电动汽车非车载充电机检测平台的建立与实践

刘亚丽，李国栋，胡波，赵新，车延博，滕文

（1.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津300384；2.天津大学电气与自动化工程学院，天津300072；3.国网天津市电力公司营销部，天津300010）

电动汽车非车载充电机检测平台的建立与实践

刘亚丽1，李国栋1，胡波2，赵新3，车延博2，滕文2

（1.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津300384；2.天津大学电气与自动化工程学院，天津300072；3.国网天津市电力公司营销部，天津300010）

为推动和规范非车载充电机的电气性能，为充电机性能检测工作提供技术手段，建立了基于组态王软件的非车载充电机自动化检测平台。本平台采用组态王软件进行系统开发，围绕组态王开发平台进行外围硬件设备的配置，设备驱动和通信的设计，并根据制定好的实验方案进行系统人机界面及实验操作的软件设计。基于该平台可开展安全功能、输出特性、绝缘性能、谐波电流4大类实验，并通过实践验证了检测平台的可行性与实用性。

组态王；充电机检测平台；自动化测试；通信驱动；测试实验

充电机性能是电动汽车产业发展的重要支撑，关系着电动汽车和动力电池系统的安全。若充电机性能不达标，将会引起蓄电池充电时间异常、整车续航时间缩短、蓄电池使用寿命降低等问题。

目前电动汽车发展仍以公共交通及公共服务车辆为主，换电模式为主要运行模式之一，因此为保证电网和用户的安全，需开展非车载充电机的性能检测工作。文献[1-5]对此开展了相关研究工作。因国外对充电机检测并没有相关的检测标准，所以相关研究较少。

为可靠高效地开展非车载充电机性能测试，本文基于自动控制系统开发软件组态王6.55设计开发了充电机检测平台。本平台可靠性高、实时性强、界面友好、操作简单、测试精度高，同时通过与平台设备的通信实现非车载充电机远程自动化测试。平台具有强大的数据处理能力，以报表或者曲线形式展现测试结果，测试过程准确高效。

1 检测平台设计

1.1 平台硬件设计

国家、企业各相关标准[6-8]均规定了充电机输出电压和输出电流的范围，基本范围在24～750 V，10～500 A之间，结合现有标准及平台搭建意义，本平台设计可满足50～500 V，0～100 A的充电机性能的测试，可以完成的测试项目包括安全功能试验、输出特性试验、绝缘性能试验、谐波电流试验。

检测平台主要由3部分构成，即功率电路系统、检测系统和监控系统，硬件结构如图1所示。

图1 平台硬件结构Fig.1Hardware structure of platform

功率电路系统包括交流模拟电源、调压电源、功率可调直流负载、电源选择柜、开关切换柜、短路柜，模拟充电机不同运行工况。

检测系统包括功率分析仪、数据记录仪、示波器、电能质量测试仪及所需的传感器设备，在充电机性能测试过程中实时量测各测量点电压、电流数据，获得充电机性能数据。

监控系统包括工控机、驱动程序、板卡及串行通信线缆等，实现充电机检测的可视化和自动化，能够实时监视充电机的状态和远程控制平台设备进行充电机的测试。

1.2 平台通信设计

本平台采用组态王软件开发，测试过程中平台设备需要与组态王进行实时通信，组态王的驱动程序采用ActiveX技术，使通信程序和组态王构成一个完整的系统，保证运行系统的高效率，从而组成可以进行远程控制的自动检测平台。

本平台中组态王与I/O设备之间的数据交换采用串行通信和板卡两种方式，平台通信设计如图2所示。电源选择柜、开关切换柜、直流负载柜采用板卡通信模式，此模式需在组态王工程浏览器的设备节点中通过“板卡”项进行配置设备驱动，板卡插接在工控机的工业标准结构总线ISA（industrial standard architecture）扩展槽内，用户通过访问板卡的I/O地址与平台设备进行数据交换；交流模拟电源和功率分析仪通过“COM”项进行配置设备驱动，串口设备通过RS232串行通信线缆连接到工控机的串口，本平台配置2个串口，最多可配置32个串口通信设备。串口通讯不仅需要物理接口的连接还需要依据不同的设备采用不同的通讯配置，确定包括波特率、校验方式、校验位和数据位的个数等参数，设备和上位机组态王软件必须配置一致才能实现正常通讯。

图2 平台通信设计Fig.2Communication design of platform

通过远程通信方案可以远程调节与监控输入电源状态，实现过压、欠压等不同电网状况模拟；可以通过板卡通信远程控制电源选择柜和开关切换柜的开关，实现开关状态自动切换；可以远程在线调节直流负载的大小，模拟蓄电池充电的状态，实现充电机输出不同功率的工作模式下测试的自动化；并实时上传检测系统的测量数据。

2 基于组态王的自动化检测平台

2.1 组态王功能分析

本平台人机界面采用亚控公司的组态王6.55对平台进行开发，该软件充分利用了Windows的图形功能完备、界面一致性好、易学易用的特点，使开发的系统更具有通用性，大大减少了工控软件开发者的重复性工作，缩短项目开发周期，减少开发费用。

组态王开发软件的功能特点有：①强大的界面显示功能：提供给用户丰富的作图工具，可随心所欲地绘制出各种工业界面；②良好的开放性：组态软件能与多种通信协议互联，支持多种硬件设备，向下能与低层的数据采集设备通信，向上能与管理层通信，实现上位机与下位机的双向通信；③丰富的功能模块：完成实时监控产生功能报表、显示历史曲线、实时曲线、提供报警功能；④强大的数据库：配有实时数据库，可存储各种数据，实现与外部设备的数据交换；⑤可编程的命令语言：扩充应用系统的功能，对应用系统进行最精确的控制；⑥周密的系统安全防护：对不同的操作者赋予不同的操作权限，保证整个系统的安全可靠运行；⑦仿真功能：提供强大的仿真功能使系统并行设计从而缩短开发周期[9]。文献[10]曾经用组态王软件开发了逆变器并网检测平台，为本项目的实施提供了可靠的保证。

2.2 测试方案

整个充电机测试方案以组态王6.55作为开发平台，测试充电机的测试方案流程如图3所示。

图3 非车载充电机测试方案Fig.3Test plan of off-board charger

人机操作界面可实现以下功能：

（1）总体监控。在上位机显示采集数据实时值，计算机通过和设备通信访问相关设备寄存器来获得设备的运行情况，包括交流调压电源输出值、充电机输出参数、负载接入电路的参数及相关状态，并通过动画连接、实时曲线等显示出来。

（2）控制功能。如图3（a）中的“配电控制”环节，在上位机端对开关切换柜和电源选择柜的接触器进行远程控制，模拟充电机运行的真实状态，其中开关切换柜内的接触器为图1中的开关S，是本平台的硬件核心，通过对它的远程控制，选择合适的设备接入充电机的两侧，满足不同充电机的要求。

（3）报警功能。如图3（b）中的“交流档位报警”和“参数设定报警”环节，在充电机的交流电源的输入档位和充电机输出参数设定错误时，会发生报警，保证测试平台安全运行。

（4）数据存储。如图3（b）中的“存数据报表”环节，将实验中所需的充电机配置参数、检测参数和当前设备的状态参数均存入报表，并可通过EXCEL报表进行查询，进行数据处理。

（5）打印功能。打印产生的数据报表、历史曲线等。

（6）界面显示。平台操作界面分为主界面和子界面，利用菜单方式进入充电机的测试实验子界面。通过点击工具栏的选项可以看到不同设备的状态以及充电机的测试参数，并且在工具栏可以使用“急停”功能，数据报表功能，控制设备通断功能。其界面结构设计如图4所示。

图4 平台界面结构Fig.4Interface structure of platform

3 检测平台测试实例

3.1 非车载充电机测试项目

非车载需要测试的项目主要为安全功能实验、输出特性实验、绝缘性能实验、谐波电流实验、电磁兼容实验5大类。

安全功能实验要求充电机具有输入过压保护、欠压保护、输出过压保护、输出过流保护、输出短路保护；输出特性实验包括输出电压误差、输出电流误差、稳压精度、稳流精度、纹波系数、功率因数、效率实验；绝缘性能实验包括绝缘电阻测试、工频耐压、冲击耐压、泄漏电流、接地电阻测试；电磁兼容试验包括电磁骚扰发射测试和设备的抗扰度测试，由于电磁兼容测试需在特定的实验环境下开展，因此本平台未开展此项测试。

本文用上述设备对某厂家一台10 kW充电机模块进行性能测试，该产品输出电压范围50～100V，输出电流范围0～100 A。以下以部分实验实例说明本平台测试结果。

3.2 谐波电流实验

在平台的菜单项中选择“谐波电流实验”，根据实验流程，设定充电机工作在额定输出电流状态，通过电能质量分析仪采集2～25次谐波电流数据，并计算出单次谐波电流含有率，其计算式为

式中：HRIh为第h次谐波电流含有率；Ih为第h次谐波电流（方均根值）；I1为基波电流（方均根值）。

由于充电机整流设备为6脉动，以6k±1次谐波为主，因此测试数据仅列出6k±1次谐波电流含量如表1所示，各次谐波电流频谱如图5所示。

表1 谐波电流含有率Tab.1Harmonic current ratio %

图5 谐波电流频谱Fig.5Harmonic current spectrum

由表1和图5可知，充电机的5次和7次谐波占总谐波比重最大，且三相电流谐波含有率基本相同，而充电机输入的各次谐波电流含有率均不大于30%，符合GB/T 19826—2005电力工程直流电源设备通用技术条件及安全要求规定。

3.3 稳压精度实验

实验步骤：充电机连接功率可调阻性负载，设置充电机恒压输出模式，设定电压整定值，调整输入电压分别为90%、100%、110%额定值时，在0～100%额定电流间调整负载电流，分别测量充电机输出电压，找出上述变化范围内充电机输出电压的极限值UM，计算公式为

式中：δU为稳压精度；UZ为交流输入电压额定值，380 V，且负载电流为50%额定电流时输出电压测量值；UM为输出电压极限值。

在平台的菜单项中选择“稳压精度实验”，根据实验流程设定各测试数据点，稳压精度测试数据如表2所示。实验数据如图6所示，其中实验点1、4、7的交流输入电压是额定电压的110%；点2、5、8为额定电压；点3、6、9为额定电压的90%。实验点1、2、3为空载状态下；点4、5、6为输出电流50 A；7、8、9为输出电流100 A。

表2 稳压精度实验数据Tab.2Data of steady voltage accuracy

图6 电压偏差对比Fig.6Comparison of voltage deviation

标准规定当交流电源电压在标准值±15%范围内变化，输出直流电流在额定值的0～100%范围内变化时，输出直流电压应在相应的调节范围内任一数值上应保持稳定，充电机输出电压精度不应超过±0.5%。从表2中可以看出该模块稳压精度各测试点处满足标准要求，并且输出电压越接近额定电压，稳压精度越高。图6给出了每个测量点偏离电压设定值的大小，从图中可以看出随着负载增加，实际输出电压在减小，并且在各设定输出电压下，输出电流为50%状态下电压偏差度最小。

4 结语

本文详细阐述了一种基于自动控制系统开发软件组态王的非车载充电机检测平台，对平台的硬件电路设计、通信设计做了详细论述，并对检测平台的测试流程及测试方案进行了分析，最后给出了谐波电流实验、稳压精度实验2个典型实验的实验结果分析，验证了该检测平台的实用性。本检测平台结构合理，自动化程度高，可以在很大程度上提高充电机检测的效率和准确性，具有推广应用价值。

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Installation and Practice for Detection Platform of Electric Vehicle Off-board Charger

LIU Yali1，LI Guodong1，HU Bo2，ZHAO Xin3，CHE Yanbo2，TENG Wen2
（1.Tianjin Electric Power Corporation Electrical Power Research Institute of State Grid，Tianjin 300384，China；2.School of Electrical Engineering and Automation，Tianjin University，Tianjin 300072，China；3.The Marketting Department，Tianjin Electric Power Corporation of State Grid，Tianjin 300010，China）

In order to promote and regulate the electrical properties of off-board charger and provide the method of performance testing，the platform of electric vehicle off-board charger based on KingView is established.A detailed description of hardware，communication design，test plan and test interface are raised in this paper.The platform can carry out four kinds of tests consist of security functions，output characteristics，insulation performance and harmonic current.Through analyzing the examples，the feasibility and practicality of the platform can be confirmed.

KingView；detecting platform of electric vehicle；automated testing；communication driver；testing experiment

TM72

A

1003-8930（2015）11-0098-05

10.3969/j.issn.1003-8930.2015.11.016

刘亚丽（1984—），女，硕士，工程师，研究方向为电能质量及新能源技术。Email：liuyali_sdu@163.com

2014-04-04；

2014-07-16

李国栋（1978—），男，硕士，高级工程师，研究方向为电能质量及新能源技术。Email：tjLGD@163.com

胡波（1989—），男，硕士研究生，研究方向为电力电子技术研究。Email：lovegerrard@163.com