非車載充電機運行效率的測試及研究

王玉元，廖 杰，楊紅本，劉 璇，范 華，楊春鳳

(云南省計量測試技術研究院，云南 昆明 650228)

0 引 言

隨著國家《節能與新能源汽車產業發展規劃（2012-2020）》[1]的推進實施，國內電動汽車使用量迅速增長，對非車載公共充電設施的需求快速攀升，非車載公共充電設施進入大規模建設應用階段[2]，其運行效率受到廣泛關注。對非車載大功率充電設施的運行效率，在國家能源行業標準NB/T 33001—2018中已作出規定[3]，然而，目前在日常的檢測、實際驗收、使用等過程，針對充電機運行效率的測試研究較少，不利于促進電能利用效率提高。文章針對大功率直流充電設施運行效率進行測試及驗證研究，為直流充電機運行效率的優化改進、高效運行提供技術參考。

1 非車載充電設施相關標準和效率要求

非車載充電設施相關行業標準包括：NB/T 33001—2018《電動汽車非車載傳導式充電機技術條件》、NB/T 33008.1—2018[4]《電動汽車充電設備檢驗試驗規范 第1部分 非車載充電機》、NB/T 33008.2—2018[5]《電動汽車充電設備檢驗試驗規范 第2部分 交流充電樁》等。

表 1 非車載傳導式充電機效率、輸入功率因數要求1）

NB/T 33008.1—2018標準中，對非車載充電機運行效率、輸入功率因數指標的檢驗，規定型式試驗時為必檢項目，出廠檢驗時為選檢項目，難于確保投入市場的非車載充電機實際運行效率完全符合要求；由于技術原理及測試條件限制、測試評價方法不完善，功率器件一致性、制造過程關鍵器件篩選、過程質控水平等方面存在差異，尤其在輕載運行時易出現效率不達標問題[6-10]。

2 測試方案設計

2.1 檢測系統構成

以輸出功率75 kW及以下的非車載充電機為例（設計充電機額定輸出電壓Un=750 V，額定輸出電流In=100 A），運行效率檢測系統構成如圖1所示。

圖 1 檢測系統構成

圖1中，檢測系統由主控單元、三相交流測量儀、直流測量儀、直流電子負載、BMS模擬器構成。電子負載模擬電動汽車動力電池組充電過程，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標準[11]的電動汽車BMS模擬器，通過CAN總線配置充電參數、流程，實現非車載充電機充電過程的模擬。

圖1中檢測系統所示檢測及控制設備，均配備符合ISO 11898:2—2016國際標準[12]的隔離CAN總線接口，實現主控單元與檢測（配套）設備之間的各類信息（控制指令、配置參數、數據）傳輸。

2.2 檢測系統控制流程

檢測系統由主控單元控制非車載充電機、三相交流測量儀、直流測量儀、BMS模擬器、電子負載，按設定流程進行效率測試。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，通過CAN總線依次對非車載充電機、三相交流測量儀、直流測量儀、BMS模擬器、電子負載發出配置命令；各工作參數配置成功后，主控單元啟動測量，接收各單元測量過程的狀態信息、故障報警信息、測量單元測得數據結果，對收到的狀態信息、故障報警信息、數據結果進行實時分析判斷，根據分析判斷結果作出下一步控制（繼續正常測量、立即停止測量、測量正常結束等）；當設定的測量過程全部正常完成，主控單元控制各單元結束測量，對測量數據進行分析、處理、顯示、匯總。

2.3 檢測系統技術指標

2.3.1 交流測量指標

李耕田并沒有買我的賬。當我提起刷子準備修改錯字時，李耕田說，四眼兒張咱丑話說前頭，你改錯字可以，把活干利索點。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；在輸入為額定電壓，輸入電流范圍（5～120）%時測量準確度優于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級直流比較儀進行隔離調理，電壓輸入通道采用精密電阻分壓。可測量直流電流、電壓、功率、電能參數，在輸入額定電壓，電流范圍（10～120）%時，直流測量準確度優于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 運行效率測試點

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

表 2 運行效率選定測試點

2.3.4 測試過程設計

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

對同一臺直流充電機，在恒流充電模式下，通過相同時間內交流輸入電能、直流輸出電能直接比對，驗證充電機運行效率測試結果的一致性。

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

3 測試結果分析

3.1 恒流充電模式運行效率測試結果分析

被測直流充電機額定輸出功率為30 kW（750 V、40 A），在恒流充電模式下，其運行效率測試結果如表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

恒流充電模式運行效率曲線如圖5所示。可以看出，對于每一個設定的充電電流值（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。從充電機運行效率衰減程度來看，恒定充電電流越高，隨著設定輸出電壓降低，充電機運行效率衰減越小，反之運行效率衰減就越明顯。例如恒流40 A充電時，當設定輸出電壓從700 V降低到200 V，充電機運行效率從95.88%降到92.34%，下降約3.5個百分點；設定恒流5 A充電時，則對應充電機運行效率從88.78%降到81.79%，下降約7個百分點。當直流輸出功率小于3 kW后，充電機運行效率低于88%。

圖 5 恒流充電模式運行效率曲線

3.2 恒壓充電模式運行效率測試結果分析

在恒壓充電模式下，被測直流充電機運行效率測試結果如表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，從測量結果和效率曲線圖可以看出，對于每一個設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，運行效率隨之降低；在設定小于電流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，對應充電機運行效率從95.44%降低到93.39%，下降約2個百分點；當輸出電流從50%減小到10%時，對應充電機運行效率從93.39%減少到84.14%，下降約9個百分點。當輸出功率小于4 kW后，充電機運行效率小于90%。恒壓充電模式運行效率曲線如圖6所示。

圖 6 恒壓充電模式運行效率曲線

4 測試結果驗證

采用輸入交流電能與輸出直流電能比對的方法，來對運行效率測試結果進行驗證。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，驗證結果如表9～表11所示。用電能比對方法進行測量驗證，所得運行效率曲線如圖7所示。

圖 7 電能測量驗證運行效率曲線

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果比較，在同一測量點，運行效率測得值絕對差小于0.2%，所呈現的效率曲線完全一致。由此可確認，在交流輸入功率穩定的情況下，功率比較法得到的數據準確、可靠，功率比較法較電能比對法更簡便、省時。

隨機選取5臺在用的功率為30 kW的充電機（輸出電壓750 V，電流40 A），每臺充電機分別配置恒壓輸出700 V，在100%、50%和20%電流輸出時，進行充電機運行效率測試驗證，與前述結果一致。測試驗證結果如表12所示。

表 12 多臺充電機運行效率驗證 %

5 結束語

通過對非車載充電機運行效率的測量、驗證研究，為大功率充電機運行效率的管控提升、充電機運行效率的優化改進提供參考。有利于促進非車載充電機生產企業進一步加大技術創新、提升質控水平，支撐大規模公共充電設施建設選用的大功率充電機檢測驗收一次合格，保障公共充電設施建設工程質量效益提升；有利于公共充電運營方對大功率充電機運行效率實施優化管控，降低非車載公共充電機電能損耗，節約運行成本；有利于各級節能主管部門加強節能監察考核，各級市場監管部門規范公共充電市場秩序，促進公共充電領域電能利用效率提升，助力國家節能“雙控”目標達成。測試及驗證結果表明，大功率非車載充電機在輸出功率為額定功率的20%運行時，其運行效率明顯降低，應進一步探索運行效率提升改進的技術措施、優化策略；建議相關的國家/行業技術標準修訂時，對大功率非車載充電機運行效率指標明確出廠檢驗控制、驗收檢測驗證的要求，通過技術、市場手段推動電能利用率進一步提高。