非車載充電機(jī)運(yùn)行效率的測試及研究

王玉元，廖 杰，楊紅本，劉 璇，范 華，楊春鳳

(云南省計(jì)量測試技術(shù)研究院，云南 昆明 650228)

0 引 言

隨著國家《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012-2020）》[1]的推進(jìn)實(shí)施，國內(nèi)電動(dòng)汽車使用量迅速增長，對非車載公共充電設(shè)施的需求快速攀升，非車載公共充電設(shè)施進(jìn)入大規(guī)模建設(shè)應(yīng)用階段[2]，其運(yùn)行效率受到廣泛關(guān)注。對非車載大功率充電設(shè)施的運(yùn)行效率，在國家能源行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 33001—2018中已作出規(guī)定[3]，然而，目前在日常的檢測、實(shí)際驗(yàn)收、使用等過程，針對充電機(jī)運(yùn)行效率的測試研究較少，不利于促進(jìn)電能利用效率提高。文章針對大功率直流充電設(shè)施運(yùn)行效率進(jìn)行測試及驗(yàn)證研究，為直流充電機(jī)運(yùn)行效率的優(yōu)化改進(jìn)、高效運(yùn)行提供技術(shù)參考。

1 非車載充電設(shè)施相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和效率要求

非車載充電設(shè)施相關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)包括：NB/T 33001—2018《電動(dòng)汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)技術(shù)條件》、NB/T 33008.1—2018[4]《電動(dòng)汽車充電設(shè)備檢驗(yàn)試驗(yàn)規(guī)范 第1部分 非車載充電機(jī)》、NB/T 33008.2—2018[5]《電動(dòng)汽車充電設(shè)備檢驗(yàn)試驗(yàn)規(guī)范 第2部分 交流充電樁》等。

表 1 非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)效率、輸入功率因數(shù)要求1）

NB/T 33008.1—2018標(biāo)準(zhǔn)中，對非車載充電機(jī)運(yùn)行效率、輸入功率因數(shù)指標(biāo)的檢驗(yàn)，規(guī)定型式試驗(yàn)時(shí)為必檢項(xiàng)目，出廠檢驗(yàn)時(shí)為選檢項(xiàng)目，難于確保投入市場的非車載充電機(jī)實(shí)際運(yùn)行效率完全符合要求；由于技術(shù)原理及測試條件限制、測試評價(jià)方法不完善，功率器件一致性、制造過程關(guān)鍵器件篩選、過程質(zhì)控水平等方面存在差異，尤其在輕載運(yùn)行時(shí)易出現(xiàn)效率不達(dá)標(biāo)問題[6-10]。

2 測試方案設(shè)計(jì)

2.1 檢測系統(tǒng)構(gòu)成

以輸出功率75 kW及以下的非車載充電機(jī)為例（設(shè)計(jì)充電機(jī)額定輸出電壓Un=750 V，額定輸出電流In=100 A），運(yùn)行效率檢測系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

圖 1 檢測系統(tǒng)構(gòu)成

圖1中，檢測系統(tǒng)由主控單元、三相交流測量儀、直流測量儀、直流電子負(fù)載、BMS模擬器構(gòu)成。電子負(fù)載模擬電動(dòng)汽車動(dòng)力電池組充電過程，具備CAN總線接口與主控單元通信；BMS模擬器采用符合GB/T 27930—2015標(biāo)準(zhǔn)[11]的電動(dòng)汽車BMS模擬器，通過CAN總線配置充電參數(shù)、流程，實(shí)現(xiàn)非車載充電機(jī)充電過程的模擬。

圖1中檢測系統(tǒng)所示檢測及控制設(shè)備，均配備符合ISO 11898:2—2016國際標(biāo)準(zhǔn)[12]的隔離CAN總線接口，實(shí)現(xiàn)主控單元與檢測（配套）設(shè)備之間的各類信息（控制指令、配置參數(shù)、數(shù)據(jù)）傳輸。

2.2 檢測系統(tǒng)控制流程

檢測系統(tǒng)由主控單元控制非車載充電機(jī)、三相交流測量儀、直流測量儀、BMS模擬器、電子負(fù)載，按設(shè)定流程進(jìn)行效率測試。測試軟件控制流程如圖2所示。

圖 2 測試軟件控制流程圖

主控單元選定效率測試點(diǎn)，通過CAN總線依次對非車載充電機(jī)、三相交流測量儀、直流測量儀、BMS模擬器、電子負(fù)載發(fā)出配置命令；各工作參數(shù)配置成功后，主控單元啟動(dòng)測量，接收各單元測量過程的狀態(tài)信息、故障報(bào)警信息、測量單元測得數(shù)據(jù)結(jié)果，對收到的狀態(tài)信息、故障報(bào)警信息、數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)分析判斷，根據(jù)分析判斷結(jié)果作出下一步控制（繼續(xù)正常測量、立即停止測量、測量正常結(jié)束等）；當(dāng)設(shè)定的測量過程全部正常完成，主控單元控制各單元結(jié)束測量，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理、顯示、匯總。

2.3 檢測系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)

2.3.1 交流測量指標(biāo)

李耕田并沒有買我的賬。當(dāng)我提起刷子準(zhǔn)備修改錯(cuò)字時(shí)，李耕田說，四眼兒張?jiān)鄢笤捳f前頭，你改錯(cuò)字可以，把活干利索點(diǎn)。你要在我墻上胡寫亂畫，我可要找到你家里去的。

交流測量選擇準(zhǔn)確度為0.05級的三相交流測量儀，前端采用3×（100 A/5 A）、0.01 級CT，將100 A電流變換為5 A接入；3×220 V輸入電壓直接接入三相交流測量儀，如圖3所示。

圖 3 三相交流測量接線圖

三相交流測量儀可測量交流電流、電壓、有功功率、有功電能、無功功率、視在功率、功率因數(shù)；在輸入為額定電壓，輸入電流范圍（5～120）%時(shí)測量準(zhǔn)確度優(yōu)于0.05級。

2.3.2 直流測量儀

直流測量儀電流輸入通道采用0.01級直流比較儀進(jìn)行隔離調(diào)理，電壓輸入通道采用精密電阻分壓?？蓽y量直流電流、電壓、功率、電能參數(shù)，在輸入額定電壓，電流范圍（10～120）%時(shí)，直流測量準(zhǔn)確度優(yōu)于0.1級。直流測量儀原理框圖如圖4所示。

圖 4 直流測量儀原理框圖

2.3.3 運(yùn)行效率測試點(diǎn)

依照NB/T 33008.1—2018標(biāo)準(zhǔn)，以額定輸出功率為30 kW（750 V、40 A）的直流充電機(jī)為例，選定運(yùn)行效率測試點(diǎn)如表2所示（T1～T10代表選定測試點(diǎn)）。

表 2 運(yùn)行效率選定測試點(diǎn)

2.3.4 測試過程設(shè)計(jì)

選一臺額定輸出功率為30 kW（750 V、40 A）的直流充電機(jī)，分別在恒流充電模式、恒壓充電模式運(yùn)行，通過采集交流輸入功率、直流輸出功率，得到充電機(jī)運(yùn)行效率測試結(jié)果。

對同一臺直流充電機(jī)，在恒流充電模式下，通過相同時(shí)間內(nèi)交流輸入電能、直流輸出電能直接比對，驗(yàn)證充電機(jī)運(yùn)行效率測試結(jié)果的一致性。

隨機(jī)選取5臺額定輸出功率為30 kW（750 V、40 A）的直流充電機(jī)，在恒壓充電模式下，測試驗(yàn)證每臺充電機(jī)滿載輸出、半載輸出和最小負(fù)載的運(yùn)行效率。

3 測試結(jié)果分析

3.1 恒流充電模式運(yùn)行效率測試結(jié)果分析

被測直流充電機(jī)額定輸出功率為30 kW（750 V、40 A），在恒流充電模式下，其運(yùn)行效率測試結(jié)果如表3～表5所示。

表 3 恒流充電電流 40A

表 4 恒流充電電流20 A

表 5 恒流充電電流5 A

恒流充電模式運(yùn)行效率曲線如圖5所示?？梢钥闯觯瑢τ诿恳粋€(gè)設(shè)定的充電電流值（40 A、20 A、5 A），隨著電壓的減少，即輸出功率的減少，充電效率隨之降低。從充電機(jī)運(yùn)行效率衰減程度來看，恒定充電電流越高，隨著設(shè)定輸出電壓降低，充電機(jī)運(yùn)行效率衰減越小，反之運(yùn)行效率衰減就越明顯。例如恒流40 A充電時(shí)，當(dāng)設(shè)定輸出電壓從700 V降低到200 V，充電機(jī)運(yùn)行效率從95.88%降到92.34%，下降約3.5個(gè)百分點(diǎn)；設(shè)定恒流5 A充電時(shí)，則對應(yīng)充電機(jī)運(yùn)行效率從88.78%降到81.79%，下降約7個(gè)百分點(diǎn)。當(dāng)直流輸出功率小于3 kW后，充電機(jī)運(yùn)行效率低于88%。

圖 5 恒流充電模式運(yùn)行效率曲線

3.2 恒壓充電模式運(yùn)行效率測試結(jié)果分析

在恒壓充電模式下，被測直流充電機(jī)運(yùn)行效率測試結(jié)果如表6～表8所示。

表 6 恒壓充電電壓700 V

表 7 恒壓充電電壓500 V

表 8 恒壓充電電壓200 V

恒壓充電模式下，從測量結(jié)果和效率曲線圖可以看出，對于每一個(gè)設(shè)定的固定充電電壓值（700 V、500 V、200 V），隨著輸出電流的減小，即輸出功率的減小，運(yùn)行效率隨之降低；在設(shè)定小于電流50%以下，效率下降趨勢明顯。以恒壓500 V充電為例，輸出電流從額定值100%減小到50%時(shí)，對應(yīng)充電機(jī)運(yùn)行效率從95.44%降低到93.39%，下降約2個(gè)百分點(diǎn)；當(dāng)輸出電流從50%減小到10%時(shí)，對應(yīng)充電機(jī)運(yùn)行效率從93.39%減少到84.14%，下降約9個(gè)百分點(diǎn)。當(dāng)輸出功率小于4 kW后，充電機(jī)運(yùn)行效率小于90%。恒壓充電模式運(yùn)行效率曲線如圖6所示。

圖 6 恒壓充電模式運(yùn)行效率曲線

4 測試結(jié)果驗(yàn)證

采用輸入交流電能與輸出直流電能比對的方法，來對運(yùn)行效率測試結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。為保證測量精度和可靠性，每次測量保證輸出直流電能測得值大于1 kWh。

以恒流充電模式為例，在輸出恒定電流分別為40 A、20 A、5 A時(shí)，驗(yàn)證結(jié)果如表9～表11所示。用電能比對方法進(jìn)行測量驗(yàn)證，所得運(yùn)行效率曲線如圖7所示。

圖 7 電能測量驗(yàn)證運(yùn)行效率曲線

表 9 輸出恒定電流40 A

表 10 輸出恒定電流20 A

表 11 輸出恒定電流5 A

通過兩種測量方法測得結(jié)果比較，在同一測量點(diǎn)，運(yùn)行效率測得值絕對差小于0.2%，所呈現(xiàn)的效率曲線完全一致。由此可確認(rèn)，在交流輸入功率穩(wěn)定的情況下，功率比較法得到的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，功率比較法較電能比對法更簡便、省時(shí)。

隨機(jī)選取5臺在用的功率為30 kW的充電機(jī)（輸出電壓750 V，電流40 A），每臺充電機(jī)分別配置恒壓輸出700 V，在100%、50%和20%電流輸出時(shí)，進(jìn)行充電機(jī)運(yùn)行效率測試驗(yàn)證，與前述結(jié)果一致。測試驗(yàn)證結(jié)果如表12所示。

表 12 多臺充電機(jī)運(yùn)行效率驗(yàn)證 %

5 結(jié)束語

通過對非車載充電機(jī)運(yùn)行效率的測量、驗(yàn)證研究，為大功率充電機(jī)運(yùn)行效率的管控提升、充電機(jī)運(yùn)行效率的優(yōu)化改進(jìn)提供參考。有利于促進(jìn)非車載充電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)一步加大技術(shù)創(chuàng)新、提升質(zhì)控水平，支撐大規(guī)模公共充電設(shè)施建設(shè)選用的大功率充電機(jī)檢測驗(yàn)收一次合格，保障公共充電設(shè)施建設(shè)工程質(zhì)量效益提升；有利于公共充電運(yùn)營方對大功率充電機(jī)運(yùn)行效率實(shí)施優(yōu)化管控，降低非車載公共充電機(jī)電能損耗，節(jié)約運(yùn)行成本；有利于各級節(jié)能主管部門加強(qiáng)節(jié)能監(jiān)察考核，各級市場監(jiān)管部門規(guī)范公共充電市場秩序，促進(jìn)公共充電領(lǐng)域電能利用效率提升，助力國家節(jié)能“雙控”目標(biāo)達(dá)成。測試及驗(yàn)證結(jié)果表明，大功率非車載充電機(jī)在輸出功率為額定功率的20%運(yùn)行時(shí)，其運(yùn)行效率明顯降低，應(yīng)進(jìn)一步探索運(yùn)行效率提升改進(jìn)的技術(shù)措施、優(yōu)化策略；建議相關(guān)的國家/行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)修訂時(shí)，對大功率非車載充電機(jī)運(yùn)行效率指標(biāo)明確出廠檢驗(yàn)控制、驗(yàn)收檢測驗(yàn)證的要求，通過技術(shù)、市場手段推動(dòng)電能利用率進(jìn)一步提高。