)試，證明了系統(tǒng)的高效性、科研性以及全面性。