基于虚拟仪器技术的储能式移动充电桩检测平台研究

刘志凯，吴芳芳，郑文悦，袁 军，李 梁

（1.浙江华电器材检测研究所有限公司，杭州 310015；2.国网浙江省电力有限公司电动汽车服务分公司，杭州 310012）

0 引言

随着我国新能源汽车行业的快速发展[1-7]，充电基础设施建设已成为影响我国新能源汽车推广的关键性因素之一[8-10]，国家采取桩站适度先行的建设战略。国家发改委《电动汽车充电基础设施发展指南（2015—2020年）》显示，我国充电基础设施发展的目标是“到2020年，建成集中充换电站1.2万座，分散充电桩480万个”。截至目前，浙江省电力有限公司（以下简称“浙江电力公司”）已投运交流桩2 665个，非车载充电机3 941个。

由于充电桩的大规模投运，桩体的日常运行维护等将成为重要的管理内容[11-15]。然而现场充电桩检测受到恶劣天气、检测设备无法正常取电、充电站位置偏僻等多种因素的制约，这使得现场检测效率远远低于实验室检测效率。因此开发一种具有独立电源、能适应不同地形检测、较高自动化水平的储能式移动充电桩检测平台是十分必要的。

1 充电桩现场检测平台

目前，现场检测平台主要有2种类型：一种是便携式检测装置，该种装置小型化，便于携带，但测试项目偏少，如北京群菱公司研制的AEVT-7510S型便携式直流充电桩测试设备仅满足车桩正常通信测试；另一种类型是移动检测车，这类检测平台可满足测试标准要求，检测的项目可达到实验室平台检测项目的92%。当前投入使用的移动检测车多采用集装箱式的方式将实验室的检测系统搬到车厢上，这种布局设计造成整车体积庞大，仅能满足地上充电站的检测，无法满足地下充电站的检测。而且，虽然检测车自带储能电源，但该电源仅能用市电充电，不能充分利用现场充电桩进行充电。

为了保证浙江电力公司下辖的充电站能够进行更加全面的检测，负责浙江电力公司下辖充电站检测的浙江华电器材检测研究所有限公司开发了基于美国NI（国家仪器）公司虚拟仪器技术的储能式移动充电桩检测平台，该检测车可满足地上、地下充电站60 kW的非车载充电机及单相32 A和三相63 A交流桩检测，同时检测车自带储能电池，现场充电桩可以满足电池充电需求。

1.1 检测平台的布局设计

平台分为驾乘区与试验设备区，中间设置隔断。驾驶侧后部为一组19英寸标准机架，车辆后开门内安装负载电阻，其下面安放蓄电池，上部有不锈钢隔热层，工作时高温气体向车辆后部排出，如图1所示。

图1 车辆内部布置

整车的重心位置为：X=1 571 mm，Y=-7 mm，Z=756 mm， 前桥载荷 N1=1 553 kg＜1 760 kg（额定轴荷），后桥载荷 N2=1 597 kg＜2 040 kg（额定轴荷），左右配重符合差比：0.46%＜3%。

根据重心计算公式，得出前后轴都小于车辆的额定轴荷，左右配重差0.46%，符合小于3%的要求。

外接测试接口如图2所示，包括2个部分，为电源接口部分和测试接口部分。电源接口包括输入电源（交流充电桩接口、220 V航插）和输出电源，试验过程中输出电源接口。测试接口包括交直流充电桩试品接入接口，外置负载接口及通信接口、备用测试接口等。

图2 外接测试接口

1.2 基于NI虚拟仪器技术的电参量分析

目前，传统的充电桩检测主要通过示波器、录波仪采集数据和录波；数据采集录波只使用示波器和录波仪一小部分功能，且开发自动处理符合测试标准要求的检测图片需要设备厂商开放相应协议；当前应用示波器及录波仪的检测系统，图片处理仍需手动完成。

基于NI虚拟仪器技术开发的测试仪器集成示波器和录波仪功能，可以根据检测需求开发出满足检测标准要求的数据、图片自动处理功能。其采集模块由数据采集卡和传感器组成。目前，交流充电桩的电压一般为220 V，直流电压最高为750 V，不能直接将此高电压信号接入示波器采集卡，应采用合适变比的电压互感器将充电桩的电压变换到符合采集卡的电压输入范围内。在软件系统中将采集到的数据乘以相应的变比，即为实际电压。

基于NI虚拟仪器技术测试仪器的Lab View分析软件具有信号采集、波形记录、数字滤波、暂态故障判断、参数计算和通信功能。其中，参数计算模块包括频率偏差计算、电压电流有效值计算、电压电流偏差计算以及电压波动计算。软件结构如图3所示。由于故障录波系统对波形的采样精度要求较高，本系统设计最高可采集50次谐波。根据奈奎斯特采样定理，采样频率不小于被测信号中所含最高频率的2倍，因此数据采样的频率至少达到5 kHz。为进一步提高系统精度，本系统设采样频率为10 kHz。

图3 基于LabVIEW的软件结构

对于数字滤波模块，卡尔曼滤波是一种经典的数字滤波方法，将暂态信号中的基频分量看成有效成分，而将暂态信号中的高、低次谐波和衰减直流分量都看作是噪声，然后根据某一系统的状态方程和观测方程，用估值算法对某个时刻的状态进行估计。滤波模型如下：

式中：Ts=1/Nfs为采样时间，N为采样率；vk为测量噪声分量。

卡尔曼滤波滤除基频信号以外的高、低次谐波和衰减直流分量，并将滤波以后的信号送入故障判断模块处理。滤波后的数据送入故障判断模块，故障发生时，故障判断模块迅速准确发出判断信号，触发故障记录模块。程序流程见图4。

计算模块对系统频率，电压、电流有效值，电压、电流偏移值，电压波动值，电压、电流的各次谐波分量等参量进行计算。

图4 故障判断程序框图

（1）电压有效值及电压偏差的测量。电压有效值是电力系统的重要指标，也是计算电压偏差所必须的，按照电路理论中定义，用离散求和的方法代替积分运算，电压有效值Urms计算公式为：

式中：n为每个工频周期的采样数；uk为每个工频周期的第k个采样点的电压幅度（k为整数，0≤k≤n-1）。

求出电网各相电压有效值以后，再由以下公式求出电压偏差：

式中：Un为电压额定值。

（2）频率偏差的测量。频率偏差测量可以采用测量正弦稳态交流单相电压信号的周期来实现。在信号经过低通滤波器滤除噪声后，通过检测信号波形的过零点，即可测算出信号波形的周期。假设监测信号相邻零点时刻分别为t1和t2，则周期T=t1-t2，在实际采样时，只需要通过计算此相邻两点间的采样点数n，根据采样点数由T=n/fs，即可求得频率，其中fs为采样频率。

（3）谐波含量的测量。电动汽车充电站内有大量充电桩，充电桩作为非线性设备，会对电网造成谐波影响，因此应重点监测电动汽车充电站的各次谐波分量、谐波总畸变率及各次谐波含有率。本系统利用LabVIEW软件提供的各种谐波分析软件包，包括FFT（快速傅氏变换）函数和各种窗函数，构建谐波分析模块。

（4）电压波动的测量。电压波动为一段时间内电压的变动或连续的电压偏差。电压波动值d的计算公式为：

式中：Umax，Umin分别为电压均方根的2个极值；Un为额定电压。

1.3 储能式电源技术的研究

为了避免检测现场可能无电源取电点，采用蓄电池储能技术，通过双向充放电机给整个车载测试系统充电。测试设备有2种供电方式：一种是车内配置蓄电池供电，通过逆变成交流220 V电源供应车内设备使用；一种为外接单相交流充电桩或直接220 V市电供电。

车载蓄电池系统有3种充电方式：220 V市电充电、交流充电桩充电和非车载充电机充电。充电机给蓄电池充电时，蓄电池通过BMS（电池管理系统）向非车载充电机发出充电需求指令，充电机根据充电需求指令输出充电电压和充电电流。储能系统的设计原理、蓄电池使用非车载充电机充电逻辑流程及控制导引见图5—7。

图5 储能式系统设计原理

蓄电池直流桩充电控制导引系统包括非车载充电机控制器、电阻R1—R5、开关S、直流供电回路接触器K1和K2、低压辅助供电回路（电压为12 V+/-5%，电流为10 A）接触器K3和K4、充电回路接触器K5和K6以及车辆控制器，其中车辆控制装置可以集成在电池管理系统中。

1.4 测试系统结构及功能

测试软件系统可实现的功能有：信息录入、试品管理、交直流充电桩检测、自动生成报告、历史数据查看等，如图8所示。计算机通过以太网与直流充电模拟器、交流充电模拟器和虚拟测试仪器之间进行数据交互，交直流模拟器通过485总线控制交直流负载，无线电能直流记录仪测试充电机的交流输入谐波电流，系统控制结构如图9所示。检测车现场检测如图10所示。

图6 蓄电池使用非车载充电机充电流程

2 现场测试与试验室测试比对

图7 蓄电池使用非车载充电机充电控制导引

图8 电动汽车测试软件系统功能

图9 系统控制结构

为检验移动检测车的测试性能，选用同一台规格为500 V/120 A的非车载充电机，分别应用具有测试资质的充电桩实验室测试平台和移动检测车进行测试，并将测试结果进行比对。充电桩实验室测试平台选用浙江华电器材检测研究所有限公司充电桩检测实验室，该实验室可开展240 kW及以下非车载充电机的带载测试试验且取得了政府授权，通过了CMA资质认定。移动检测车测试结果和实验室检测平台测试结果对比见表1。由表1可知，移动检测平台与实验室平台测试结果近似相等，测试结果均符合标准要求。

图10 检测车检测

表1 移动检测平台和实验室检测平台结果比对

同时，为验证充电桩运行1年后性能状况，选择A，B，C不同区域的充电站且运行1年的充电桩，采用移动检测车进行测试，并将测试结果与实验室到货检的测试结果进行比对，比对结果如表2所示。从表2中可知，输出电流误差性能指标明显低于到货抽检时的性能指标。

表2 不同平台时间的充电站测试结果对比

3 结语

本文介绍了一种新型的电动汽车充电桩现场检测平台：储能式移动充电桩检测平台。与传统移动检测平台相比，该平台检测系统可采用市电、交流充电桩、蓄电池系统3种方式供电，同时车载蓄电池系统可采用市电、交流充电桩、直流充电桩3种方式充电。供电方式和充电方式的多样化设计可满足不同场合需求，同时采用NI测试仪器集成示波器、录波仪功能，通过LabVIEW软件进行定制化设计，极大提高了测试效率[16]。