用于電動(dòng)汽車(chē)直流充電樁的能效計(jì)量方案研究

劉建，徐晴，孫應(yīng)軍，周超，田正其，周濛

（1.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，南京210019；2.河南許繼儀表有限公司，河南許昌461000；3.武漢大學(xué)，武漢430072）

0 引 言

近年來(lái)，電動(dòng)汽車(chē)因其清潔、環(huán)保、高效的優(yōu)點(diǎn)逐漸得到許多國(guó)家的重點(diǎn)發(fā)展及廣泛應(yīng)用，而作為電動(dòng)汽車(chē)充電的重要配套設(shè)施，電動(dòng)汽車(chē)充電樁或充電站也得到了大量的建設(shè)［1-3］。電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)備的能效水平在一定程度上可以反映電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)節(jié)能減排的能力，因此，對(duì)其進(jìn)行綜合能效評(píng)估，對(duì)實(shí)現(xiàn)節(jié)能降損和提高能源利用率具有十分重要的意義。

電動(dòng)汽車(chē)充電樁是為電動(dòng)汽車(chē)充電最基礎(chǔ)的電力設(shè)施。其中，電動(dòng)汽車(chē)充電所用的直流充電樁含有大功率非線性直流充電機(jī)，在充放電的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生諧波，雖經(jīng)過(guò)必要的消諧裝置處理，但仍會(huì)有殘余諧波污染電網(wǎng)，同時(shí)可能產(chǎn)生錯(cuò)計(jì)電量的狀況，所以有必要對(duì)充電樁充電負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)影響進(jìn)行研究。另外，電動(dòng)汽車(chē)是脈動(dòng)式充電，充電過(guò)程存在大量的紋波，對(duì)計(jì)量表計(jì)也會(huì)產(chǎn)生影響，需要選擇特定的表計(jì)進(jìn)行測(cè)量。目前對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電樁能效測(cè)試尚不能直接完整地進(jìn)行，內(nèi)部電能計(jì)量的表計(jì)也不能直接溯源［4-6］。

文章提出一種用于電動(dòng)汽車(chē)直流充電樁的能效計(jì)量方案，通過(guò)設(shè)置合適的計(jì)量點(diǎn)，在計(jì)量點(diǎn)處安裝相應(yīng)的表計(jì)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量信息上傳至采集終端，進(jìn)行相應(yīng)的處理即可得到充電過(guò)程中的實(shí)時(shí)能效，且配置的后臺(tái)檢定設(shè)備可對(duì)外部安裝表計(jì)進(jìn)行檢定溯源，也可對(duì)充電樁內(nèi)部表計(jì)進(jìn)行外部檢定溯源。為得到充電樁內(nèi)部具體損耗分布，電能計(jì)算模塊可根據(jù)相關(guān)設(shè)備參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)，結(jié)合充電樁物理模型，進(jìn)行理論計(jì)算，為電動(dòng)汽車(chē)充電節(jié)能降損提供理論依據(jù)。同時(shí)，依照能效計(jì)量對(duì)充電樁進(jìn)行軟件仿真和實(shí)際測(cè)試，可分析充電樁充電負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)的諧波影響，研究電能表計(jì)的適用性，以及能效計(jì)量方案的可行性。

1 能效計(jì)量方案設(shè)計(jì)

為了對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電能效進(jìn)行計(jì)量，并且得到各充電設(shè)備的能耗情況，需要采集不同計(jì)量點(diǎn)的電氣參數(shù)，并通過(guò)相應(yīng)電能計(jì)算模塊進(jìn)行計(jì)算。對(duì)于配電變壓器和電力線路這類(lèi)充電配套裝置的能耗情況，可直接采用電能表計(jì)對(duì)其兩端電能的計(jì)量結(jié)果得到損耗數(shù)值。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)充電樁，由于其內(nèi)部結(jié)構(gòu)并不單一且不便拆卸，在得到整體損耗后，為了解具體元件的電能損耗情況，還需通過(guò)相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，結(jié)合具體參數(shù)進(jìn)行電能分析，以此提供損耗計(jì)量的理論結(jié)果。

電動(dòng)汽車(chē)直流充電樁外部裝有顯示器，可顯示電動(dòng)汽車(chē)充電電量及收賈情況，內(nèi)部含有計(jì)量電表、保護(hù)開(kāi)關(guān)電路、控制電路和非車(chē)載充電機(jī)等設(shè)備，可為電動(dòng)汽車(chē)蓄電池直接提供穩(wěn)定可靠的直流電源。充電樁的能耗除控制電路的損耗外，還包括充電機(jī)的損耗。

電動(dòng)汽車(chē)直流充電樁的能效計(jì)量方案如圖1所示。其中，電源對(duì)接口內(nèi)置電壓和電流互感器，把高電壓、大電流的交流信號(hào)轉(zhuǎn)換為小電壓信號(hào)輸出采集至充電樁輸出電能計(jì)量裝置，同時(shí)在充電樁對(duì)接口采集充電樁輸出直流電壓和直流電流，實(shí)現(xiàn)對(duì)充電樁效率、功率因數(shù)等的計(jì)量功能。充電樁后臺(tái)檢定設(shè)備集成有交流標(biāo)準(zhǔn)電能表和直流標(biāo)準(zhǔn)電能表，能對(duì)外部安裝表計(jì)進(jìn)行檢定，且能對(duì)充電樁內(nèi)置的交流電能表或直流電能表進(jìn)行外部檢定，使測(cè)量值可溯源。電能計(jì)算模塊通過(guò)采集的數(shù)據(jù)，可得到充電樁待機(jī)或工作狀態(tài)下的整體損耗以及損耗的理論分布，對(duì)充電樁生產(chǎn)技術(shù)的改進(jìn)具有很好的指導(dǎo)價(jià)值。

圖1 直流充電樁能效計(jì)量方案圖Fig.1 Energy efficiencymeasurement scheme diagram of DC charging pile

2 充電計(jì)量及電能分析

電動(dòng)汽車(chē)充電能效計(jì)量的主要目的是明確各個(gè)能耗設(shè)備的具體損耗電能值，包括配電變壓器、電力線路、充電樁及充電樁內(nèi)部元件等，只要在能耗設(shè)備的輸入端和輸出端加裝相應(yīng)的電能計(jì)量裝置就能實(shí)現(xiàn)對(duì)該設(shè)備整體能效計(jì)量的目的。對(duì)于內(nèi)部損耗情況，需進(jìn)行相應(yīng)的物理模型分析得到。

2.1 計(jì)量點(diǎn)的選擇

電動(dòng)汽車(chē)充電過(guò)程中計(jì)量點(diǎn)的設(shè)置位置如圖2所示。關(guān)于貿(mào)易結(jié)算用電能計(jì)量點(diǎn)，以設(shè)置在購(gòu)授電設(shè)施產(chǎn)權(quán)分界處為原則，對(duì)于充電站用電結(jié)算來(lái)說(shuō)，即設(shè)為計(jì)量點(diǎn)4；對(duì)于充電樁用電結(jié)算來(lái)說(shuō)，即為計(jì)量點(diǎn)5；對(duì)于用戶用電結(jié)算來(lái)說(shuō)，即計(jì)量點(diǎn)7。在圖2中的計(jì)量點(diǎn)1、2、3處分別配置電流互感器（CT）、電壓互感器（PT）以及電能表，就能實(shí)現(xiàn)配電變壓器的損耗測(cè)量。可得配電變壓器的損耗為：ΔP變＝P1－（P2＋P3）。在計(jì)量點(diǎn)2、4處分別加裝 CT、PT以及電能表，可得電力傳輸線路的損耗為：ΔP線＝P2－P4。同樣的，在計(jì)量點(diǎn)5、7加裝電表，可以得到直流充電樁的功率損耗為：ΔP直流樁＝P5－P7，其中，包括充電樁內(nèi)部控制單元損耗P控制。對(duì)于直流充電樁內(nèi)部損耗功率分布，需由電能分析模塊依據(jù)相應(yīng)設(shè)備參數(shù)和運(yùn)行參數(shù)等計(jì)算得出。

圖2 充電能效計(jì)量點(diǎn)選擇Fig.2 Choice of charging energy efficiencymeasurement points

對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)充電能效計(jì)量點(diǎn)的選擇，主要考慮兩方面的因素：經(jīng)濟(jì)效益和計(jì)量準(zhǔn)確性。所選計(jì)量點(diǎn)測(cè)量的輸入功率和輸出功率之間的差值應(yīng)可以提供所需測(cè)量的實(shí)際損耗，使經(jīng)濟(jì)效益最大；計(jì)量點(diǎn)一般選擇電壓、電流波形THD含量小的點(diǎn)，降低諧波對(duì)電表計(jì)量的影響，提高計(jì)量準(zhǔn)確性。

2.2 損耗分布的理論分析

直流充電樁含有充電機(jī)部分，其電能損耗除控制電路外，主要為充電機(jī)部分損耗。充電機(jī)即整流器，由IGBT和二極管元件組成，對(duì)其能耗的計(jì)算可依據(jù)IGBT和二極管的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行。由文獻(xiàn)［7-9］可知相關(guān)電力電子器件損耗計(jì)算公式，通過(guò)MATLAB計(jì)算程序結(jié)合具體參數(shù)可以得到直流充電樁內(nèi)部損耗分布。

2.2.1 整流器損耗計(jì)算

整流器損耗功率主要包括：IGBT的通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗、并聯(lián)二極管的通態(tài)損耗以及反向截止損耗。在確定IGBT和二極管的型號(hào)后，可得到相關(guān)特性曲線，例如IGBT的VCE-iC曲線，如圖3所示，可對(duì)其用二次函數(shù)（VCE＝RsiC2／Is＋RTiC＋VCE0）近似擬合。

圖3 IGBT的V CE－I C曲線Fig.3 V CE－I C curve of IGBT

考慮開(kāi)關(guān)頻率、結(jié)溫等因素的影響，可計(jì)算整流器的損耗。IGBT的通態(tài)損耗計(jì)算為：

式中 PT為 IGBT通態(tài)損耗，其中 A1、A2、A3為VCE-IC（IGBT導(dǎo)通電壓對(duì)導(dǎo)通電流）特性曲線的擬合系數(shù)；DT為IGBT調(diào)制過(guò)程中的占空比。

IGBT的開(kāi)關(guān)損耗計(jì)算為：

式中PSW為IGBT的開(kāi)關(guān)損耗，包括開(kāi)通損耗Pon和關(guān)斷損耗 Poff，其中 μ1、μ2、μ3和 μ4、μ5、μ6分別是Eon-IC（開(kāi)通功率損耗對(duì)IGBT導(dǎo)通電流）特性曲線和Eoff-IC（關(guān)斷功率損耗對(duì)IGBT導(dǎo)通電流）特性曲線的擬合系數(shù)，f＝f0×fs，即工作頻率和開(kāi)關(guān)頻率的乘積。

由此可得IGBT的功率損耗為：

式中 PIGBT為IGBT元件一個(gè)工作周期的損耗功率。

并聯(lián)二極管的通態(tài)損耗計(jì)算為：

式中 PD為二極管通態(tài)損耗；B1、B2、B3為 VF-IF（二極管正向電壓對(duì)正向電流）特性曲線的擬合系數(shù)；DD為二極管導(dǎo)通時(shí)的占空比。

二極管的反向截止損耗計(jì)算為：

式中 Prec為二極管反向截止損耗；λ1、λ2、λ3為Erec-IF（反向恢復(fù)損耗功率對(duì)二極管正向電流）特性曲線的擬合系數(shù)；f＝f0×fs，即工作頻率和開(kāi)關(guān)頻率的乘積。

由此可得并聯(lián)二極管的功率損耗為式（6）：

式中Pdiode為并聯(lián)二極管元件一個(gè)工作周期的損耗功率。

2.2.2 損耗分析算例

以某型號(hào)直流充電樁為例，計(jì)算其內(nèi)部整流器部分的損耗分布。工作條件：直流電壓Udc＝500 V；交流電壓Us＝220 V；有功功率P＝14 kW；無(wú)功功率Q＝100 var；開(kāi)關(guān)頻率 fs＝10 kHz；結(jié)溫 Tj＝25℃；死區(qū)時(shí)間 td＝（1.704×10－6）s；開(kāi)關(guān)器件 IGBT選用的型號(hào)為FZ800R33KF2C，二極管選用的型號(hào)為1N5817。根據(jù)廠家提供的器件特性數(shù)據(jù)，對(duì)各特性曲線進(jìn)行擬合，將得到的擬合系數(shù)代入損耗計(jì)算程序中，可得到各部分的損耗功率，1 s時(shí)間內(nèi)的電能損耗計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)備損耗理論分布Tab.1 Loss theoretical distribution of electric vehicle charging equipment

通過(guò)理論計(jì)算分析，充電機(jī)的損耗來(lái)源主要是并聯(lián)電力二極管的通態(tài)損耗，也是直流充電樁功率損耗的主要來(lái)源，工業(yè)上應(yīng)通過(guò)減小二極管的通態(tài)阻抗或選用低能耗的電力二極管，來(lái)提高充電樁的運(yùn)行效率，降低電動(dòng)汽車(chē)充電對(duì)電網(wǎng)質(zhì)量的影響，使充電設(shè)施的大規(guī)模建設(shè)具有可行性。

3 充電樁能效計(jì)量仿真分析

電動(dòng)汽車(chē)充電樁作為電力負(fù)荷接入電網(wǎng)，當(dāng)增加到一定數(shù)量時(shí)，會(huì)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)運(yùn)行產(chǎn)生不可忽略的影響。因此，有必要研究充電樁接入電網(wǎng)后負(fù)荷端電壓、電流的變化情況，以確定充電樁這類(lèi)非線性負(fù)荷對(duì)電能質(zhì)量的影響及計(jì)量電表的類(lèi)型，增加電能計(jì)量準(zhǔn)確性，同時(shí)根據(jù)仿真和實(shí)測(cè)的電能分析結(jié)果，對(duì)照模型損耗計(jì)算結(jié)果，研究計(jì)量方案的準(zhǔn)確性及可行性。

3.1 充電樁仿真試驗(yàn)

直流充電樁的充電機(jī)為整流裝置，其輸入交流，輸出直流，需具體研究輸入輸出特性以確定計(jì)量器具的性能要求及計(jì)量方案的準(zhǔn)確性。本文中的仿真試驗(yàn)采用MATLAB軟件，直流充電樁模型采用三相橋式可控整流電路，仿真電路如圖4所示，電源電壓為有效值220 V的正弦波，模擬電網(wǎng)輸入，交流側(cè)電阻為0.5Ω，電感為8 mH，直流側(cè)電容為4 000μF。運(yùn)行后分析整流電路電網(wǎng)側(cè)電壓電流波形，直流側(cè)電壓波形，以及電能（功率）計(jì)量。

圖4 直流充電樁仿真模型Fig.4 Simulation model of DC charging pile

3.2 波形分析及能效計(jì)量結(jié)果

仿真試驗(yàn)中，充電樁所含整流器采用三相橋式全控整流，在能效計(jì)量方案對(duì)應(yīng)的計(jì)量點(diǎn)處設(shè)置示波器測(cè)試波形，可得交流側(cè)單相電壓、電流仿真波形如圖5所示，可以看出其功率因數(shù)達(dá)到1，即交流側(cè)電壓和電流可達(dá)到同相位，相位差為0。

圖5 交流側(cè)仿真電壓、電流波形Fig.5 Simulated voltage，currentwaveform in AC side

充電樁負(fù)荷對(duì)電網(wǎng)電壓波形影響不大，基本保持在正弦規(guī)律；在充電樁非線性負(fù)荷的影響下，交流側(cè)電流發(fā)生畸變，會(huì)向系統(tǒng)輸送諧波電流。對(duì)三相整流器的A相交流電壓、電流波形進(jìn)行FFT諧波分析可得各次電壓幅值，電流幅值，相角和功率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 三相橋式交流不帶內(nèi)阻整流電路試驗(yàn)中A相各次電壓電流幅值，相角和功率Tab.2 A phase voltage and current amplitude，phase angle，power in three-phase full bridge rectifier circuit

由表2中試驗(yàn)結(jié)果分析可知，在三相橋式整流型充電樁仿真試驗(yàn)中，電源電壓為正弦波時(shí)，交流側(cè)電流發(fā)生畸變，向系統(tǒng)輸送諧波電流，根據(jù)三角函數(shù)的正交性，三相橋式整流型充電樁負(fù)荷并不向系統(tǒng)輸送諧波功率，電能表計(jì)量的是基波功率。由文獻(xiàn)［10-11］可知，此時(shí)采用感應(yīng)式電能表和電子式電能表對(duì)計(jì)量結(jié)果的誤差影響相同，可以按實(shí)際情況選取。充電樁負(fù)荷側(cè)仿真輸出電壓、電流穩(wěn)定后波形如圖6所示，可以看出，直流充電樁輸出直流波形基本穩(wěn)定，直流紋波在0.16%左右，對(duì)于直流側(cè)的電能表計(jì)應(yīng)考慮紋波影響。

圖6 充電樁負(fù)荷側(cè)輸出波形Fig.6 Outputwaveform of charging pile in load side

通過(guò)對(duì)仿真試驗(yàn)中交流側(cè)及直流側(cè)的運(yùn)行功率進(jìn)行分析，計(jì)算1 s至2 s時(shí)間內(nèi)充電樁輸入電能及輸出電能（W＝3 UIt），分析結(jié)果如表3所示，可以得到整流器部分的功率損耗為154 J，考慮到控制單元的損耗，占交流側(cè)輸入功率的1.099%，與按理論損耗分析得到的損耗比例基本一致，可以看出按上述方案對(duì)直流充電樁進(jìn)行能效計(jì)量是具有可行性的。

表3 直流充電樁仿真電能損耗分析Tab.3 Simulated energy loss analysis of DC charging pile

現(xiàn)對(duì)型號(hào)為EVQC31-120A 500V-A1的直流充電樁按上述設(shè)計(jì)的能效計(jì)量方案進(jìn)行測(cè)試，可得到測(cè)試波形。由于實(shí)際電路誤差和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)條件等的影響，實(shí)際充電樁輸入輸出波形與仿真波形不能達(dá)到一致，但其原理相同，所達(dá)到的運(yùn)行效果也是一致的。其中，交流側(cè)電壓、電流穩(wěn)定波形如圖7所示，負(fù)荷側(cè)輸出直流電壓、電流穩(wěn)定后波形如圖8所示。

圖7 充電樁交流側(cè)電壓、電流波形Fig.7 Voltage and currentwaveform of charging pile in AC side

圖8 充電樁負(fù)荷側(cè)電壓電流波形Fig.8 Voltage and currentwaveform of charging pile in DC side

由圖7可以看出，交流側(cè)電壓電流相位基本相同，功率因數(shù)為1，系統(tǒng)不會(huì)向電網(wǎng)輸送諧波功率。圖8中直流紋波較高，可以看出受運(yùn)行條件影響，實(shí)際充電樁輸出直流電壓較仿真輸出更不穩(wěn)定，直流電壓表計(jì)對(duì)紋波的抗干擾能力需要達(dá)到1%左右，電流表計(jì)則需達(dá)到5%左右。根據(jù)文獻(xiàn)［12-13］討論的直流紋波信號(hào)對(duì)兩種直流電能計(jì)量方法（一種是分別使用直流電壓表和直流電流表測(cè)量其有效值再相乘得出直流功率以計(jì)算直流電能值，另一種是對(duì)電壓電流同步采樣，使用瞬時(shí)功率積分計(jì)算直流電能值）的影響可知，當(dāng)信號(hào)UdId（直流電壓電流的乘積）紋波含量不超過(guò)1%時(shí)，電能值計(jì)量誤差不超過(guò)0.02%，對(duì)于誤差等級(jí)為1%的安裝式直流電能表來(lái)說(shuō)可忽略不計(jì)。因此當(dāng)電壓、電流乘積信號(hào)的紋波分量控制在1%時(shí)，安裝式直流電能表對(duì)于直流充電樁是適用的。

根據(jù)充電樁測(cè)試結(jié)果對(duì)1 s至1.2 s時(shí)間內(nèi)的輸入、輸出電能進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表4所示，其電能損耗占比為2.1%左右。考慮到實(shí)際情況下諧波影響和工作狀態(tài)不同產(chǎn)生的額外損耗及電能表的計(jì)量誤差產(chǎn)生的損耗差值，可以得出對(duì)直流充電樁依照能效計(jì)量方案進(jìn)行實(shí)際測(cè)試所得的電能損耗結(jié)果與仿真及模型計(jì)算分析結(jié)果基本一致，該檢測(cè)方法具有適用性。

表4 直流充電樁實(shí)測(cè)電能損耗分析Tab.4 Actualmeasured energy analysis of DC charging pile

4 結(jié)束語(yǔ)

文章根據(jù)相關(guān)因素設(shè)置合適的電能計(jì)量點(diǎn)，設(shè)計(jì)了一種可溯源的電動(dòng)汽車(chē)直流充電樁能效計(jì)量方案，通過(guò)定量分析和實(shí)測(cè)結(jié)果可得如下結(jié)論：

（1）由直流充電樁的物理模型，結(jié)合其運(yùn)行參數(shù)和設(shè)備參數(shù)，可通過(guò)理論分析得到三相橋式整流器部分的損耗率為1.2%左右，其中主要損耗為電力二極管的通態(tài)損耗；

（2）充電樁交流側(cè)向電網(wǎng)輸送諧波電流，對(duì)電壓無(wú)影響，根據(jù)三角函數(shù)的正交性，可用基波電能表進(jìn)行電能計(jì)量；負(fù)荷側(cè)直流紋波在0.16%左右，電能計(jì)量需考慮紋波影響；

（3）依照計(jì)量方案對(duì)實(shí)際充電樁進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)實(shí)測(cè)波形和電能分析，考慮實(shí)際情況下諧波影響及電表誤差，其能效計(jì)量結(jié)果與物理模型計(jì)算和仿真分析結(jié)果基本一致。