双向电动汽车OBC测试方案

一、技术背景：电动汽车与电网间的互动连接

       随着全球电动汽车产业的快速发展，汽车充电系统技术正面临多重挑战与机遇。电动汽车（简称EV）已不只是交通工具，它还可以在灾害或其他特殊情况下充当应急电源，并且随着可再生能源比例的增加，EV的电源系统可作为分布式储能单元，消纳光伏、风电的间歇性电能，与电网之间实现供需调节，提升能源系统韧性。

（一）OBC的工作原理与核心功能

          OBC，全称On Board Charge，指的是安装在电动汽车中的充电系统，负责将电网的交流电（AC）转换为直流电（DC），为汽车动力电池充电。双向OBC需要进一步集成逆变功能，支持V2G（车辆到电网）和V2L（车辆到负载），将电池的直流电逆变为交流电回馈电网或供外部设备使用。

（二）快速充电的技术挑战

          电动汽车OBC与电网间的互动与供需调节，需要实现高速充电才有可行性，同时双向逆变器的开发也是前提。

（三）普通充电vs.快速充电

          普通充电使用的是传统单相AC电源充电机，通过电动汽车内部AC/DC转换器(车载充电机)，将交流电转换为直流电，再给车辆电池充电，充电时间通常需要10个小时以上。

快速充电是通过连接至电网的充电站（Off Board Charger）支持大电流输出，从而能在短时间内完成充电。

（四）高压电池系统和OBC内部升压需求

          相比于传统单相交流充电机采用100-240V低压电网输入，车载充电机要实现快速充电，必须通过内部多级升压，输出高压直流，并且能兼容800V以上的电池，以降低充电电流，减少线路损耗和发热，从而支持更快的充电速度。

（五）逆变器、PFC与符合IEC标准的设计

          为了让EV的电池充当交流电源，必须做好双向逆变器电路设计。

          为显著提升供电效能，还需要提高功率因数，因此新一代充电机开始配备功率因数校正电路(PFC)。

          同时由于车载电源要反向输出连接到低压电网，不能有谐波电流流出或引起电压波动，它必须满足IEC标准。

二、面对如此复杂的要求，横河高精度功率分析仪WT5000是当仁不让的研发利器！

图3　显示电压、电流、功率因数、THD等示例

3、能量裁判，AC/DC?DC/AC转换的高精度测量

     电动汽车充电机虽然在内部设置了多个转换电路以实现高效传输，但由于该充电系统要直接接入市电电网，因此必须抑制谐波干扰以免对电网稳定性造成威胁。电动汽车OBC要配备PFC电路，还要内置DC/AC转换器，用于控制直流电压大小，同时设计这些电路要尽可能减少功率损耗。

      如图4所示在转换环节评价中，WT5000具有多通道输入，可以高精度测量各电路的转换效率。

图4　车载充电机 PFC电路和DC/AC转换器效率评价

4、电力精算师，拿捏累计功率和累计电流

     如图5所示，WT5000所配备的累计功能还可长时间测量功耗(Wh)和电流消耗(Ah)，其中累计功能包括有功功率累计(功率量)、电流累计(电流量)、视在功率累计(视在功率量)和无功功率累计(无功功率量)。

     此外累计功能还为用户提供了两种模式，即测量电池等充放电的模式以及测量交流电买电和卖电的模式。

图5　累计功率和累计电流的测量画面示例

累计功能说明：

（1）充放电模式(Charge/Discharge)：

（2）按极性测量直流功率量(对每个采样数据)。

（3）买卖电模式(Sold/Bought)：

（4）按极性测量交流功率消耗(每个数据更新周期)。

与累计功能有关的测量项目:

ITime  累计时间

WP      正、负两个方向的功率量之和

WP+   正方向功率量之和(消耗功率量）

WP-    负方向功率量之和(返回电源侧的功率量）

q         正、负两个方向的电流量之和

q+      正方向I之和(电流量）

q-       负方向I之和(电流量）

WS      视在功率量

WQ     无功功率量

（二）PC直连，启动大师模式

1、符合IEC标准的谐波/闪变测量

     将WT5000与软件集成平台IS8010一同使用，即可进行符合IEC61000-3-2标准的谐波测量或符合IEC61000-3-3标准的电压波动和闪变测试。

     如图6所示用户还可通过使用特殊型号的AC/DC电流传感器CT200，获取IEC 61000-3-11和IEC 61000-3-12所规定的每相超过16A的谐波和电压波动/闪变测试。普通电动汽车充电机所使用的家用插座必须符合上述标准。

图6　符合IEC标准的谐波/闪变测试系统

2、波形“福尔摩斯”：通过连续测量确认异常

     如图7所示，当用户需要长时间连续测量电压、电流、功率等数据时，可使用IS8000实时查看并保存功率参数趋势。

     如图8所示在连接一台WT5000的情况下用户即可在PC端上通过放大功率值的异常位置点检查对应的波形数据；如若用户需在此基础上进一步保存波形数据，则可通过配置/DS (数据流)选件加以实现。

图7　使用IS8000显示电压/电流/功率趋势

图8　通过放大功率值下降的部分来确认异常波形

（三）联合示波器进行OBC研发

1、长期数据记录和信号异常下的高速测量

      示波记录仪是一款多通道绝缘波形观测仪，如图9所示，其双捕获功能可以用不同的采样率捕获波形。设备还可在使用低速采样收集数据总结长期趋势的同时，开启高速采样功能，捕获波形中的突发瞬态。

      此外通过IS8000，可以将示波记录仪所捕获的波形数据与使用IEEE1588的WT5000功率数据同步显示，便于用户在功率波动期间进行更详细的波形观测。

图9 双捕获功能测量示例

2、观测PFC电路波形

      对于PFC电路和双向逆变器电路的设计和运行检查，混合信号示波器和8通道输入是好助手，升级至12位的波形观测分辨率，为工程师们提供更为精准的测试。