基于虚拟电池技术的电动汽车充电设备测试系统

颜湘武，王丽娜，李艳艳，谷建成，张 波，尹菲菲，张合川

（华北电力大学 新能源电力系统国家重点实验室，河北 保定 071003）

0 引言

随着环境问题日益突出和石油消耗量不断攀升，电动汽车在提高经济效益、减少环境污染和保障能源安全方面的优势越发凸显［1-2］。近年来，在国家政策的激励下，充电设备作为电动汽车运行的配套设施，正处于大规模推广阶段。充电设备电气性能对动力电池寿命、充电经济性以及电网电能质量有着重要的影响［3-5］。随着电动汽车产业发展，越来越多的高性能充电机被研发出来［6-7］。虽然目前相关行业、企业标准中［8-14］，提出了关于电动汽车充电设备的测试内容和测试方法，为测试提供了参考，但没有制定相应测试细则和步骤，对应的国家标准尚未出台。因此有必要研究一套既能对充电设备进行性能测试又能为测试方法研究提供平台的自动化测试系统。

在电动汽车充电设备测试装置和试验方法方面，国内外学者进行了一定的研究。云南电力试验研究院研究了一种非车载充电机试验测试平台［15］，北京交通大学研究人员开发了基于计算机的“电气性能测试系统”［16］。两者的特点是硬件平台分为交流输入、直流负载和测量装置3个部分，两者的直流负载部分分别采用了分级电阻和程控电子负载，其控制和测量方法简单，主要测试不同功率下的充电设备特性。H.Bai等在插入式电动汽车充电机设计中，使用320 V/44 A·h锂电池组作为充电负载搭建测试平台，来验证所设计的大功率充电机的性能［17］。该方法使用动力电池作为充电负载，由于动力电池包本身的参数固定，所以只用于一些充电对象固定的充电机，无法作为一种通用的测试试验方法。Han Seung-Ho等开发了用于电动汽车快速充电机的测试装置QCTE，该测试装置将动力电池的充电曲线转换成充电需求，通过计算机发送到充电机，使充电机按照该需求进行充电，并可通过计算机完成自动测试过程［18］。该方法不能模拟不同规格参数的动力电池组在不同充电条件下的充电特性。

通过比对以上测试平台和测试方法，可以看出，可控直流负载作为充电负载具有控制简单、可调整范围宽等优点，但存在不能模拟真实充电环境的缺点。利用动力电池组可以实现实际充电过程中的测试，但存在规格参数单一、购置价格高等缺点，不能满足任意充电机的多等级输出测试需求。本文将上述两者的优势相结合，根据电池充电特性的可模拟性并结合可控直流负载的高度可控性和可调性，研发了基于虚拟电池技术的电动汽车充电设备测试系统。另外，电动汽车充电设备测试所需设定的参数众多，流程控制复杂，所以在系统中实现了高度自动化测试，用以提高测试效率，降低人为出错率。同时，针对研究性方面的测试，系统提供了多种工况的模拟功能以及开放的接口，用以自定义测试流程和数据分析。

1 虚拟电池技术

1.1 基于虚拟电池技术的总体测试方案

利用虚拟电池技术［19］的测试系统的内部结构见图1，其核心部分是动力电池模型，外围主要是与外部系统进行信息交互的功能接口。在使用电池模型进行测试时，首先设置电池模型参数（电池类型、串并联结构、额定容量、当前容量、散热方式、压缩时间系数、环境温度），用于构建电池模型的初始状态；然后根据电池参数辨识获得的模板数据、电池当前的充电状态及设定的充电参数（充电电流、电压值），计算下一时刻的充电状态；再根据计算的充电状态数据，设置直流负载参数，使之呈现电池充电特性。

在测试过程中可以通过状态在线变更软件界面修改电池参数（某一电池单体的欧姆内阻、电压、荷电状态SOC（State Of Charge））来模拟电池的异常状态，以便测试充电机在异常状态下的响应能力。

图1 基于虚拟电池技术的测试方案Fig.1 Scheme of test based on virtual battery technology

1.2 电池管理系统与充电机之间的通信虚拟

正常充电过程中，电池管理系统BMS（Battery Management System）通过控制器局域网CAN（Controller Area Network）总线与充电机之间进行通信，充电机根据BMS发出的需求信息，自动调整其输出。但是在实际测试中，不能只根据动力电池的状态决定充电机的输出，而是要实现对充电机输出的大范围灵活设置。所以在系统中嵌入了车载充电机、非车载充电机与BMS之间的通信协议，通信结构由实际充电过程中充电机和BMS之间的通信转换为通过工控机进行中转的通信，如图2所示。工控机软件可模拟BMS，向充电机发送虚拟的电池状态信息，从而控制充电机的输出。对于非车载充电机，实现了与之在通信握手阶段、参数配置阶段、充电阶段、充电结束阶段、错误处理阶段［19］的通信过程。对于车载充电机，工控机软件按照生产企业提供的协议进行通信。通过软件界面可以发送虚拟电池单体过压、过温等信息到充电机，测试充电机对电池异常的响应。

图2 通信模拟方案Fig.2 Scheme of communication simulation

1.3 电池模型

电动汽车动力电池类型主要包括锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池。通过观察分析上述电池的充放电特性及静置特性，可以看出在充电后静置时，电压曲线出现骤降部分、平缓下凹部分以及渐近平稳部分。骤降部分可以用欧姆电阻参数来模拟，平缓下凹部分以及渐近平稳部分可以用电容参数和电阻参数的组合来模拟。通过MATLAB拟合，发现使用二阶等效电路模型能提高模拟准确度，因此系统采用二阶电路等效模型［20］，如图3所示。模型的重要参数包括：开路电压 Uo、欧姆内阻R0、电化学极化电阻R1、电化学极化电容C1及时间常数t1、浓差极化电阻R2、浓差极化电容C2及时间常数t2。不同规格的电池组模型可以通过将若干单体电池模型进行串并联实现。这些参数随着SOC、充电电压或者充电电流的不同而改变，在充电过程中需要进行实时计算。

图3 二阶等效电路模型Fig.3 Second-order equivalent circuit model

工控机软件中存储有各类电池通过充电静置方法得到的电池单体在某一充电电流下、不同SOC下的上述参数的辨识结果，它们为实时状态参数计算提供模板数据。某磷酸铁锂电池单体在6 A充电电流下的参数辨识结果如表1所示。

表1 磷酸铁锂电池单体在6 A充电电流下的参数辨识结果Table 1 Results of parameter identification for LiFePO4 battery with charging current of 6 A

1.4 电池模型充电状态参数实时计算过程

a.利用安时法计算单体电池SOC。

为了提高测试效率，缩短测试时间，采用压缩测试曲线的方法，定义时间系数KT为：

其中，Δt为电池模型循环计算周期的实际时长；Δt′为所模拟的充电时长。

第i个电池单体在第k+1个计算周期的荷电状态 SOCi（k+1）为：

其中，i表示第i个电池单体；h为充电效率；CN为电池额定容量；Ick为第k个计算周期的充电电流。

b.计算单体电池开路电压Uo。

开路电压是SOC的函数，采用Gregory L.Plett的“复合模型”计算第i个电池单体在第k+1个计算周期的开路电压，方法如式（3）所示。

其中，K0、K1、K2、K3、K4为已知拟合系数，对于不同类型的电池，拟合系数不同。

c.单体电池参数的计算。

利用模板数据中存储的在不同SOC下的R0、R1、R2、t1、t2的值，通过线性插值获取当前时刻第 i个电池单体对应的参数 R0i（k+1）、R1i（k+1）、R2i（k+1）、t1i（k+1）、t2i（k+1）。在计算R0i（k+1）时，应注意在不同的充电电流作用下，R0i（k+1）的取值不同，通过实验发现充电电流越大，该值逐渐降低，因此在计算时引入欧姆电阻电流系数Ki：

d.恒流充电方式下电池端电压的计算。

其中，Up1i（k+1）为第 i个电池单体在第 k+1 个计算周期的电化学极化电压；Up2i（k+1）为第i个电池单体在第k+1个计算周期的浓差极化电压；Ubi（k+1）为第 i个电池单体在第k+1个计算周期的单体端电压；Ub（k+1）为第k+1个计算周期的电池组端电压；n为电池组内电池串体个数。

e.恒压充电方式下电池电流的计算。

Ub已知，根据式（7）和式（8），电流的计算公式为：

假设第k+1个计算周期内的电流仍为Ick，然后按式（2）计算 SOCi（k+1），根据式（3）计算 Uoi（k+1），根据步骤 c 提供的方法，计算 R0i（k+1）、R1i（k+1）、R2i（k+1）、t1i（k+1）、t2i（k+1），随之计算 Up1i（k+1）、Up2i（k+1），再利用式（9）得出Ic（k+1）。

f.单体电池温度的计算。

电池充电过程中所产生的热量Qc由电池化学反应热 Qr（J）、极化生热 Qp（J）、焦耳热 QJ（J）组成。计算公式如下：

其中，Ic为充电电流；t为时间；Q1为单位参与化学反应物质完全反应所产生的热；Rin为充电时的等效输入电阻。

温度变化：

式（10）—（13）中各变量均取第i个电池单体在第k+1个计算周期的值。

当前单体电池温度：

其中，C为电池热容量；Tr为电池散热影响，它是进行计算时电池组温度Tb与环境温度Tenv的函数。

利用虚拟电池技术模拟动力电池常规充电的自动化测试流程如图4所示。

图4 虚拟电池动态参数计算流程Fig.4 Flowchart of dynamic parameter calculation for virtual battery

2 系统测试内容

通过参考关于充电设备技术规范的相关国家、行业及企业标准［8-14］，并结合研究性试验需求，确定电动汽车充电设备测试试验系统的测试内容包括以下几个方面。

a.功能性测试项目：充电功能、保护功能、限压和限流特性、辅助电源供电性能。

b.电气性能测试项目：输出电压误差、输出电流误差、稳压精度、稳流精度、纹波系数、效率、功率因数、负载调整率、电压调整率等。

c.接口与通信测试项目：接口信号分析测试［21-24］、BMS与充电机通信测试。

d.电能质量特性测试项目：输入电压不平衡度、输入电流谐波、输入电压波动与闪变。

e.附加功能测试项目：结合对充电设备的电能质量问题、功效问题、稳定性问题以及充电设备技术规范问题等的研究性要求，测试平台还应提供自定义测试内容，用户根据需求，自行设定测试方法，进行开放性测试。

3 系统硬件平台

硬件平台的设计要考虑兼容车载充电机、非车载充电机以及充电模块参数，并且要解决测试的安全性和可控性问题。另外，该系统集科研性和实用性为一体，不仅要在虚拟电池状态下进行测试，也需要在直流负载或者动力电池组作为负载状态下进行测试。所以负载模块要考虑多种类型负载的接入。本文搭建的硬件平台由可控交流电源、充电负载模块、测量装置、保护控制装置、工控机以及它们之间的通信接口组成，结构组成如图5所示。

图5 硬件平台结构Fig.5 Structure of hardware platform

可控交流电源可以向待测充电设备提供可控的单相或三相交流电源，能够模拟电网各种电压、频率扰动。测量装置主要由测量仪表以及高分辨率的功率分析仪组成，为测试试验提供可靠的测量数据。保护控制装置主要由可编程控制器（PLC）与各类开关器件组成，可根据系统指令自动投切设备，同时对系统进行实时监视，在系统出现过流、过压或设备工作异常时切断回路，以保护系统设备。工控机配置有多个通信接口，与待测充电设备和BMS通过CAN总线通信，与单相数控电源、三相数控电源、电阻负载、可编程控制器之间通过RS-485接口通信，与电子负载间通过RS-232接口通信，与数据采集装置之间通过TCP/IP网络通信。中央处理单元实时监视测试设备的工作状态，控制测试自动有序进行，同时完成对测试数据的采集和存储。

4 系统软件部分

系统软件根据面向对象思想，用Visual C#语言编写，在数据管理方面采用SQL Server数据库，在数据分析模块采用Visual C#与MATLAB混合编程技术。系统软件由测试控制软件和系统管理软件两部分组成。系统管理软件部分的功能主要是编辑测试流程、监控测试、分析数据和生成报告。测试控制软件的主要功能是解析流程文件、控制测试执行、采集和存储测试数据。

a.测试流程部分。

系统中每项测试是按照测试流程文件进行管理的，每项测试包含若干测试阶段，每一测试阶段中可设置的内容有：充电机充电方式（恒压、恒流、恒流限压、脉冲）、环境温度、交流电源调节方式、输入电压、输入频率、输出电压、输出电流、输出限制电流、输出限制电压、脉冲充电参数、负载类型、负载工作模式、负载调节方式、负载输出、虚拟电池参数和本阶段测试结束条件等。系统提供了流程自动生成功能，即用户通过选择相关标准规范，自动生成测试流程，还提供了开放的接口，用户可以自定义测试流程。系统将测试流程信息保存在可扩展标记语言（XML）文件中，便于测试时读取。

b.测试执行控制部分。

在测试时，根据流程文件中的参数值远程配置测试设备和待测充电设备，并使用子线程方式，判断阶段结束或跳转条件，完成测试阶段的转换。在测试过程中一方面将测试数据进行显示，另一方面将数据存储到数据库中，便于后续分析。

c.数据分析处理部分。

测试数据分析处理部分系统提供了自动分析和手动分析2种数据分析模式。前者是针对有规律的测试项，通过后台程序选取有效数据范围，统计指标测量值，并与相关标准进行比对，得出测试结论，并生成测试报告；后者是手动选取数据范围，进行指标数据分析，用于研究性测试。

5 应用试验

本文以车载充电机的充电模块（充电模块A）以及非车载充电机充电模块（充电模块B）的测试试验为例，说明该系统的应用情况。充电模块A参数：工作频率为 47～53 Hz，输入电压为 180～264 V，输出电压为50～500 V，输出电流为0～6.6 A，最大输出功率为3.3 kW。充电模块B参数：频率范围为49～51 Hz，输入电压范围为187～253 V，输出电压范围为100～750 V，输出电流范围为2.5～12.5 A。

5.1 研究性测试

利用本系统可以进行多种研究性测试，如研究不同负载类型、虚拟电池时间系数、负载调节变化率、不同充电阶段、输入电压扰动、输入频率扰动等因素对指标测量值的影响。由于篇幅原因，该部分只进行简要举例，用以说明系统功能。

5.1.1 不同负载类型对稳流精度测试的影响

选取充电模块A，设定输入电压为220 V，输入频率为50 Hz，工作模式为恒流，输出电流为5 A，负载选择电子负载、动力电池组和虚拟电池。虚拟电池参数：电池类型为磷酸铁锂电池，将10组电池进行串联（每组10个电池单体），额定容量为25 A·h，额定电压为320 V。稳流精度（正偏差，负偏差）测试结果如表2所示，可以看出，虚拟电池作为负载的测试结果与动力电池作为负载的结果最接近。

表2 不同负载类型下的稳流精度Table 2 Stabilized current precision for different load types

5.1.2 虚拟电池时间系数对稳压精度、稳流精度的影响

选取充电模块A，设置为恒流限压充电模式，恒流值为5 A，限压值为350 V，虚拟电池的参数同5.1.1节，设置初始SOC为10%，终止SOC为90%。在不同时间系数下的充电曲线如图6所示。

图6 虚拟电池在不同时间系数下的充电曲线Fig.6 Charging curve of virtual battery for different time coefficients

利用上述曲线中恒压部分的数据计算稳压精度，恒流部分的数据计算稳流精度，得到的分析结果如表3所示。由表3可见，虚拟电池的不同时间系数对稳态测试结果的影响不是很大。另外通过对多台充电机在不同虚拟电池参数下，进行不同时间系数的多指标测试进行分析，发现时间系数小于10时，指标测量结果与真实电池测量结果相差不大。

表3 充电模块A在不同时间系数下的测试结果Table 3 Test results of charging module A for different time coefficients

5.2 型式测试

系统可按照各标准规范中的要求，对充电设备进行型式测试，来发现产品存在的问题以及评价产品的合格程度。由于篇幅限制，对所能完成的测试不一一列举，只选取典型测试进行举例。

5.2.1 稳定性指标测试

系统中稳压精度、稳流精度、输出电压误差、输出电流误差、输入电压谐波等指标，属于稳态指标，该部分的测试方法基本一致。列举稳压精度的测试对其方法进行说明。选择充电模块A、B，参数设置如下。

a.模块A参数：模块数为1；输入频率为48、49、50、51、52 Hz；输入电压为 187、209、220、231、253 V；输出电压为 100、200、300、400、490 V；电子负载；恒流工作模式；负载恒流输出为 0、2、4、6 A。

b.模块B参数：模块数为3（并联）；输入频率为49、49.5、50、50.5、51 Hz；输入电压为 187、203.5、220、236.5、253 V；输出电压为 550、600、650、700、750 V；电阻负载；恒电阻工作模式；负载电阻输出为41.67、31.25、25 Ω。

测试完成后，使用开发的软件对数据进行分析，结果如下。

a.稳压精度指标δU与输出参数之间的关系。

对于充电模块A，在输入电压Ui为220 V、输入频率f为50 Hz，且Ud、Id变化时，分析结果如表4所示，可见，输出电压Ud越大，δU越小，稳压精度越高；输出电流Id越大，δU相对较小，Id对δU的影响不大。

对于充电模块 B，在Ui为220 V、f为50 Hz，且Ud、负载阻值Rd变化时，分析结果如表5所示，可以看出，Ud越大，δU越小，稳压精度越高；Id对 δU的影响不规律，且影响不大。

b.输入电流谐波与输出参数之间的关系。

对于充电模块A，在Ui为220 V、f为50 Hz时，输入电流谐波总畸变率（THD）与Ud、Id的关系见图7。当输出电压为490 V，输出电流分别为2、4、6 A时，2～21次谐波电流值与标准GB17625.1—2003《电磁兼容限值谐波电流发射限值（设备每相输入电流≤16 A）》中规定值的比较结果如图8所示，图中m为谐波次数，Im为m次电流谐波有效值。

表4 模块A的稳压精度Table 4 Stabilized voltage precision of module A

表5 模块B的稳压精度Table 5 Stabilized voltage precision of module B

图7 电流总谐波畸变率与充电模块A输出参数的关系Fig.7 Relationship between THD and output parameters of module A

图8 2～21次谐波电流值Fig.8 Harmonic currents，from 2nd to 21st order

由图7可以看出，输出功率越大，总谐波畸变率越小。由图8可以看出，输入电流中奇次谐波含量较高，但各次电流谐波值不一定随功率的增大呈现衰减趋势。

5.2.2 调整性指标测试

以电流调整率测试为例进行说明。测试方法：f设定为 50 Hz，Ui设定为 220 V，Ud设定为 500 V，负载选用电子负载，恒流工作模式，负载电流Id在0～6.5 A内进行渐变，测试结果如图9所示。从图中可以看出，Ud随着Id的连续增大而减小，Ud的变化范围为497.9～498.8 V，差值为0.9 V，变化幅度较小。

图9 电流调整率测试中各参数变化情况Fig.9 Parameter variation during current regulation test

6 结论

本文基于虚拟电池技术研制了以产品型式试验、充电设备测试方法研究、充电机性能研究为目的的测试试验系统。该系统适用于车载充电机、非车载充电机及其充电模块的电气性能测试，实现了测试的高度可控，重点实现了虚拟电池技术；系统自动化程度高，提高了测试效率，为电源测试提供了新方法。该系统已完成了对多台车载和非车载充电机的完整测试，证明了系统的高效性、科研性以及全面性。