電動(dòng)汽車V2L功能電氣性能測(cè)試方法概述

盧鵬 樊金娜 李岳 馬歡歡 朱立爽

1. 中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津 300300；

2. 中汽研軟件測(cè)評(píng)（天津）有限公司 天津 300300

引言

純電動(dòng)汽車作為新能源汽車中的主推車型，近年來得到了國家的大力支持與鼓勵(lì)。國家發(fā)改委《智能汽車創(chuàng)新發(fā)展戰(zhàn)略》指出[1-2]，未來純電動(dòng)汽車，將不僅僅是一個(gè)交通工具，同時(shí)也將成為移動(dòng)智能終端和分布式的儲(chǔ)能裝置。目前，電動(dòng)汽車采用的動(dòng)力電池容量越來越高，在解決用戶續(xù)駛里程焦慮的同時(shí)，也使得電動(dòng)汽車對(duì)外放電成為可能?；诒姸酀撛诘挠脩粜枨?，許多新能源汽車龍頭企業(yè)紛紛推出了V2L（Vehicle to Load）功能，即將電動(dòng)車（或車載大容量電池）作為移動(dòng)電源為第三方放電，在野外或特殊場(chǎng)景下，為用戶提供220V交流電，實(shí)現(xiàn)一般生活場(chǎng)景中的電力供應(yīng)。

國內(nèi)新能源汽車龍頭企業(yè)比亞迪[3-4]，憑借其在三電方面得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，率先在純電動(dòng)汽車對(duì)外放電技術(shù)領(lǐng)域有了突破，并應(yīng)用到了比亞迪E5之中。各大主機(jī)廠隨之跟進(jìn)，紛紛推出具有V2L功能的車型。目前，行業(yè)內(nèi)對(duì)于V2L功能的研究文獻(xiàn)較少。比亞迪、北汽、廣汽、吉利等主機(jī)廠在電動(dòng)汽車對(duì)外放電裝置、電動(dòng)汽車對(duì)外供電系統(tǒng)及控制方法等技術(shù)領(lǐng)域有較多的專利申請(qǐng)[5-7]。國外研究人員[8]采用線性回歸分析(LRA)法研究了汽車駕駛模式、對(duì)負(fù)載供電模式(V2L)和對(duì)電網(wǎng)供電模式(V2G)三種模式下對(duì)電池壽命的影響。

電動(dòng)汽車在放電過程中，由于人員操作不當(dāng)、負(fù)載過高等因素，可能會(huì)產(chǎn)生短路、過熱燃燒等風(fēng)險(xiǎn)，嚴(yán)重危害人身安全和車輛安全。目前，國內(nèi)外尚無電動(dòng)汽車對(duì)外放電技術(shù)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)[9]，行業(yè)內(nèi)對(duì)于電動(dòng)汽車V2L功能電氣性能測(cè)試方法研究的公開報(bào)道較少。本文基于國內(nèi)某車型V2L功能對(duì)標(biāo)測(cè)試，提出了一種V2L功能電氣性能測(cè)試方法，可用于不同車型V2L功能電氣性能的對(duì)標(biāo)分析。并對(duì)V2L功能的電壓電流輸出特性、RLC負(fù)載對(duì)電路功率因數(shù)、峰值系數(shù)的影響和車載用電器對(duì)V2L功能的轉(zhuǎn)換效率的影響進(jìn)行了分析。本研究可對(duì)電動(dòng)汽車V2L功能電氣性能測(cè)試提供技術(shù)支撐。

1 試驗(yàn)及方法

圖1 V2L測(cè)試原理圖

本文使用的V2L功能電氣性能測(cè)試原理圖如圖1所示。試驗(yàn)時(shí)，將V2L取電槍連接至電動(dòng)汽車交流電插口。電能質(zhì)量分析儀連接取電槍的另一端放電插座，測(cè)試電路的電能質(zhì)量。接觸電阻測(cè)試儀連接取電槍的另一端放電插座，測(cè)試接觸電阻。功率分析儀一端連接取電槍的另一端放電插座，另一端連接電子負(fù)載，測(cè)試電路的輸出特性、V2L轉(zhuǎn)換效率。具體測(cè)試方案如表1所示。

表1 V2L功能電氣性能測(cè)試方案

2 結(jié)果與討論

2.1 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果如表2所示。V2L功能最大功率為3398.05W。

表2 V2L功能電氣性能測(cè)試結(jié)果

2.2 結(jié)果分析

（1）電壓電流輸出特性

設(shè)置電子負(fù)載為恒流CC模式，設(shè)置負(fù)載電流分別為0、5、10、16A，測(cè)試放電插座的實(shí)測(cè)電流、電流誤差、實(shí)測(cè)電壓、電壓誤差、實(shí)測(cè)頻率。電壓電流輸出特性如表3所示。實(shí)測(cè)電流、電壓隨負(fù)載電流變化如圖2所示。

表3 CC模式下電壓電流輸出特性

圖2 電流、電壓隨負(fù)載電流變化

如圖2所示，負(fù)載電流設(shè)定為16A時(shí)，電流誤差最大，電壓誤差最大。負(fù)載電流設(shè)定為10A時(shí)，電壓誤差最小。由表3可知，負(fù)載電流設(shè)定為0A時(shí)，頻率誤差最大。最大電壓誤差為-1.5%，最大電流誤差為-11.6%，最大頻率誤差為0.06%。

設(shè)置電子負(fù)載為固定電阻CR模式，設(shè)置負(fù)載電阻值分別為2500、44.4、22.1、15.3、12.7Ω，測(cè)試放電插座的實(shí)測(cè)電流、實(shí)測(cè)功率、實(shí)測(cè)電壓、實(shí)測(cè)頻率。電壓電流輸出特性如表4所示。實(shí)測(cè)電流、電壓隨負(fù)載電阻變化如圖3所示。

表4 CR模式下電壓電流輸出特性

圖3 電流、電壓隨負(fù)載電阻變化

如圖2所示，CR模式下負(fù)載電阻設(shè)定值從2500Ω減小到44.4Ω時(shí)，電流逐漸升高，電壓變化不大。負(fù)載電阻從44.4Ω減小為12.7Ω時(shí)，電流快速增加，電壓快速降低。由表4可知，隨著電阻減小，實(shí)測(cè)功率始終增加。最高實(shí)測(cè)功率3398.05W。最大頻率誤差為0.08%。

（2）RLC負(fù)載對(duì)電路功率因數(shù)和峰值系數(shù)的影響

為了討論RLC負(fù)載對(duì)電路功率因數(shù)和峰值系數(shù)的影響，改變電阻Rs、電感Ls，感性負(fù)載RL，電容C參數(shù)，設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)如表5所示。

表5 RLC負(fù)載變化對(duì)電路功率因數(shù)和峰值系數(shù)的影響

如表5所示，負(fù)載RLC模式，電感范圍設(shè)置為0～9999uH； 電容范圍，設(shè)置為100～9999uH。在負(fù)載電感、電容范圍內(nèi)V2L均正常工作。

功率因數(shù)（Power Factor, PF）反映了交流電路中實(shí)際消耗的有用功在整個(gè)電源容量中所占的份額，代表了交流電路中電能有效利用的程度。功率因數(shù)的高低反映了電路效率的高低。峰值系數(shù)（Crest Factor, CF）是電流峰值與有效值的比值。通常用來說明一個(gè)交流電源能夠在不失真的情況下輸出峰值負(fù)載電流的能力。峰值因數(shù)越高，它所能承受的非線性負(fù)載能力愈強(qiáng)，電源抗沖擊能力越強(qiáng)。

1）電感對(duì)電路功率因數(shù)、峰值系數(shù)的影響

為了討論電感對(duì)電路功率因數(shù)、峰值系數(shù)的影響，在電阻Rs=8Ω，感性負(fù)載RL=50Ω，電容C=100uF時(shí)，設(shè)置電感Ls分別為0、100、2000、9999uH，測(cè)試電路的功率因數(shù)、峰值系數(shù)。功率因數(shù)、峰值系數(shù)隨電感變化如圖4所示。

圖4 功率因數(shù)、峰值系數(shù)隨電感變化

如圖4所示，隨著電感增大，電路有功功率不斷增加，在0～2000uH時(shí)，功率因數(shù)保持在0.88左右，在9999uH時(shí)，功率因數(shù)增至0.893。峰值系數(shù)同樣隨著電感的增大逐步上升。在0～100uH時(shí)，峰值系數(shù)保持在1.772左右，在2000uH時(shí)，峰值系數(shù)增至1.803，在9999uH時(shí)，峰值系數(shù)增至1.856。

在2000～9999uH時(shí)，增大電感能夠顯著增加電路的功率因數(shù)和峰值系數(shù)。

2）感性負(fù)載對(duì)電路功率因數(shù)、峰值系數(shù)的影響

為了討論感性負(fù)載對(duì)電路功率因數(shù)、峰值系數(shù)的影響，在電阻Rs=8Ω，電感Ls=9999uH，電容C=100uF時(shí)，設(shè)置感性負(fù)載RL為10、25、50Ω，測(cè)試電路的功率因數(shù)、峰值系數(shù)。功率因數(shù)、峰值系數(shù)隨感性負(fù)載變化如圖5所示。

圖5 功率因數(shù)、峰值系數(shù)隨感性負(fù)載變化

如圖5所示，隨著感性負(fù)載增大，功率因數(shù)從0.985降至0.708，有功功率不斷降低，峰值系數(shù)從1.470升至1.856。改變感性負(fù)載，電路功率因數(shù)和峰值系數(shù)變化趨勢(shì)相反。

3）電容對(duì)電路功率因數(shù)、峰值系數(shù)的影響

為了討論電容對(duì)電路功率因數(shù)、峰值系數(shù)的影響，在電阻Rs=8Ω，電感Ls=0uH，阻性負(fù)載RL=50Ω時(shí)，設(shè)置電容C=100-9000uF，測(cè)試電路的功率因數(shù)、峰值系數(shù)。功率因數(shù)、峰值系數(shù)隨感性負(fù)載變化如圖5所示。

圖6 功率因數(shù)、峰值系數(shù)隨電感變化

如圖6所示，隨著電容增大，電路功率因數(shù)波動(dòng)變化，有功功率同樣波動(dòng)變化，電路的功率因數(shù)變化范圍為0.706-0.715，在電容為3000uF和6000uF時(shí)達(dá)到最大值0.715。隨著電容的增大，峰值系數(shù)先達(dá)到峰值后快速降低。在電容為200uF時(shí)，電路的峰值因數(shù)達(dá)到最高值2.424。電容對(duì)電路的功率因數(shù)的影響不大，對(duì)電路峰值系數(shù)影響顯著。

（3）車載用電器對(duì)V2L轉(zhuǎn)換效率的影響

為了討論車載用電器對(duì)V2L轉(zhuǎn)換效率的影響，設(shè)計(jì)了以下4種工況，對(duì)比4種工況下V2L的理想化輸出功率。

①電池包加熱和12V小電池同時(shí)工作。②空調(diào)和12V小電池同時(shí)工作。③空調(diào)和電池包加熱同時(shí)工作。④空調(diào)和PTC同時(shí)工作。測(cè)試點(diǎn)位置如圖7所示。分別測(cè)量電池包、電池包加熱、壓縮機(jī)、PTC、V2L輸出、12V小電池的電流和電壓。

圖7 測(cè)點(diǎn)位置

由于功率分析儀測(cè)試通道只有4個(gè)，故每次測(cè)試時(shí)連接通道均有所不同。V2L的理想輸出功率和轉(zhuǎn)化效率計(jì)算公式如下。

式中P總為車輛在該工況下可輸出的理想化總功率（單位W），PBMS為電池包輸出功率（單位W），PCH1、PCH3分別為功率分析儀通道1、3處的功率。

測(cè)試得到的4種工況下效率范圍和功率如表6所示。其中工況1-3測(cè)試功率為CH1處測(cè)試功率，工況4測(cè)試功率為CH3處測(cè)試功率。

表6 4種工況下效率范圍和功率

如表6所示，工況4得到的V2L轉(zhuǎn)換效率最高，即空調(diào)和PTC同時(shí)工作時(shí)，V2L轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最高值。

3 結(jié)束語

本文提供一種V2L功能電氣性能測(cè)試方法，并基于某款測(cè)試車型進(jìn)行了驗(yàn)證。測(cè)試車型V2L最大功率3398.05W,可以耐受沖擊性負(fù)載，最高放電轉(zhuǎn)換效率為100%（扣減空調(diào)和PTC加熱的功率）。測(cè)試方法可用于同類車型V2L功能電氣性能對(duì)標(biāo)測(cè)試。