非車載充電機檢測平臺的建立范文

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《電力系統(tǒng)及其自動化學(xué)報》2015年第十一期

摘要：

為推動和規(guī)范非車載充電機的電氣性能，為充電機性能檢測工作提供技術(shù)手段，建立了基于組態(tài)王軟件的非車載充電機自動化檢測平臺。本平臺采用組態(tài)王軟件進行系統(tǒng)開發(fā)，圍繞組態(tài)王開發(fā)平臺進行外圍硬件設(shè)備的配置，設(shè)備驅(qū)動和通信的設(shè)計，并根據(jù)制定好的實驗方案進行系統(tǒng)人機界面及實驗操作的軟件設(shè)計。基于該平臺可開展安全功能、輸出特性、絕緣性能、諧波電流4大類實驗，并通過實踐驗證了檢測平臺的可行性與實用性。

關(guān)鍵詞：

組態(tài)王；充電機檢測平臺；自動化測試；通信驅(qū)動；測試實驗

充電機性能是電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要支撐，關(guān)系著電動汽車和動力電池系統(tǒng)的安全。若充電機性能不達標，將會引起蓄電池充電時間異常、整車續(xù)航時間縮短、蓄電池使用壽命降低等問題。

目前電動汽車發(fā)展仍以公共交通及公共服務(wù)車輛為主，換電模式為主要運行模式之一，因此為保證電網(wǎng)和用戶的安全，需開展非車載充電機的性能檢測工作。文獻[1-5]對此開展了相關(guān)研究工作。因國外對充電機檢測并沒有相關(guān)的檢測標準，所以相關(guān)研究較少。為可靠高效地開展非車載充電機性能測試，本文基于自動控制系統(tǒng)開發(fā)軟件組態(tài)王6.55設(shè)計開發(fā)了充電機檢測平臺。本平臺可靠性高、實時性強、界面友好、操作簡單、測試精度高，同時通過與平臺設(shè)備的通信實現(xiàn)非車載充電機遠程自動化測試。平臺具有強大的數(shù)據(jù)處理能力，以報表或者曲線形式展現(xiàn)測試結(jié)果，測試過程準確高效。

1檢測平臺設(shè)計

1.1平臺硬件設(shè)計國家、企業(yè)各相關(guān)標準[6-8]均規(guī)定了充電機輸出電壓和輸出電流的范圍，基本范圍在24~750V，10~500A之間，結(jié)合現(xiàn)有標準及平臺搭建意義，本平臺設(shè)計可滿足50~500V，0~100A的充電機性能的測試，可以完成的測試項目包括安全功能試驗、輸出特性試驗、絕緣性能試驗、諧波電流試驗。檢測平臺主要由3部分構(gòu)成，即功率電路系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)和監(jiān)控系統(tǒng)，硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。功率電路系統(tǒng)包括交流模擬電源、調(diào)壓電源、功率可調(diào)直流負載、電源選擇柜、開關(guān)切換柜、短路柜，模擬充電機不同運行工況。檢測系統(tǒng)包括功率分析儀、數(shù)據(jù)記錄儀、示波器、電能質(zhì)量測試儀及所需的傳感器設(shè)備，在充電機性能測試過程中實時量測各測量點電壓、電流數(shù)據(jù)，獲得充電機性能數(shù)據(jù)。監(jiān)控系統(tǒng)包括工控機、驅(qū)動程序、板卡及串行通信線纜等，實現(xiàn)充電機檢測的可視化和自動化，能夠?qū)崟r監(jiān)視充電機的狀態(tài)和遠程控制平臺設(shè)備進行充電機的測試。

1.2平臺通信設(shè)計本平臺采用組態(tài)王軟件開發(fā)，測試過程中平臺設(shè)備需要與組態(tài)王進行實時通信，組態(tài)王的驅(qū)動程序采用ActiveX技術(shù)，使通信程序和組態(tài)王構(gòu)成一個完整的系統(tǒng)，保證運行系統(tǒng)的高效率，從而組成可以進行遠程控制的自動檢測平臺。本平臺中組態(tài)王與I/O設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換采用串行通信和板卡兩種方式，平臺通信設(shè)計如圖2所示。電源選擇柜、開關(guān)切換柜、直流負載柜采用板卡通信模式，此模式需在組態(tài)王工程瀏覽器的設(shè)備節(jié)點中通過“板卡”項進行配置設(shè)備驅(qū)動，板卡插接在工控機的工業(yè)標準結(jié)構(gòu)總線ISA（industrialstandardarchitecture）擴展槽內(nèi)，用戶通過訪問板卡的I/O地址與平臺設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換；交流模擬電源和功率分析儀通過“COM”項進行配置設(shè)備驅(qū)動，串口設(shè)備通過RS232串行通信線纜連接到工控機的串口，本平臺配置2個串口，最多可配置32個串口通信設(shè)備。串口通訊不僅需要物理接口的連接還需要依據(jù)不同的設(shè)備采用不同的通訊配置，確定包括波特率、校驗方式、校驗位和數(shù)據(jù)位的個數(shù)等參數(shù)，設(shè)備和上位機組態(tài)王軟件必須配置一致才能實現(xiàn)正常通訊。通過遠程通信方案可以遠程調(diào)節(jié)與監(jiān)控輸入電源狀態(tài)，實現(xiàn)過壓、欠壓等不同電網(wǎng)狀況模擬；可以通過板卡通信遠程控制電源選擇柜和開關(guān)切換柜的開關(guān)，實現(xiàn)開關(guān)狀態(tài)自動切換；可以遠程在線調(diào)節(jié)直流負載的大小，模擬蓄電池充電的狀態(tài)，實現(xiàn)充電機輸出不同功率的工作模式下測試的自動化；并實時上傳檢測系統(tǒng)的測量數(shù)據(jù)。

2基于組態(tài)王的自動化檢測平臺

2.1組態(tài)王功能分析本平臺人機界面采用亞控公司的組態(tài)王6.55對平臺進行開發(fā)，該軟件充分利用了Windows的圖形功能完備、界面一致性好、易學(xué)易用的特點，使開發(fā)的系統(tǒng)更具有通用性，大大減少了工控軟件開發(fā)者的重復(fù)性工作，縮短項目開發(fā)周期，減少開發(fā)費用。組態(tài)王開發(fā)軟件的功能特點有：①強大的界面顯示功能：提供給用戶豐富的作圖工具，可隨心所欲地繪制出各種工業(yè)界面；②良好的開放性：組態(tài)軟件能與多種通信協(xié)議互聯(lián)，支持多種硬件設(shè)備，向下能與低層的數(shù)據(jù)采集設(shè)備通信，向上能與管理層通信，實現(xiàn)上位機與下位機的雙向通信；③豐富的功能模塊：完成實時監(jiān)控產(chǎn)生功能報表、顯示歷史曲線、實時曲線、提供報警功能；④強大的數(shù)據(jù)庫：配有實時數(shù)據(jù)庫，可存儲各種數(shù)據(jù)，實現(xiàn)與外部設(shè)備的數(shù)據(jù)交換；⑤可編程的命令語言：擴充應(yīng)用系統(tǒng)的功能，對應(yīng)用系統(tǒng)進行最精確的控制；⑥周密的系統(tǒng)安全防護：對不同的操作者賦予不同的操作權(quán)限，保證整個系統(tǒng)的安全可靠運行；⑦仿真功能：提供強大的仿真功能使系統(tǒng)并行設(shè)計從而縮短開發(fā)周期[9]。文獻[10]曾經(jīng)用組態(tài)王軟件開發(fā)了逆變器并網(wǎng)檢測平臺，為本項目的實施提供了可靠的保證。

2.2測試方案整個充電機測試方案以組態(tài)王6.55作為開發(fā)平臺，測試充電機的測試方案流程如圖3所示。人機操作界面可實現(xiàn)以下功能：（1）總體監(jiān)控。在上位機顯示采集數(shù)據(jù)實時值，計算機通過和設(shè)備通信訪問相關(guān)設(shè)備寄存器來獲得設(shè)備的運行情況，包括交流調(diào)壓電源輸出值、充電機輸出參數(shù)、負載接入電路的參數(shù)及相關(guān)狀態(tài)，并通過動畫連接、實時曲線等顯示出來。（2）控制功能。如圖3（a）中的“配電控制”環(huán)節(jié)，在上位機端對開關(guān)切換柜和電源選擇柜的接觸器進行遠程控制，模擬充電機運行的真實狀態(tài)，其中開關(guān)切換柜內(nèi)的接觸器為圖1中的開關(guān)S，是本平臺的硬件核心，通過對它的遠程控制，選擇合適的設(shè)備接入充電機的兩側(cè)，滿足不同充電機的要求。（3）報警功能。如圖3（b）中的“交流檔位報警”和“參數(shù)設(shè)定報警”環(huán)節(jié)，在充電機的交流電源的輸入檔位和充電機輸出參數(shù)設(shè)定錯誤時，會發(fā)生報警，保證測試平臺安全運行。（4）數(shù)據(jù)存儲。如圖3（b）中的“存數(shù)據(jù)報表”環(huán)節(jié)，將實驗中所需的充電機配置參數(shù)、檢測參數(shù)和當前設(shè)備的狀態(tài)參數(shù)均存入報表，并可通過EXCEL報表進行查詢，進行數(shù)據(jù)處理。（5）打印功能。打印產(chǎn)生的數(shù)據(jù)報表、歷史曲線等。（6）界面顯示。平臺操作界面分為主界面和子界面，利用菜單方式進入充電機的測試實驗子界面。通過點擊工具欄的選項可以看到不同設(shè)備的狀態(tài)以及充電機的測試參數(shù)，并且在工具欄可以使用“急停”功能，數(shù)據(jù)報表功能，控制設(shè)備通斷功能。其界面結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖4所示。

3檢測平臺測試實例

3.1非車載充電機測試項目非車載需要測試的項目主要為安全功能實驗、輸出特性實驗、絕緣性能實驗、諧波電流實驗、電磁兼容實驗5大類。安全功能實驗要求充電機具有輸入過壓保護、欠壓保護、輸出過壓保護、輸出過流保護、輸出短路保護；輸出特性實驗包括輸出電壓誤差、輸出電流誤差、穩(wěn)壓精度、穩(wěn)流精度、紋波系數(shù)、功率因數(shù)、效率實驗；絕緣性能實驗包括絕緣電阻測試、工頻耐壓、沖擊耐壓、泄漏電流、接地電阻測試；電磁兼容試驗包括電磁騷擾發(fā)射測試和設(shè)備的抗擾度測試，由于電磁兼容測試需在特定的實驗環(huán)境下開展，因此本平臺未開展此項測試。本文用上述設(shè)備對某廠家一臺10kW充電機模塊進行性能測試，該產(chǎn)品輸出電壓范圍50~100V，輸出電流范圍0~100A。以下以部分實驗實例說明本平臺測試結(jié)果。

3.2諧波電流實驗在平臺的菜單項中選擇“諧波電流實驗”，根據(jù)實驗流程，設(shè)定充電機工作在額定輸出電流狀態(tài)，通過電能質(zhì)量分析儀采集2~25次諧波電流數(shù)據(jù)，并計算出單次諧波電流含有率。由于充電機整流設(shè)備為6脈動，以6k±1次諧波為主，因此測試數(shù)據(jù)僅列出6k±1次諧波電流含量如表1所示，各次諧波電流頻譜如圖5所示。由表1和圖5可知，充電機的5次和7次諧波占總諧波比重最大，且三相電流諧波含有率基本相同，而充電機輸入的各次諧波電流含有率均不大于30%，符合GB/T19826—2005電力工程直流電源設(shè)備通用技術(shù)條件及安全要求規(guī)定。3.3穩(wěn)壓精度實驗實驗步驟：充電機連接功率可調(diào)阻性負載，設(shè)置充電機恒壓輸出模式，設(shè)定電壓整定值，調(diào)整輸入電壓分別為90%、100%、110%額定值時，在0~100%額定電流間調(diào)整負載電流，分別測量充電機輸出電壓。在平臺的菜單項中選擇“穩(wěn)壓精度實驗”，根據(jù)實驗流程設(shè)定各測試數(shù)據(jù)點，穩(wěn)壓精度測試數(shù)據(jù)如表2所示。實驗數(shù)據(jù)如圖6所示，其中實驗點1、4、7的交流輸入電壓是額定電壓的110%；點2、5、8為額定電壓；點3、6、9為額定電壓的90%。實驗點1、2、3為空載狀態(tài)下；點4、5、6為輸出電流50A；7、8、9為輸出電流100A。標準規(guī)定當交流電源電壓在標準值±15%范圍內(nèi)變化，輸出直流電流在額定值的0~100%范圍內(nèi)變化時，輸出直流電壓應(yīng)在相應(yīng)的調(diào)節(jié)范圍內(nèi)任一數(shù)值上應(yīng)保持穩(wěn)定，充電機輸出電壓精度不應(yīng)超過±0.5%。從表2中可以看出該模塊穩(wěn)壓精度各測試點處滿足標準要求，并且輸出電壓越接近額定電壓，穩(wěn)壓精度越高。圖6給出了每個測量點偏離電壓設(shè)定值的大小，從圖中可以看出隨著負載增加，實際輸出電壓在減小，并且在各設(shè)定輸出電壓下，輸出電流為50%狀態(tài)下電壓偏差度最小。

4結(jié)語

本文詳細闡述了一種基于自動控制系統(tǒng)開發(fā)軟件組態(tài)王的非車載充電機檢測平臺，對平臺的硬件電路設(shè)計、通信設(shè)計做了詳細論述，并對檢測平臺的測試流程及測試方案進行了分析，最后給出了諧波電流實驗、穩(wěn)壓精度實驗2個典型實驗的實驗結(jié)果分析，驗證了該檢測平臺的實用性。本檢測平臺結(jié)構(gòu)合理，自動化程度高，可以在很大程度上提高充電機檢測的效率和準確性，具有推廣應(yīng)用價值。

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作者：劉亞麗 李國棟 胡波 趙新 車延博 滕文 單位：國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院 天津大學(xué)電氣與自動化工程學(xué)院 國網(wǎng)天津市電力公司營銷部