劉亞麗，李國(guó)棟，胡波，趙新，車(chē)延博，滕文

（1.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津300384；2.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津300072；3.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司營(yíng)銷(xiāo)部，天津300010）

電動(dòng)汽車(chē)非車(chē)載充電機(jī)檢測(cè)平臺(tái)的建立與實(shí)踐

劉亞麗1，李國(guó)棟1，胡波2，趙新3，車(chē)延博2，滕文2

（1.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津300384；2.天津大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津300072；3.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司營(yíng)銷(xiāo)部，天津300010）

為推動(dòng)和規(guī)范非車(chē)載充電機(jī)的電氣性能，為充電機(jī)性能檢測(cè)工作提供技術(shù)手段，建立了基于組態(tài)王軟件的非車(chē)載充電機(jī)自動(dòng)化檢測(cè)平臺(tái)。本平臺(tái)采用組態(tài)王軟件進(jìn)行系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，圍繞組態(tài)王開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行外圍硬件設(shè)備的配置，設(shè)備驅(qū)動(dòng)和通信的設(shè)計(jì)，并根據(jù)制定好的實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行系統(tǒng)人機(jī)界面及實(shí)驗(yàn)操作的軟件設(shè)計(jì)。基于該平臺(tái)可開(kāi)展安全功能、輸出特性、絕緣性能、諧波電流4大類(lèi)實(shí)驗(yàn)，并通過(guò)實(shí)踐驗(yàn)證了檢測(cè)平臺(tái)的可行性與實(shí)用性。

組態(tài)王；充電機(jī)檢測(cè)平臺(tái)；自動(dòng)化測(cè)試；通信驅(qū)動(dòng)；測(cè)試實(shí)驗(yàn)

充電機(jī)性能是電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要支撐，關(guān)系著電動(dòng)汽車(chē)和動(dòng)力電池系統(tǒng)的安全。若充電機(jī)性能不達(dá)標(biāo)，將會(huì)引起蓄電池充電時(shí)間異常、整車(chē)?yán)m(xù)航時(shí)間縮短、蓄電池使用壽命降低等問(wèn)題。

目前電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展仍以公共交通及公共服務(wù)車(chē)輛為主，換電模式為主要運(yùn)行模式之一，因此為保證電網(wǎng)和用戶的安全，需開(kāi)展非車(chē)載充電機(jī)的性能檢測(cè)工作。文獻(xiàn)[1-5]對(duì)此開(kāi)展了相關(guān)研究工作。因國(guó)外對(duì)充電機(jī)檢測(cè)并沒(méi)有相關(guān)的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，所以相關(guān)研究較少。

為可靠高效地開(kāi)展非車(chē)載充電機(jī)性能測(cè)試，本文基于自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件組態(tài)王6.55設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了充電機(jī)檢測(cè)平臺(tái)。本平臺(tái)可靠性高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、界面友好、操作簡(jiǎn)單、測(cè)試精度高，同時(shí)通過(guò)與平臺(tái)設(shè)備的通信實(shí)現(xiàn)非車(chē)載充電機(jī)遠(yuǎn)程自動(dòng)化測(cè)試。平臺(tái)具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，以報(bào)表或者曲線形式展現(xiàn)測(cè)試結(jié)果，測(cè)試過(guò)程準(zhǔn)確高效。

1 檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 平臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

國(guó)家、企業(yè)各相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[6-8]均規(guī)定了充電機(jī)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(jié)合現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)及平臺(tái)搭建意義，本平臺(tái)設(shè)計(jì)可滿足50～500 V，0～100 A的充電機(jī)性能的測(cè)試，可以完成的測(cè)試項(xiàng)目包括安全功能試驗(yàn)、輸出特性試驗(yàn)、絕緣性能試驗(yàn)、諧波電流試驗(yàn)。

檢測(cè)平臺(tái)主要由3部分構(gòu)成，即功率電路系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 平臺(tái)硬件結(jié)構(gòu)Fig.1Hardware structure of platform

功率電路系統(tǒng)包括交流模擬電源、調(diào)壓電源、功率可調(diào)直流負(fù)載、電源選擇柜、開(kāi)關(guān)切換柜、短路柜，模擬充電機(jī)不同運(yùn)行工況。

檢測(cè)系統(tǒng)包括功率分析儀、數(shù)據(jù)記錄儀、示波器、電能質(zhì)量測(cè)試儀及所需的傳感器設(shè)備，在充電機(jī)性能測(cè)試過(guò)程中實(shí)時(shí)量測(cè)各測(cè)量點(diǎn)電壓、電流數(shù)據(jù)，獲得充電機(jī)性能數(shù)據(jù)。

監(jiān)控系統(tǒng)包括工控機(jī)、驅(qū)動(dòng)程序、板卡及串行通信線纜等，實(shí)現(xiàn)充電機(jī)檢測(cè)的可視化和自動(dòng)化，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視充電機(jī)的狀態(tài)和遠(yuǎn)程控制平臺(tái)設(shè)備進(jìn)行充電機(jī)的測(cè)試。

1.2 平臺(tái)通信設(shè)計(jì)

本平臺(tái)采用組態(tài)王軟件開(kāi)發(fā)，測(cè)試過(guò)程中平臺(tái)設(shè)備需要與組態(tài)王進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，組態(tài)王的驅(qū)動(dòng)程序采用ActiveX技術(shù)，使通信程序和組態(tài)王構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)，保證運(yùn)行系統(tǒng)的高效率，從而組成可以進(jìn)行遠(yuǎn)程控制的自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)。

本平臺(tái)中組態(tài)王與I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換采用串行通信和板卡兩種方式，平臺(tái)通信設(shè)計(jì)如圖2所示。電源選擇柜、開(kāi)關(guān)切換柜、直流負(fù)載柜采用板卡通信模式，此模式需在組態(tài)王工程瀏覽器的設(shè)備節(jié)點(diǎn)中通過(guò)“板卡”項(xiàng)進(jìn)行配置設(shè)備驅(qū)動(dòng)，板卡插接在工控機(jī)的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)總線ISA（industrial standard architecture）擴(kuò)展槽內(nèi)，用戶通過(guò)訪問(wèn)板卡的I/O地址與平臺(tái)設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)交換；交流模擬電源和功率分析儀通過(guò)“COM”項(xiàng)進(jìn)行配置設(shè)備驅(qū)動(dòng)，串口設(shè)備通過(guò)RS232串行通信線纜連接到工控機(jī)的串口，本平臺(tái)配置2個(gè)串口，最多可配置32個(gè)串口通信設(shè)備。串口通訊不僅需要物理接口的連接還需要依據(jù)不同的設(shè)備采用不同的通訊配置，確定包括波特率、校驗(yàn)方式、校驗(yàn)位和數(shù)據(jù)位的個(gè)數(shù)等參數(shù)，設(shè)備和上位機(jī)組態(tài)王軟件必須配置一致才能實(shí)現(xiàn)正常通訊。

圖2 平臺(tái)通信設(shè)計(jì)Fig.2Communication design of platform

通過(guò)遠(yuǎn)程通信方案可以遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)與監(jiān)控輸入電源狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)過(guò)壓、欠壓等不同電網(wǎng)狀況模擬；可以通過(guò)板卡通信遠(yuǎn)程控制電源選擇柜和開(kāi)關(guān)切換柜的開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)狀態(tài)自動(dòng)切換；可以遠(yuǎn)程在線調(diào)節(jié)直流負(fù)載的大小，模擬蓄電池充電的狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)充電機(jī)輸出不同功率的工作模式下測(cè)試的自動(dòng)化；并實(shí)時(shí)上傳檢測(cè)系統(tǒng)的測(cè)量數(shù)據(jù)。

2 基于組態(tài)王的自動(dòng)化檢測(cè)平臺(tái)

2.1 組態(tài)王功能分析

本平臺(tái)人機(jī)界面采用亞控公司的組態(tài)王6.55對(duì)平臺(tái)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，該軟件充分利用了Windows的圖形功能完備、界面一致性好、易學(xué)易用的特點(diǎn)，使開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)更具有通用性，大大減少了工控軟件開(kāi)發(fā)者的重復(fù)性工作，縮短項(xiàng)目開(kāi)發(fā)周期，減少開(kāi)發(fā)費(fèi)用。

組態(tài)王開(kāi)發(fā)軟件的功能特點(diǎn)有：①?gòu)?qiáng)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(yè)界面；②良好的開(kāi)放性：組態(tài)軟件能與多種通信協(xié)議互聯(lián)，支持多種硬件設(shè)備，向下能與低層的數(shù)據(jù)采集設(shè)備通信，向上能與管理層通信，實(shí)現(xiàn)上位機(jī)與下位機(jī)的雙向通信；③豐富的功能模塊：完成實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)生功能報(bào)表、顯示歷史曲線、實(shí)時(shí)曲線、提供報(bào)警功能；④強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)：配有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，可存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交換；⑤可編程的命令語(yǔ)言：擴(kuò)充應(yīng)用系統(tǒng)的功能，對(duì)應(yīng)用系統(tǒng)進(jìn)行最精確的控制；⑥周密的系統(tǒng)安全防護(hù)：對(duì)不同的操作者賦予不同的操作權(quán)限，保證整個(gè)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行；⑦仿真功能：提供強(qiáng)大的仿真功能使系統(tǒng)并行設(shè)計(jì)從而縮短開(kāi)發(fā)周期[9]。文獻(xiàn)[10]曾經(jīng)用組態(tài)王軟件開(kāi)發(fā)了逆變器并網(wǎng)檢測(cè)平臺(tái)，為本項(xiàng)目的實(shí)施提供了可靠的保證。

2.2 測(cè)試方案

整個(gè)充電機(jī)測(cè)試方案以組態(tài)王6.55作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，測(cè)試充電機(jī)的測(cè)試方案流程如圖3所示。

圖3 非車(chē)載充電機(jī)測(cè)試方案Fig.3Test plan of off-board charger

人機(jī)操作界面可實(shí)現(xiàn)以下功能：

（1）總體監(jiān)控。在上位機(jī)顯示采集數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)值，計(jì)算機(jī)通過(guò)和設(shè)備通信訪問(wèn)相關(guān)設(shè)備寄存器來(lái)獲得設(shè)備的運(yùn)行情況，包括交流調(diào)壓電源輸出值、充電機(jī)輸出參數(shù)、負(fù)載接入電路的參數(shù)及相關(guān)狀態(tài)，并通過(guò)動(dòng)畫(huà)連接、實(shí)時(shí)曲線等顯示出來(lái)。

（2）控制功能。如圖3（a）中的“配電控制”環(huán)節(jié)，在上位機(jī)端對(duì)開(kāi)關(guān)切換柜和電源選擇柜的接觸器進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，模擬充電機(jī)運(yùn)行的真實(shí)狀態(tài)，其中開(kāi)關(guān)切換柜內(nèi)的接觸器為圖1中的開(kāi)關(guān)S，是本平臺(tái)的硬件核心，通過(guò)對(duì)它的遠(yuǎn)程控制，選擇合適的設(shè)備接入充電機(jī)的兩側(cè)，滿足不同充電機(jī)的要求。

（3）報(bào)警功能。如圖3（b）中的“交流檔位報(bào)警”和“參數(shù)設(shè)定報(bào)警”環(huán)節(jié)，在充電機(jī)的交流電源的輸入檔位和充電機(jī)輸出參數(shù)設(shè)定錯(cuò)誤時(shí)，會(huì)發(fā)生報(bào)警，保證測(cè)試平臺(tái)安全運(yùn)行。

（4）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。如圖3（b）中的“存數(shù)據(jù)報(bào)表”環(huán)節(jié)，將實(shí)驗(yàn)中所需的充電機(jī)配置參數(shù)、檢測(cè)參數(shù)和當(dāng)前設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)均存入報(bào)表，并可通過(guò)EXCEL報(bào)表進(jìn)行查詢，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

（5）打印功能。打印產(chǎn)生的數(shù)據(jù)報(bào)表、歷史曲線等。

（6）界面顯示。平臺(tái)操作界面分為主界面和子界面，利用菜單方式進(jìn)入充電機(jī)的測(cè)試實(shí)驗(yàn)子界面。通過(guò)點(diǎn)擊工具欄的選項(xiàng)可以看到不同設(shè)備的狀態(tài)以及充電機(jī)的測(cè)試參數(shù)，并且在工具欄可以使用“急?！惫δ?，數(shù)據(jù)報(bào)表功能，控制設(shè)備通斷功能。其界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 平臺(tái)界面結(jié)構(gòu)Fig.4Interface structure of platform

3 檢測(cè)平臺(tái)測(cè)試實(shí)例

3.1 非車(chē)載充電機(jī)測(cè)試項(xiàng)目

非車(chē)載需要測(cè)試的項(xiàng)目主要為安全功能實(shí)驗(yàn)、輸出特性實(shí)驗(yàn)、絕緣性能實(shí)驗(yàn)、諧波電流實(shí)驗(yàn)、電磁兼容實(shí)驗(yàn)5大類(lèi)。

安全功能實(shí)驗(yàn)要求充電機(jī)具有輸入過(guò)壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、輸出過(guò)壓保護(hù)、輸出過(guò)流保護(hù)、輸出短路保護(hù)；輸出特性實(shí)驗(yàn)包括輸出電壓誤差、輸出電流誤差、穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、紋波系數(shù)、功率因數(shù)、效率實(shí)驗(yàn)；絕緣性能實(shí)驗(yàn)包括絕緣電阻測(cè)試、工頻耐壓、沖擊耐壓、泄漏電流、接地電阻測(cè)試；電磁兼容試驗(yàn)包括電磁騷擾發(fā)射測(cè)試和設(shè)備的抗擾度測(cè)試，由于電磁兼容測(cè)試需在特定的實(shí)驗(yàn)環(huán)境下開(kāi)展，因此本平臺(tái)未開(kāi)展此項(xiàng)測(cè)試。

本文用上述設(shè)備對(duì)某廠家一臺(tái)10 kW充電機(jī)模塊進(jìn)行性能測(cè)試，該產(chǎn)品輸出電壓范圍50～100V，輸出電流范圍0～100 A。以下以部分實(shí)驗(yàn)實(shí)例說(shuō)明本平臺(tái)測(cè)試結(jié)果。

3.2 諧波電流實(shí)驗(yàn)

在平臺(tái)的菜單項(xiàng)中選擇“諧波電流實(shí)驗(yàn)”，根據(jù)實(shí)驗(yàn)流程，設(shè)定充電機(jī)工作在額定輸出電流狀態(tài)，通過(guò)電能質(zhì)量分析儀采集2～25次諧波電流數(shù)據(jù)，并計(jì)算出單次諧波電流含有率，其計(jì)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(jī)整流設(shè)備為6脈動(dòng)，以6k±1次諧波為主，因此測(cè)試數(shù)據(jù)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(jī)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(jī)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(shè)備通用技術(shù)條件及安全要求規(guī)定。

3.3 穩(wěn)壓精度實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)步驟：充電機(jī)連接功率可調(diào)阻性負(fù)載，設(shè)置充電機(jī)恒壓輸出模式，設(shè)定電壓整定值，調(diào)整輸入電壓分別為90%、100%、110%額定值時(shí)，在0～100%額定電流間調(diào)整負(fù)載電流，分別測(cè)量充電機(jī)輸出電壓，找出上述變化范圍內(nèi)充電機(jī)輸出電壓的極限值UM，計(jì)算公式為

式中：δU為穩(wěn)壓精度；UZ為交流輸入電壓額定值，380 V，且負(fù)載電流為50%額定電流時(shí)輸出電壓測(cè)量值；UM為輸出電壓極限值。

在平臺(tái)的菜單項(xiàng)中選擇“穩(wěn)壓精度實(shí)驗(yàn)”，根據(jù)實(shí)驗(yàn)流程設(shè)定各測(cè)試數(shù)據(jù)點(diǎn)，穩(wěn)壓精度測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示，其中實(shí)驗(yàn)點(diǎn)1、4、7的交流輸入電壓是額定電壓的110%；點(diǎn)2、5、8為額定電壓；點(diǎn)3、6、9為額定電壓的90%。實(shí)驗(yàn)點(diǎn)1、2、3為空載狀態(tài)下；點(diǎn)4、5、6為輸出電流50 A；7、8、9為輸出電流100 A。

表2 穩(wěn)壓精度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2Data of steady voltage accuracy

圖6 電壓偏差對(duì)比Fig.6Comparison of voltage deviation

標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定當(dāng)交流電源電壓在標(biāo)準(zhǔn)值±15%范圍內(nèi)變化，輸出直流電流在額定值的0～100%范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出直流電壓應(yīng)在相應(yīng)的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)任一數(shù)值上應(yīng)保持穩(wěn)定，充電機(jī)輸出電壓精度不應(yīng)超過(guò)±0.5%。從表2中可以看出該模塊穩(wěn)壓精度各測(cè)試點(diǎn)處滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，并且輸出電壓越接近額定電壓，穩(wěn)壓精度越高。圖6給出了每個(gè)測(cè)量點(diǎn)偏離電壓設(shè)定值的大小，從圖中可以看出隨著負(fù)載增加，實(shí)際輸出電壓在減小，并且在各設(shè)定輸出電壓下，輸出電流為50%狀態(tài)下電壓偏差度最小。

4 結(jié)語(yǔ)

本文詳細(xì)闡述了一種基于自動(dòng)控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件組態(tài)王的非車(chē)載充電機(jī)檢測(cè)平臺(tái)，對(duì)平臺(tái)的硬件電路設(shè)計(jì)、通信設(shè)計(jì)做了詳細(xì)論述，并對(duì)檢測(cè)平臺(tái)的測(cè)試流程及測(cè)試方案進(jìn)行了分析，最后給出了諧波電流實(shí)驗(yàn)、穩(wěn)壓精度實(shí)驗(yàn)2個(gè)典型實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，驗(yàn)證了該檢測(cè)平臺(tái)的實(shí)用性。本檢測(cè)平臺(tái)結(jié)構(gòu)合理，自動(dòng)化程度高，可以在很大程度上提高充電機(jī)檢測(cè)的效率和準(zhǔn)確性，具有推廣應(yīng)用價(jià)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?yàn)殡娔苜|(zhì)量及新能源技術(shù)。Email：liuyali_sdu@163.com

2014-04-04；

2014-07-16

李國(guó)棟（1978—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)殡娔苜|(zhì)量及新能源技術(shù)。Email：tjLGD@163.com

胡波（1989—），男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)研究。Email：lovegerrard@163.com