顏濤

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司 昆明 650011)

0 引言

隨著電動(dòng)汽車(chē)的普及，配套的充電基礎(chǔ)設(shè)施同樣分布廣泛[1-2]。國(guó)家發(fā)改委等《電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南(2015—2020年)》顯示，到2020年，建成集中充換電站1.2萬(wàn)座，分散充電樁480萬(wàn)個(gè)[3]。為了確保充電設(shè)施能正常運(yùn)行且能對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電計(jì)量準(zhǔn)確，充電樁的運(yùn)行維護(hù)非常必要。由于缺乏現(xiàn)場(chǎng)交付驗(yàn)收規(guī)范，大量充電樁在投運(yùn)后，存在自身設(shè)備故障導(dǎo)致無(wú)法充電的情況，且部分充電樁還存在絕緣安全隱患[4-5]。充電樁檢測(cè)系統(tǒng)可以解決上述問(wèn)題。

現(xiàn)有的充電樁檢測(cè)系統(tǒng)，自動(dòng)化程度不高，交流檢測(cè)和直流檢測(cè)集成度不夠，無(wú)法實(shí)現(xiàn)充電樁全部實(shí)驗(yàn)的自動(dòng)化測(cè)量。為了解決上述問(wèn)題，研制自動(dòng)化程度高的交流和直流一體式充電樁檢測(cè)系統(tǒng)，多功能檢測(cè)系統(tǒng)可及時(shí)發(fā)現(xiàn)直流和交流充電樁故障并檢測(cè)充電計(jì)量的準(zhǔn)確性，保證充電樁的正常使用。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

充電樁檢測(cè)系統(tǒng)包括交直流充電模擬器、NI電參量綜合分析儀、交流負(fù)載和直流負(fù)載等。研制的檢測(cè)系統(tǒng)，配置電能質(zhì)量分析儀，在60 kW及以下，可以對(duì)交流充電樁和直流充電樁進(jìn)行性能和計(jì)量準(zhǔn)確性進(jìn)行檢測(cè)，所試驗(yàn)項(xiàng)目符合標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范要求[6-7]。交直流模擬器通過(guò)485總線控制交直流負(fù)載。直流模擬器、交流模擬器、NI測(cè)試儀器、電能質(zhì)量分析儀、無(wú)線接收器及測(cè)試計(jì)算機(jī)組成局域網(wǎng)絡(luò)，由計(jì)算機(jī)軟件整體控制。

2 交直流充電模擬器

2.1 直流充電模擬器模擬電路設(shè)計(jì)

(1)電池模擬電壓源設(shè)計(jì)

充電樁在控制導(dǎo)引過(guò)程中，必須檢測(cè)到有蓄電池電壓并且在樁體輸出電壓范圍內(nèi)，才會(huì)有充電輸出。直流充電模擬器模擬蓄電池電壓，應(yīng)確保充電樁直流輸出損壞模擬源。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)2種模擬源300 V和600 V[8]，滿足各種充電樁的試驗(yàn)需求。直流高壓電源模擬電路設(shè)計(jì)如圖1所示，采用二極管單相導(dǎo)通電路對(duì)模塊進(jìn)行并聯(lián)電壓保護(hù)。

圖1 直流高壓電源模擬電路

(2)控制導(dǎo)引電路設(shè)計(jì)

控制導(dǎo)引電路中充電樁端連接確認(rèn)CC1檢測(cè)點(diǎn)1接入電阻1 kΩ或者接入可調(diào)電阻，車(chē)輛端連接確認(rèn)CC2檢測(cè)點(diǎn)2設(shè)計(jì)12 V電源通過(guò)1 kΩ電阻接入到槍端?？刂茖?dǎo)引電路實(shí)現(xiàn)如下功能：測(cè)試正常充電；測(cè)試車(chē)輛接口斷開(kāi)，正常充電過(guò)程中模擬斷開(kāi)CC1；測(cè)試保護(hù)接地導(dǎo)體的連續(xù)性丟失，充電過(guò)程中模擬接地線E-GND丟失?？刂茖?dǎo)引電壓限值測(cè)試，通過(guò)調(diào)整R4的電阻，分別進(jìn)行限值內(nèi)測(cè)試，超限值測(cè)試和車(chē)端電阻最值測(cè)試。

(3)絕緣故障測(cè)試設(shè)計(jì)

絕緣故障測(cè)試選用測(cè)試電阻Rt，分別在充電直流回路DC+與PE之間或DC-與PE之間進(jìn)行非對(duì)稱絕緣測(cè)試、DC+與PE之間和DC-與PE之間進(jìn)行對(duì)稱絕緣測(cè)試，測(cè)試電壓為非車(chē)載充電機(jī)的額定輸出電壓[9]；測(cè)試結(jié)束后如需繼續(xù)測(cè)試，必須重新設(shè)置測(cè)試參數(shù)并啟動(dòng)非車(chē)載充電機(jī)在自檢階段進(jìn)行測(cè)試；100 Ω/V

(4)采樣電路設(shè)計(jì)

由于充電樁的控制導(dǎo)引回路均采用低端接地的方式，為避免大地對(duì)高精度采樣帶來(lái)誤差影響，使用線性隔離方式進(jìn)行信號(hào)處理。采用汽車(chē)用高線性度線性隔離芯片ACPL-C87BT，再通過(guò)差分電路進(jìn)行采樣。各采樣點(diǎn)的模擬采樣電路設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2。

圖2 CC1，CC2電壓檢測(cè)模擬電路設(shè)計(jì)

圖2中，為了不影響CC1，CC2本身回路的控制導(dǎo)引電壓，通過(guò)高輸入阻抗的AD620差分運(yùn)放接入，再通過(guò)6∶1分壓電路轉(zhuǎn)換為0～2 V，將CC1，CC2電壓低端大地與AD采樣回路的地進(jìn)行線性隔離，再通過(guò)AD620差分運(yùn)放接入到數(shù)字電路的AD采樣芯片。

輔助電源電壓模擬采樣回路如圖3所示，由于輔助電源12 V是給車(chē)載控制供電使用，不承擔(dān)控制導(dǎo)引作用，因此采用6∶1電阻分壓方式，通過(guò)線性隔離接入到AD采樣芯片。

圖3 輔助電源電壓模擬采樣回路

圖4中，充電樁輸出電壓范圍為200～1 000 V，因此采用高精度的500∶1的分壓電路，將電壓轉(zhuǎn)換為0.4～2 V，通過(guò)線性隔離接入到AD采樣芯片。

圖4 充電樁輸出電壓模擬采樣回路

圖5中，充電樁輸出電流范圍為0～250 A，傳感器變比為1 500∶1，將充電樁輸出電流轉(zhuǎn)換為0～166.7 mA，因此采用10 Ω的采樣電阻轉(zhuǎn)換為0～1.67 V的電壓信號(hào)。傳感器本身一二次電流隔離，不需要再通過(guò)線性隔離處理，直接通過(guò)2倍同相放大電路接入AD采樣芯片。

圖5 充電樁輸出電流模擬采樣回路

2.2 交流充電模擬器模擬電路設(shè)計(jì)

(1)充電機(jī)控制導(dǎo)引電路設(shè)計(jì)

控制導(dǎo)引電路設(shè)計(jì)模擬車(chē)端連接確認(rèn)12 V電源，串接1 kΩ電阻接入到充電樁的槍端。設(shè)定R2阻值1.3 kΩ，R3阻值2.74 kΩ，樁端的連接確認(rèn)CP接入二極管后接入R2、R3。

(2)充電樁輸出采樣處理

充電樁輸出接入到交流可調(diào)負(fù)載，電壓由NI分析儀直接采樣，電流采用100 A/2 A的電流互感器進(jìn)行采樣，然后將0～2 A信號(hào)傳送給NI分析儀。

(3)CP回路電壓限值測(cè)試電路設(shè)計(jì)

根據(jù)規(guī)程要求，需對(duì)CP回路的檢測(cè)點(diǎn)1進(jìn)行限值內(nèi)測(cè)試、超限值測(cè)試和車(chē)端電阻最值測(cè)試。采用電子電位計(jì)的方式進(jìn)行電阻的連續(xù)可調(diào)，R2、R3的阻值控制如表1所示[8-9]。

表1 超限值測(cè)試阻值設(shè)置

(4)采樣電路設(shè)計(jì)

由于充電樁的控制導(dǎo)引回路均采用低端接地的方式，為避免大地對(duì)高精度采樣帶來(lái)誤差影響，采用線性隔離芯片進(jìn)行信號(hào)處理，再通過(guò)差分電路進(jìn)行采樣。各采樣點(diǎn)的模擬采樣電路設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 檢測(cè)點(diǎn)模擬電路設(shè)計(jì)

信號(hào)通過(guò)高輸入阻抗的差分運(yùn)放AD620后，通過(guò)6∶1的分壓電路將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)?～2V，線性隔離后，再通過(guò)差分運(yùn)放放大1.2倍，接入到AD采樣芯片，充電樁輸出電壓采樣電路見(jiàn)圖7。

圖7 充電樁輸出電壓采樣電路

充電樁輸出三相電壓通過(guò)400 V/0.5 V 電壓互感器轉(zhuǎn)換為0～0.5 V信號(hào)，輸出電流通過(guò)100 A/0.1 A轉(zhuǎn)換為0～0.1 A信號(hào)，再通過(guò)10 Ω取樣電阻，轉(zhuǎn)換為0～1 V信號(hào)，通過(guò)運(yùn)算放大濾波處理接入到AD采樣芯片，充電樁輸出電流采樣電路見(jiàn)圖8。

圖8 充電樁輸出電流采樣電路

2.3 充電模擬器數(shù)字電路設(shè)計(jì)

(1)數(shù)字板設(shè)計(jì)

數(shù)字板是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，控制著AD采樣、串口通信、DA輸出等外設(shè)，內(nèi)部也有嚴(yán)格復(fù)雜的運(yùn)算。為了保證系統(tǒng)的精度和運(yùn)算速度，主控CPU選用TI的16位DSP TMS320F28335[10]，選用AD7616采樣芯片。直流和交流充電模擬器開(kāi)發(fā)界面顯示如圖9。

(a)直流

(2)觸摸板串口變量參數(shù)

選用迪文K600觸摸屏進(jìn)行顯示功能的開(kāi)發(fā)，觸摸屏串口指令共有以下幾種類型包含查詢指令、返回指令、寫(xiě)數(shù)據(jù)指令，以查詢指令為例，如下。

查詢指令：比如通過(guò)串口查詢觸摸屏上地址開(kāi)始為0010后的1個(gè)數(shù)據(jù)，指令為A5 5A 04 83 0000 010001。指令解釋：

A5 5A為固定幀頭；

04為其后的指令字節(jié)數(shù)目；

83為指令類別，表示對(duì)觸摸屏數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的讀操作(具體指令類別根據(jù)觸摸屏的操作空間定義)；

0000為查詢開(kāi)始的觸摸屏地址；

01為要查詢的地址數(shù)目；

0001為查詢的數(shù)據(jù)信息。

(3)觸摸屏各變量地址設(shè)計(jì)

觸摸屏變量可分為以下幾種類型：頁(yè)面變量，參數(shù)變量，顯示變量，操作命令變量4種類型。其中，頁(yè)面變量為觸摸后頁(yè)面發(fā)生跳轉(zhuǎn)同時(shí)將返回指令自動(dòng)上傳至串口通訊；參數(shù)變量是需要DSP通過(guò)串口發(fā)送查詢指令后，再?gòu)拇诜祷叵鄳?yīng)命令；顯示變量是只需DSP通過(guò)串口發(fā)送寫(xiě)數(shù)據(jù)指令后直接顯示在觸摸屏；操作命令變量是觸摸后將返回指令自動(dòng)上傳至串口通訊。

3 基于虛擬儀器的電參量綜合分析儀

NI電參量綜合分析儀在檢測(cè)中起著關(guān)鍵作用，上位機(jī)發(fā)送控制指令通過(guò)綜合分析儀負(fù)責(zé)接收，采集數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析處理。

3.1 NI電參量綜合分析儀設(shè)計(jì)

綜合分析儀選用PCI-6221卡作為信號(hào)采集卡[11-12]，最大輸入范圍±1 000 V，單通道最大采樣率250 kS/s。PCI總線方式和工控機(jī)結(jié)合起來(lái)使用，將采集的數(shù)據(jù)送入工控機(jī)處理。示波器板卡采用NI PXI-5114，采樣率250 M/s，最高支持帶寬125 MHz，滿足直流紋波20 MHz、交流PWM波100 MHz帶寬的測(cè)試要求。

由于直流充電樁高達(dá)750 V，交流充電樁也達(dá)到220 V，因此，高壓信號(hào)不能直接接入示波器采集卡，需要通過(guò)電壓互感器進(jìn)行電壓變換，進(jìn)入采集卡的電壓輸入范圍。采集數(shù)據(jù)通過(guò)電壓互感器變比的換算得到實(shí)際電壓[5]。

選用濾波器濾除噪聲和干擾[13-14]。電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，故障電壓和電流信號(hào)中含有基頻正弦分量和其他頻率成分，由此，電壓和電流的采樣值中還含有其他成分的頻率信號(hào)采樣值。使用故障錄波算法時(shí)，獲得的電壓和電流采樣值不能直接使用[15]。通過(guò)數(shù)字濾波器濾波，單獨(dú)提取故障電氣量中的基波或某一次諧波分量的采樣值才能用于診斷故障。

監(jiān)測(cè)量主要包括現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電能質(zhì)量5項(xiàng)指標(biāo)：系統(tǒng)頻率；電壓、電流有效值；電壓、電流偏移；電壓波動(dòng)值；電壓、電流的各次諧波分量[16-17]。此外，監(jiān)測(cè)量還包括有功功率、無(wú)功功率、功率因數(shù)、視在功率和故障電壓波形等基本量[18]。

3.2 LabVIEW軟件架構(gòu)

LabVIEW軟件功能齊全，適用于充電樁檢測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)，軟件功能包含波形記錄、數(shù)字濾波、頻率偏差計(jì)算、通信模塊等[5]。

檢測(cè)系統(tǒng)采集諧波次數(shù)多達(dá)100次，數(shù)據(jù)采樣頻率設(shè)定為10 kHz[5]。選用卡爾曼濾波，將暫態(tài)信號(hào)中的基頻分量當(dāng)有效成分，將暫態(tài)信號(hào)中的高、低次諧波和衰減直流分量視為噪聲[19]，用估值算法對(duì)某個(gè)時(shí)刻的狀態(tài)進(jìn)行估計(jì)，濾波模型為

(1)

式(1)經(jīng)過(guò)離散后測(cè)量信號(hào)為

(2)

式中，Ts=1/Nfs為采樣時(shí)間，N為采樣率，vk為測(cè)量噪聲分量。

充電樁檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行故障判斷，首先進(jìn)行程序初始化，模塊接收數(shù)據(jù)，啟動(dòng)故障錄波，當(dāng)發(fā)生故障時(shí)，故障判斷模塊發(fā)出判斷信號(hào)，故障記錄模塊記錄故障[5]，計(jì)算模塊分別對(duì)各參量進(jìn)行計(jì)算。

4 負(fù)載計(jì)算和設(shè)計(jì)

4.1 負(fù)載計(jì)算并進(jìn)行充電輸出誤差測(cè)試

對(duì)負(fù)載分別進(jìn)行恒壓和恒流模式下充電輸出誤差測(cè)試。充電樁設(shè)置恒壓模式，負(fù)載設(shè)置為恒流模式進(jìn)行拉載，測(cè)試充電樁在某個(gè)負(fù)載電流下電壓輸出誤差。負(fù)載箱不斷檢測(cè)充電樁輸出電壓，根據(jù)人為設(shè)定電流，不斷調(diào)節(jié)阻抗，直到輸出電壓趨于穩(wěn)定。以700 V、250 A直流充電樁充電輸出電壓誤差試驗(yàn)為例，測(cè)量點(diǎn)為350 V、525 V、700 V在拉載125 A時(shí)輸出電壓誤差。取525 V、125 A計(jì)算如表2所示。

表2 負(fù)載恒流模式

非車(chē)載充電機(jī)恒壓模式下充電輸出誤差測(cè)試流程示例如下，測(cè)試充電樁恒壓輸出525 V電壓誤差，發(fā)送525 V、125 A到負(fù)載，負(fù)載根據(jù)電壓指令切換電阻，當(dāng)電流穩(wěn)定為125 A時(shí)，開(kāi)始測(cè)量電壓輸出誤差，電流不能穩(wěn)定為125 A，則檢測(cè)當(dāng)前電壓發(fā)送給負(fù)載，負(fù)載重新根據(jù)電壓指令切換電阻，直至電流穩(wěn)定為125 A，再開(kāi)始測(cè)量電壓輸出誤差。

充電樁設(shè)置恒流模式，負(fù)載設(shè)置為恒壓模式進(jìn)行拉載，測(cè)試充電樁在某個(gè)負(fù)載電壓下電流輸出誤差。負(fù)載箱不斷檢測(cè)充電樁輸出電流，根據(jù)人為設(shè)定電壓，不斷調(diào)節(jié)阻抗，直到輸出電流趨于穩(wěn)定。以700 V、250 A直流充電樁充電輸出電流誤差試驗(yàn)為例，其測(cè)量點(diǎn)為恒流輸出50 A、125 A、250 A時(shí)，拉載使得輸出525 V，測(cè)量輸出電流誤差。以250 A、525 V為例計(jì)算如表3所示。

表3 負(fù)載恒壓模式

非車(chē)載充電機(jī)恒流模式下充電輸出誤差測(cè)試流程示例如下，測(cè)試充電樁恒流輸出250 A電流誤差，發(fā)送525 V、250 A到負(fù)載，負(fù)載根據(jù)電流指令切換電阻，當(dāng)電壓穩(wěn)定為525 V時(shí)，開(kāi)始測(cè)量電流輸出誤差，電壓不能穩(wěn)定為525 V時(shí)，則檢測(cè)當(dāng)前電流發(fā)送給負(fù)載，負(fù)載重新根據(jù)電流指令切換電阻，直至電壓穩(wěn)定為525 V時(shí)，開(kāi)始測(cè)量電流輸出誤差。

4.2 負(fù)載設(shè)計(jì)

按照負(fù)載計(jì)算，設(shè)計(jì)10 A負(fù)載模塊，選用500 W功率電阻進(jìn)行串并聯(lián)。負(fù)載控制結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用充電樁測(cè)試儀或上位機(jī)，通過(guò)485總線方式連接負(fù)載中控箱，負(fù)載中控箱通過(guò)485總線控制0.1 A負(fù)載箱、0.5 A負(fù)載箱、1 A負(fù)載箱、5 A負(fù)載箱、10 A負(fù)載箱1、10 A負(fù)載箱2、10 A負(fù)載箱n等。

5 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

研制的充電樁檢測(cè)系統(tǒng)和電能質(zhì)量分析儀，通過(guò)車(chē)載，在某省內(nèi)已投運(yùn)的交流和直流充電樁進(jìn)行性能檢測(cè)和計(jì)量檢定試驗(yàn)，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用效果良好，檢測(cè)規(guī)范符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

6 結(jié)論

隨著電動(dòng)車(chē)的普及，充電樁的運(yùn)行維護(hù)意義重大。本文研制的充電樁檢測(cè)系統(tǒng)，完成直流和交流模擬器、充電模擬器數(shù)字電路、基于虛擬儀器的電參量綜合分析儀以及交流負(fù)載、直流負(fù)載的設(shè)計(jì)及制造，配置電能質(zhì)量分析儀，車(chē)載移動(dòng)實(shí)現(xiàn)集成自動(dòng)化測(cè)量，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)交流和直流充電樁故障及絕緣安全隱患，且能保證充電樁對(duì)電動(dòng)車(chē)充電計(jì)量的準(zhǔn)確性，已在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)施了應(yīng)用，應(yīng)用效果好。