交流充電樁沖擊電流測試平臺設計

謝鵬飛，唐德平，黃才能，彭凱

（合肥科威爾電源系統股份有限公司，安徽合肥，230093）

隨著新能源電動汽車的發展，交流充電樁的使用越發普及，而交流充電樁充電過程中對于配電網的影響也逐步受到關注[1]。依據IEC標準[2~4]和ISO標準[5]對于交流沖擊測試的規范，本文提出了一種利用電力電子開關技術的測試平臺方案，研制了一款滿足交流充電樁輸入沖擊電流的測試平臺。所采用的拓撲結構和控制方法，保證了測試過程的精準、可控。

1 測試系統方案的設計

1.1 系統方案設計

交流充電樁沖擊電流測試平臺是驗證交流充電樁在啟動工作過程中，在電網輸入端產生一個短時沖擊電流，用于驗證被試交流充電樁的承受能力。

IEC61439-7標準[2]提供了一個理論的測試波形，要求在最大允許的T1時間（20μs）內，電流能夠迅速達到200A±10A，峰值電流不超過230A，在峰值電流后，電流能夠在30μs +20μs范圍內，恢復到66A±3A。如圖1所示。

圖1 IEC標準的參考沖擊電流波形

交流充電樁沖擊電流測試平臺包含鎖相采樣電路、開關控制單元、主控單元以及RLC負載，主電路拓撲設計如圖2所示。測試平臺在交流充電樁輸出搭建兩條回路，分別是S1/R2回路和RLC負載回路。其中，S1/R2回路模擬交流充電樁的額定負載電流，而RLC負載回路是模擬交流充電樁啟動工作過程的沖擊電流，利用IGBT實現沖擊電流的可控接入和斷開。

圖2 交流充電樁輸入沖擊電流測試平臺主回路拓撲

主電路特點如下：

（1）通過鎖相采樣電路，檢測輸入電網的相位和幅值、頻率，并將采樣數據反饋主控制單元；

（2）主控制單元根據采集的電壓、頻率，控制RLC負載單元的投切。其中感性負載L1主要影響電流的爬升時間，阻性負載R1主要影響沖擊的峰值電流，容性負載C1主要影響放電過程的持續時間；

（3）主控制單元根據鎖相電路，使能IGBT開關在電網電壓設定相位的時刻導通，產生沖擊電流，并且沖擊測試后切斷IGBT開關，并進行能量泄放；

（4）負載R2為交流充電樁的額定負荷，依據標準要求，通常不低于30A(rms)。

1.2 控制回路設計

鎖相采樣電路包括電壓幅值采樣電路和鎖相電路設計，電壓幅值采樣電路如圖3所示，元件T400選用LEM的LV 25-P霍爾傳感器，鎖相采樣電路設計如圖4所示，通過二階濾波設計和運放回路設計，將交流電壓信號轉變成電平翻轉信號，從而捕捉電網電壓的頻率和過流相位點。鎖相采樣電路將電壓采樣信號和鎖相采樣信號通過模擬量傳遞給主控單元。

圖3 電壓幅值采樣回路

圖4 鎖相回路

主控制單元采用DSP28335作為主控制器，該DSP是一款高速浮點型數字信號處理器，具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點處理單元，具備精度高、成本低、功耗小、性能高、A/D轉換更精確快速等優點[6]。DSP主控制單元根據鎖相采樣電路，識別輸入電網的幅值、頻率和相位捕捉，通過已經建立的數據庫，配置R2負載和RLC負載的阻值、感值和容值，再根據上位機設定的相位角度，驅動IGBT開關在設定時刻導通和關斷。系統的邏輯控制回路如圖5所示。

圖5 交流充電樁輸入沖擊電流測試平臺控制回路

1.3 軟件設計

系統平臺基于交流充電樁額定負載的基礎上，搭建一個沖擊回路的負載。本系統平臺的目標是控制通過控制沖擊回路上電阻、電感、電容的配置，滿足對于沖擊電流波形曲線的要求，同時利用IGBT開關μs級動態響應速度，可以在任意相位角度下實現精確的沖擊控制。

整個測試過程是一個瞬態特性，交流電壓不同相位角度下，電壓的幅值都不相同，對于同樣配置的電阻、電感、電容負載，所產生的沖擊電流和曲線都不一樣，因此，RLC負載的配置需要根據輸入電網的電壓、頻率、以及設定的相位角度來確定。

因此，系統平臺首先會依據鎖相采樣電路和設定的測試相位角度，完成RLC負載的配置，再依次控制S1開關和IGBT開關的動作，完成沖擊電流測試過程。軟件控制邏輯圖如圖6所示。

圖6 交流充電樁輸入沖擊電流測試平臺軟件控制邏輯圖

2 仿真平臺

按照系統拓撲結構，對系統進行仿真模擬，搭建仿真平臺如圖7所示。

圖7 交流充電樁輸入沖擊電流測試軟件仿真平臺

上述仿真平臺中，Series RLC Branch2模擬被測的交流充電樁；Series RLC Branch1控制額定帶載電流，控制在30A~32A的額定交流電流；Series RLC Branch通過配置不同的RLC負載，滿足不同電壓相位角、以及市電的不同工況幅值下沖擊電流的大小、上升時間、恢復時間。系統通過IGBT控制沖擊電流回路的接入和關斷。

通過仿真平臺，為交流充電樁沖擊電流測試平臺建立了在不同電壓環境、不同相位角度、不同被試件內部阻抗工況下的仿真配置數據庫。部分仿真配置數據如表1所示。

表1 部分仿真配置數據

3 仿真結果分析

利用研制的交流充電樁輸入沖擊電流測試平臺，對于交流充電樁不同相位角度下的沖擊電流進行仿真測試，圖8和圖9為相位角90°時的交流輸入沖擊電流仿真波形。從仿真波形可以看出，沖擊電流發生在相位角90°的位置，而LEM的霍爾傳感器采樣延時時間40μs，控制開關IGBT的上升延時時間0.21μs，導通時間0.1μs，驅動回路的硬件延時時間小于2μs，因此產生的相位誤差延時可以控制在50μs內，等效的相位誤差是0.9°。

圖8 90°相位角沖擊電流的仿真波形

圖9 展開的沖擊電流全過程仿真波形

同時，沖擊電流在11μs時刻達到了200A，符合20μs內達到200A±10A的要求。峰值電流達到225A，小于230A的峰值限值。在達到峰值電流后50μs，恢復到65A，滿足標準對于66A±3A的要求。

圖10 為相位角45°時的沖擊電流仿真波形，從仿真結果來看，沖擊電流在17μs時達到了200A，峰值電流達到220A，在達到峰值電流后50μs，恢復到68A，滿足測試標準的精度要求。

圖10 45°相位角下的沖擊電流全過程仿真波形

仿真結果證明，測試的波形符合IEC標準和ISO標準對于測試波形曲線的精度要求。測試平臺可以精確控制沖擊電流的觸發相位角度，控制精度小于1°，可以控制峰值電流小于230A，電流爬升時間滿足20μs內可達200A的要求，同時可以保證電流在50μs從峰值電流恢復到66A±3A。

4 結束語

應用電力電子技術，研制一種新型的交流充電樁沖擊電流測試平臺，通過軟硬件設計，能夠自動實現對于沖擊電流波形曲線的全過程控制，可以廣泛應用于交流充電樁在不同電網環境下的研發測試、品質檢測、以及第三方檢驗的需求。