电动汽车交流对外放电负载特性测试方法研究

2021-03-03陈丽雪李津李川李杨王朝晖徐孟龙

运输经理世界 2021年1期

陈丽雪、李津、李川、李杨、王朝晖、徐孟龙

[1.中汽研新能源汽车检验中心（天津）有限公司，天津300300；2.北京博电新力电气股份有限公司，北京100176]

0 引言

近些年，随着私家车中电动汽车的比例不断升高，车主的使用场景也越来越多，尤其是车辆对外部负载放电（vehicle to load，简称“V2L”）功能的使用，给人们出行带来极大的便利。

目前，比亚迪、北汽、吉利、广汽等车企已经有大量V2L 的应用，这些车企的方案主要采用交流放电模式（车辆通过交流充电接口对外部负载输出交流电），供人们出行时便捷地使用日常家用电器。然而，车辆放出的电能是否能够保证电器的可靠使用，能够供哪些类型的电器使用，这是电动汽车用户十分关注的问题。

目前的标准体系中还没有整车级别的标准发布，《电动汽车用传导式车载充电机》（GB/T 40432—2021）中对具有逆变功能的车载充电机的逆变技术要求和测试方法做出了规定，规定了交流输出电压、频率、动态响应、电能质量、效率、过载能力以及保护功能。然而标准体系中对电动汽车交流V2L 的负载特性未做明确的要求。研究负载特性的目的是解决电动汽车用户对车辆放出电能的适应性焦虑，主要从以下三个方面进行研究：电动汽车交流V2L 对不同类型负载的放电特性；车辆放电系统与各类负载的匹配性能；车辆放电系统在负载频繁通断时的性能。

1 试验

1.1 试验平台

如图1所示，测试不同类型的负载测试电动汽车交流V2L 的性能，采用电能质量分析仪测试车辆放电的电能质量，采用示波器测试放电电压、电流和控制导引信号（CP）电压。

图1 测试平台示意图

1.2 试验方法

1.2.1 试验条件

试验环境为试验室环境常温下进行。

1.2.2 试验流程

（1）试验准备：将车辆动电池荷电状态（SOC）充至50～80%，在试验室内浸车12h 以上，以确保充电系统的温度不会对试验结果造成影响。

（2）利用电子负载测试车辆交流V2L 放电性能：参考不间断电源设备IEC 62040 系列标准中对不间断电源（UPS）的负载适应性的要求，列出30 余种典型负载，测试并记录车辆交流V2L 工作在对这些典型负载下的有功功率、无功功率、功率因数（PF）、峰值因数（CF）等关键参数。

（3）利用常用电器验证车辆交流V2L 放电性能：按照负载类型（阻性、感性、容性、是否有PFC 等）选取常检的电器做测试负载，测试并记录车辆交流V2L工作在对这些典型负载下的冲击电流和稳态电流[1]。

2 试验结果与分析

本文选取的试验环境为试验室常温环境，试验负载一方面选择可编程交流电子负载，另一方面选用常用的电器，试验车辆为某支持交流V2L 的纯电动汽车，车辆双向充电机额定放电功率3.1kW，峰值放电功率为3.41kW。

2.1 放电特性测试结果

2.1.1 工作电压范围测试

部分家用电器对电压范围有着比较高的要求，为测试车辆交流V2L 的输出电压范围，进行如下测试：使用示波器在放电装置和负载之间采集放电电压、放电电流，设定双向车载充电机额定输入电压（高压）为±5%，电子负载在恒压（CV）模式、恒流（CC）模式下调整电压值。测试结果如下：

CC 模式工作电压范围：216.70～223.04V；恒阻（CR）模式工作电压范围：207.23～222.83V；CR 模式下调小电阻值，电流升高电压减小，不存在过压情况，电阻达到15.3Ω 时，达到额定功率，电压稳定在±5%以内，电阻进一步降低，会引起电压下降，当电阻达到13.7Ω 时，达到峰值功率，无法进一步升高[2]。

2.1.2 工作电流范围测试

为测试车辆交流V2L 的输出电流范围，进行如下测试：测试设备同工作电压范围测试，设定双向车载充电机额定输入电压（高压）±5%，负载工作在CC 或CV 工作模式过流有无保险装置。测试结果如下：

CC 工作模式工作电流范围：0～14.14A；CR 模式工作电压范围：0.1～16.37A；CR 模式下减小电阻，电流升高至16.37A 左右不再升高，电压下降功率减小。

2.1.3 非阻负载容量的交流输出

部分家用电器并非是阻性负载，例如有电动机的负载如割草机、吸尘器和一些复杂负载例如微波炉、电磁炉等，为测试车辆交流V2L 对这一类负载的适应性，开展下列测试：利用功率分析仪采集放电电压、放电电流、有功功率、无功功率、功率因数和峰值因数。根据IEC 62040 系列标准的要求，选取负载的电容值和电感值，进行车辆交流V2L 输出特性测试[3]，在典型非阻性负载的放电性能测试中，车辆交流V2L 功能完全可以适应。

2.2 负载匹配性测试

为验证放电车辆与不同类型家用电器的匹配性能，开展下列测试：利用示波器采集放电电流，按照负载类型分类，本部分试验将负载进行分类，并选取每一类负载的典型家用电器进行负载匹配性测试，将测试并记录车辆交流V2L 工作模式下对不同负载的工作情况以及冲击电流与稳态电流，以验证负载匹配情况。

本试验测试了37 类40 种常用家用电器。根据测试结果统计，车辆在对车载充电机进行交流放电时，冲击电流达到最高102.5A，不能启动充电，根据《电动汽车用传导式车载充电机》(GB/T 40432—2021)的规定，车载充电机的启动冲击电流应不超过额定负载稳定工作时输入电流峰值的120%，根据《电动汽车用传导式车载充电机》(QC/T 895—2011)的规定，车载充电机的启动冲击电流(车载充电机输入电流)不应大于工作时输入电流最大值的150%，故该冲击电流已严重超出两个标准的要求，属于非正常状态[4]。在其余39 种负载中，冲击电流最高达到55.829A，车辆可以正常对外放电，该冲击电流值比放电车辆双向车载充电机稳态放电电流高出3 倍以上，放电车辆具备对不同负载引起的冲击电流有较强的适应性，唯一充不上电的负载的冲击电流已经不满足标准要求。

2.3 抛负载性能试验

放电车辆作为电源的一种，其抛负载特性十分重要，抛负载是放电过程中负载从100%到0%的突变过程，模拟家用电器突然掉电的过程。依据《电动汽车用传导式车载充电机》(GB/T 40432—2021)，示波器采集放电电压峰值和恢复时间，首先，进行抛负载的性能试验，CR 模式下，输出电压的上升时间、输出电压的上升峰值以及稳定值；当进行抛负载试验时，电流下降时间为4.7ms，电压上升峰值为366.83V，相比较于单相电峰值的标称值310V，瞬时增长了18.33%。

然后进行连续抛负载的功能性试验，在CR 和CC两种负载模式下，分别对50%额定功率、100%额定功率负载和峰值功率负载进行连续50 次加载与抛负载切换（每个循环加载3s 然后抛负载3s），检验放电功能是否正常，记录输出电压。测试结果如下：

负载设定在CR 模式，在放电功能正常的条件下，CR 模式下调整设定电阻值为15.3Ω 时，能够正常循环50 次；CR 模式下调整设定电阻值为15.3Ω 时，循环25 次后车辆无法再次启动交流放电功能。

负载设定在CC 模式，在放电功能正常的条件下，CC 模式下调整设定电流值为7.07A 和14.14A 时，均能够正常循环50 次[5]。

本次试验中，车辆对外放电抛负载时，会产生明显的瞬时电压升高。然而在连续的抛负载试验中，在CR 模式达到峰值功率时，交流V2L 系统无法正常循环。在额定功率时，能够可靠循环，具备稳定可靠的抛负载性能。