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直流充电桩电性能要求及测试平台设计

2021-09-29 13:49:21·  来源：电动学堂  作者：何嘉纯等  
　
0引言本文分析GB/T18487.1-2015、国家电网公司Q/GDW及国家能源NB/T系列标准对直流充电桩的电性能及各标准间的差异，设计一种直流充电桩的电性能检测平台。1直流
0引言
本文分析GB/T18487.1-2015、国家电网公司Q/GDW及国家能源NB/T系列标准对直流充电桩的电性能及各标准间的差异，设计一种直流充电桩的电性能检测平台。
1直流充电桩性能要求
直流充电桩性能需符合GB/T18487.1-2015标准要求，该标准依据充电模式使用条件，分类为充电模式1、充电模式2、充电模式3和充电模式4，标准规定不使用模式1对电动汽车进行充电，市面上的交流充电桩常采用充电模式3，模式3应具备剩余电流以保护功能，同时电动汽车上需安装专用保护装置，并确保控制每个连接点的控制导引功能可独立运行；直流充电桩常采用充电模式4，通过电缆与电网连接为其供电，每个连接点均需具备独立的控制导引功能。
直流充电桩的安全性能要求考核接触电流、绝缘电阻、介电强度及冲击耐压。对于接地的Ⅰ类供电设备，任一相线与可触及的金属部件间泄漏电流不得超过3.5mA，对于不接地的Ⅱ类供电设备(供电设备与导电部件具备加强绝缘或双重绝缘)，该电流值不得大于0.25mA，
任一相线与通常为非活性的金属不可触及部件间(该绝缘为双重绝缘)，该最大电流值可允许最大不超过3.5mA。需特别注意，该电流值允许的前提条件是非活性金属不可触及，且与导电部件间的绝缘为双重绝缘。
绝缘电阻、介电强度及冲击耐压考核非电气连接的各带电回路与地间的绝缘性能，绝缘电阻应不小于10MΩ，绝缘电阻的试验电压、介电强度及冲击耐压的要求如表1所示。


对于直流充电桩的接口结构要求有：供电插头、供电插座、车辆插头和车辆插座应有配属的防护装置，以确保插头和插座未插合时也具有定的防护等级。
供电插头、供电插座、车辆插头和车辆插座应包括接地端子和触头，目在连接和断开过程中，接地触头应最先接通和最后断开。
充电桩的输出枪座和车辆的插座外壳应能将供电端子及其电缆的端部完全封闭，两者之间仅能按唯一的相对位置进行插合，避免不同功能的接线端子错误连接的情况，导致安全隐患。
充电桩的输出枪座和车辆插座的电缆入口处应利于电缆保护层进入，并能给电缆提供完具的机械保护。对于充电桩的锁止装置要求有：充电桩在锁止状态下(枪头与插座相互耦合)，对两者施加200N的拔出力时，枪头与插座不应连接断开，且锁止装置不得损坏。对于直流充电桩，锁止装置应为专用的方式才能断开连接，例如机械或电子锁。
基于安全及符合标准的考虑，市面上的直流充电桩均配备电子锁。
2国家电网公司Q/GDW及国家能源NB/T系列标电性能要求差异
国家电网公司是国务院同意授权投资的机构和国家控股的企业，企业的Q/GDW标准对充电桩行业发展有重要影响。国家能源局的NB/T3300X系列标准由中国电力企业联合会提出，由能源行业电动汽车充电设施标准化技术委员会归口。国家电网公司标准要求与国家能源局性能测试要求的比对如表2所示。


从表2可知：国家电网公司Q/GDW及国家能源NB/T系列标准的输出电压误差、输出电流误差、稳压精度、稳流精度两者要求一致，测试方法一致。纹波系数国家电网公司Q/GDW明确规定应在阻性负载下测试，且示波器需限制带宽20MHz，阻性负载可避免开关器件动作带来的电子噪声，示波器带宽的限制可减小测试环路带来的测试误差；国家能源NB/T没有规定输出纹波有效值系数不应超过0.5%，应际测试可参考国家电网公司Q/GDW执行。
限压特性试验和限流特性国家电网公司Q/GDW及国家能源NB/T系列标准要求一致。
效率和功率因数比对：对于输出功率20%≤P≤50%的工况，效率不低于88%，国家电网公司要求效率不低于86%，国家能源局要求效率不低于88%。对于输出功率50%≤P≤100%的工况，国家电网公司要求效率不低于92%，国家能源局要求效率不低于93%，国家能源局均严于国家电网公司要求。
均流不平衡度试验国家电网公司要求均流不平衡试验需要不少于4个并联运行模块。均流不平衡度不应超过±5%，国家能源局对该指标没有要求。
输出电流控制时间试验国家电网公司要求：电流变化值ΔI≤20A时，上升控制时间2s，下降控制时间2s；
电流变化值20A＜ΔI≤125A，上升控制时间5s，下降控制时间3s；电流变化值125A＜ΔI≤250A，上升控制时间10s，下降控制时间5s；国家能源局不上升控制时间还是下降控制时间，要求严于国家电网公司要求。
输出电流停止速率两者要求一致；低压辅助电源试验国家能源没有要求纹波系数。
综上，国家电网公司与国家能源局对直流充电桩的性能要求核心指标一致，均能有效规范和指导充电桩行业的良性发展。
3直流充电桩测试平台设计
设计一款直流充电桩的测试平台，用于检测直流充电桩的电性能，互操作性及安规。该平台主要由可编程电源、直流负载、车辆接口电路模拟器、功率分析仪、录波仪、示波器、绝缘耐压测试仪、冲击耐压测试仪等构成、绝缘状态模拟器及CAN总线分析构成。平台的系统结构图如图1所示。


可编程电源用于模拟电网扰动工况，测试直流充电桩在不同电压工况(波动范围85%～115%)的工作状态；车辆接口模拟器用于模拟车辆动力电池的不同荷电状态，用于与被测充电桩的通讯；直流负载与车辆接口模拟器联合工作，用于吸收被测充电桩的输出能量，模拟充电桩实际应用中不同的输出工况；因为考虑测量被测充电桩的输出纹波，该设计中直流负载选用线性负载；功率分仪表，录波仪及示波器用于精确测量充电机的输出电压、电流、效率、纹波等电参数；系统控制器用于协调可编程电源、直流负载、功率分析表、录波仪、示波器的工作时序，并通过CAN通讯接口，实时采集各仪表的测试参数，进行分析计算并生成测试报告。满足自动化测试的需求。
若测量直流充电桩的互操作性，可编程电源通过采集柜为被测直流充电桩供电，被测充电桩输出与车辆接口模拟器连接，车辆接口模拟器与直流负载连接，较好实现车辆动力电源的模拟，实现协议一致性及互操性的测试。
若测量直流充电桩的安规性能，通过绝缘耐压测试仪及冲击耐压测试仪可检测被测充电桩各部分电路的绝缘性能，该功能的实现需要手动将仪器的夹具连接到测试部位，各测试部分逐一考核。
可编程电源容量核算：待测充电桩最大容量350kW，三相供电，即待测充电桩的输入电流为：


取可编程电源冲击电源系数K=150%(即可编程电源承载的冲击电流大于充电桩工作状态下150%)，即考虑系数K情况下，待测充电桩的输入电流为：


可编程电源的输出电压范围满足待测充电桩的额定电压波动±15%，即得到可编程电源的输出电压范围为323V～437V。考虑可编程电源的效率及功率因数综合损耗η，η取0.85，即可得到可编程电源的电低功率需求为：


测试平台选用3台容量240kVA的可编程电源并联输出，达到最大输出功率不低于708kVA的需求。
输入/输出参数采集柜、直流负载、功率分析仪、录波仪及示波器的选用，均依据可编程电源的参数。
4结论
低碳环保节能的大背影及政策的刺激下，与电动汽车为首的新能源汽车得到前所未有的大发展，充电桩日渐走进普通老百姓的生活，伴随而来的充电桩性能，车桩互联性及安全问题日益突出。
该论文分析了国标GB/T18487-2015的测试要点，国家电网公司Q/GDW及国家能源NB/T系列标准的差异及对直流充电桩的不同要求，同时设计可以满足350kW及以下直流充电桩电性能，互操作性测试平台，该测试平台由多台可编程电源，输入/输出参数采集柜，直流负载并联构成，可拓展性强，各测试仪表均由上位机的系统控制器通过CAN总线控制。基本实现一键测试的需求，人机界面良好。
设计的直流充电桩性能测试平台可在各高校实验室、电力科学研究院及质量检测机构推广应用。
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