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如何应对面向电动车辆充电应用的测试挑战?

时间:2021-06-11 作者:Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
电动车辆的出现无疑将对电网产生巨大的充电需求,而通过车辆到电网(V2G)电力应用又扩展了新的储能商机。分布式和可再生能源解决方案的出现可以帮助行业过渡,但也将导致电网复杂性增加,给EV/EVSE和电网边缘充电应用带来众多的测试挑战。
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汽车行业在电源管理技术和新型电池方面不断进步,高效灵活的新型解决方案不断涌现以满足市场需求。其中发挥重要作用的测量系统也需要满足越来越严格的技术要求。是德科技研发的Scienlab再生三相交流仿真器SL1200A系列提供了面向电动车辆(EV)和电动车辆供电设备(EVSE)充电应用和电网边缘应用的测试解决方案,该测试方案涵盖硬件、软件、咨询和支持服务。

是德科技汽车和能源解决方案(AES)业务部门的方案经理Kevin M. Cavell和AES方案营销专家Julian Tomczyk强调,汽车充电应用现在很有必要配置一个测试系统,它能够验证电动车动力总成的可靠性。是德科技一直专注于解决电动汽车(EV)、EV供电设备(EVSE)以及电网边缘电源变换器的充电接口技术挑战。该公司的测试方案都是专门为满足客户技术要求而设计的产品,包括SL1200A系列Scienlab再生交流仿真器、便携式系列SL1040A Scienlab Charging Discovery 系统(CDS),以及大功率系列SL1047A Scienlab CDS。

结合SL1040A和SL1047A Scienlab Charging Discovery系统,SL1200A提供了一套完整的解决方案,让用户可以放心创建实际的充电方案,并满足全球标准。

电动车辆的出现无疑将对电网产生巨大的充电需求,而通过车辆到电网(V2G)电力应用又扩展了新的储能商机。分布式和可再生能源解决方案的出现可以帮助行业过渡,但也将导致电网复杂性增加,给EV/EVSE和电网边缘充电应用带来众多的测试挑战。

电动车辆(EV)

电动车辆(EV)革命正在加速奔向更加可持续发展的未来。电动车辆设计中的关键性能涉及电池和推进系统。其设计参数包含功率水平、转换效率、车辆动力总成系统中的工作温度、散热能力和系统封装。

对电动车辆来说,其测试系统必须适应高电压测量(高达1000 V或更高)才能确保安全可靠的运行。最具挑战的应用是在实际驾驶条件下对车辆进行测试。恶劣的环境、从-30 ℃到+ 60 ℃的环境温度以及各种地形都对测量仪器提出了严格要求。

在元器件级别,宽禁带(WBG)半导体器件开始用在EV内部的不同功率转换器,以及EVSE和并网逆变器中。这就需要双脉冲测试设备进行测试。WBG建模和电路仿真等工具也有一定的使用价值。

对电池来说,测试过程要从电池单元开始。电动车辆需要大量的电池单元。电池生产设备需要使电池经过最初的充电/放电(称为“形成”),然后根据质量对电池进行分级。大多数分级工作都可以在几分钟内完成,但测量电池老化过程的自放电却是一项耗时数天的冗长测试,在老化过程中会产生大量的在制品库存。为降低库存成本,是德科技提供了一种特殊的仪器,它可以将自放电测量时间从几天减少到几小时,从而减少老化测试时间并加快电池分级。

一旦完成电池单元的形成、老化和分级,就可以将它们组合在一起创建电池组。根据所需的电压和功率,一个电池组可能由数千个电池单元组成。电池管理系统(BMS)要及时到位,以监测电池组中每个电池单元的健康情况。这个阶段同样需要测试和测量设备,以测试BMS和整个电池组。

VFD逆变器将电池的直流能量转换为变频交流电以驱动电机。对DC端的仿真需要能够提供100 kW功率的大型电源,还需要一个机器仿真器来围绕待测试器件(DUT)以便对电机进行仿真。这些仪器可以使VFD通过许多测试案例,而且可以测量输入和输出功率以计算功率转换效率。通过在设计中使用WBG半导体,效率甚至可以超过95%,从而大大减少热损耗并扩大有效范围。

宽禁带半导体

电源转换器是实现交通运输、可再生能源和工业市场电气化的关键组件。为了进一步改善电源转换器设计,基于碳化硅(SiC)和氮化镓(GaN)的新型宽禁带(WBG)半导体技术应运而生。

相比普通的硅或砷化镓(GaAs)半导体,宽禁带半导体的禁带要宽很多,这自然会转化为更大的击穿电场,从而可以在高温下运行、降低辐射敏感性,同时又不损失电气特性。

随着温度的升高,价带中电子的热能也会增加,直到它们在一定温度下获得足够的能量,跃迁到导带为止。对于硅,这个温度约为150℃;但对WBG半导体来说,该温度要高很多。

WBG半导体在开关速度(比传统设计快10到100倍)、电压和热操作上都有重大飞跃,因此提高了效率、减小了尺寸并降低了成本。但事实证明,由于在表征WBG半导体时面临许多新的挑战,高性能电源转换器的设计难度很大。

这些挑战阻碍了半导体制造商和工程师在设计新转换器方面的创新。厂家自产的测试系统已成为表征WBG半导体的主要来源。建立自己的测试系统是必要的,因为迄今为止,可商购的测试系统还未出现。但是,使用一次性“自产”测试仪很难生成可重复且可靠的测量结果。将这些测量结果与元器件的数据手册相关联时,不可靠的结果给电源转换器设计人员带来了更多的障碍。为了一致、可靠地表征WBG半导体,是德科技创建了PD1500A动态电源设备分析平台。该平台最初采用的双脉冲测试(DPT)技术由新能源和电动汽车(EV)行业的半导体制造商和设计公司紧密合作开发而成。

图1: SiC器件的截面图

电动汽车和智能电网面临的挑战

动力总成的电气化要求不仅仅对内燃过程进行分析。电动和混合动力汽车可能有多个电机、逆变器和电池组。为了进行完整的能源和效率分析,所有能源和负荷都必须考虑在内。

电动汽车制造商(OEM)及其供应商(一级供应商等)面临的挑战取决于他们所关注的领域,无论是动力总成、自动驾驶还是车载网络。专注于电池和电池组测试的工程师可以解决电池问题,因为电池是驱动动力总成所需的燃料;而专注于电源转换的工程师可以解决电源转换器/变频器(VFD)问题。每个领域都对电动汽车的正常、高效、长距离运行至关重要,并且都面临自己独有的测试挑战。

随着电动车辆在全球范围内不断普及,不同的充电标准也在各地不断发展。但目前全球还没有统一的标准。例如美国和欧洲采用CCS充电标准、中国采用GB / T、日本采用CHAdeMO,还有即将推出的新亚洲标准ChaoJi。

这些标准涵盖了很多方面,如EVSE与EV之间的正常通信、物理插头的设计、功率流和测试场景等等。每个国家或地区都有许多一致性标准,这取决于充电类型(交流、直流、大功率直流)。但EV或EVSE制造商的目标应该是在全球范围内销售产品。在所有想要展开业务的地区,都需要根据该区域的标准进行测试。手动完成这项任务可能需要数周甚至数月的时间,从而延缓产品上市时间。因此,业界需要一种测试系统,它可以自动化软件中所有不同的测试用例,并轻松提供可互换的硬件(例如插头),以支持每个区域标准中的众多测试用例。该系统必须满足所有充电标准,包括通信和功率流。其系统架构要模块化且具备灵活性,并涵盖AC、DC、EV和EVSE,而且要易于携带,同时支持在实验室或现场使用。图2: SL1200A 系列Scienlab再生三相交流仿真器

电动车辆的增长同样也导致了电网基础设施发生变化。可再生能源和分布式能源(DER)为全球电网的现代化提供了支持。“在汽车行业,车辆电气化预计对电网产生大量的充电需求,同时还将通过V2G电力应用扩展储能商机。随着不同能源混合的加剧,管理电力生产、分配和消费的方式也面临诸多挑战。

电网支持的“智能”逆变器解决方案已经成为克服此类挑战的关键推动力。逆变器制造商必须遵从一组特定的电网合规性/互连标准,这需要进行大量测试。

电网仿真设备德测试是必要的。为了降低损耗和成本,分布式能源(DER)也正朝着更高的输出电压方向发展。输出电压从600 VAC变为800 VAC,甚至将来可能高达1000 VAC(IEC-LV指令允许的输出电压高达1000 VAC)。更高的电压目标与提供电网支持功能(例如高电压穿越,HVRT)的要求相结合,导致需要测试的电压甚至高过1000 VAC。要获得测试新逆变器/控制设计所需的高电压,逆变器工程师通常需要串联多个电源或使用外部变压器。这将导致高昂的成本和需要复杂的测试设置,而且无法轻松扩展,同时还会降低性能、浪费空间以及其它一些缺点。

是德科技的SL1200A系列可满足高达1200 VAC的三相交流测试要求,功率范围从30kVA至630kVA,而且无需变压器。它提供两个电压范围,600 VAC非常适合低电压逆变器测试以及EV和EVSE充电测试应用;1200 VAC则用于高电压测试,无需大型复杂的测试装置。

该系列所涉及的测试与测量主要集中在地区标准上。是德科技充电测试解决方案的控制软件,例如便携系列的SL1040A Scienlab CDS或大功率系列的SL1047A Scienlab CDS,可以配置区域标准大纲中规定的不同测试用例,并且硬件可以轻松互换以适应所采用的不同物理插头。设置完成后,用户需要在软件中选择适当的测试标准,然后单击“开始”。然后,一切都会自动完成。必要的测试和测试配置由标准组织指定。现在,功率流从电网流向电动汽车,电动汽车仅从电网接收电力,这只会增加能源需求。但是将来,诸如车辆到电网(V2G)等新技术将使电动车辆可以充当电池储能系统(BESS),充电站(EVSE)将变为双向的。V2G的实施将增加更多的复杂性,并且需要测试电网和互操作性标准。”

车辆电气化和整个电气基础设施改变了对测量系统的要求。在硬件方面,仪器必须适应高电压信号的存在,并且必须承受恶劣的环境条件。在软件方面,同步采集各种类型的数据,电气和机械数据以及一系列标准,对最终确定和优化测量也提出了一系列要求。

(参考原文: Test Solutions for Electric Vehicle Charging Applications)

责编:Amy Guan

本文为《电子工程专辑》2021年6月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。点击申请免费杂志订阅 

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