用于电动汽车直流充电桩的能效计量方案研究

刘建，徐晴，孙应军，周超，田正其，周濛

（1.国网江苏省电力公司电力科学研究院，南京210019；2.河南许继仪表有限公司，河南许昌461000；3.武汉大学，武汉430072）

0 引 言

近年来，电动汽车因其清洁、环保、高效的优点逐渐得到许多国家的重点发展及广泛应用，而作为电动汽车充电的重要配套设施，电动汽车充电桩或充电站也得到了大量的建设［1-3］。电动汽车充电设备的能效水平在一定程度上可以反映电动汽车产业节能减排的能力，因此，对其进行综合能效评估，对实现节能降损和提高能源利用率具有十分重要的意义。

电动汽车充电桩是为电动汽车充电最基础的电力设施。其中，电动汽车充电所用的直流充电桩含有大功率非线性直流充电机，在充放电的过程中会产生谐波，虽经过必要的消谐装置处理，但仍会有残余谐波污染电网，同时可能产生错计电量的状况，所以有必要对充电桩充电负荷对电网影响进行研究。另外，电动汽车是脉动式充电，充电过程存在大量的纹波，对计量表计也会产生影响，需要选择特定的表计进行测量。目前对电动汽车充电桩能效测试尚不能直接完整地进行，内部电能计量的表计也不能直接溯源［4-6］。

文章提出一种用于电动汽车直流充电桩的能效计量方案，通过设置合适的计量点，在计量点处安装相应的表计进行测量，测量信息上传至采集终端，进行相应的处理即可得到充电过程中的实时能效，且配置的后台检定设备可对外部安装表计进行检定溯源，也可对充电桩内部表计进行外部检定溯源。为得到充电桩内部具体损耗分布，电能计算模块可根据相关设备参数和运行参数，结合充电桩物理模型，进行理论计算，为电动汽车充电节能降损提供理论依据。同时，依照能效计量对充电桩进行软件仿真和实际测试，可分析充电桩充电负荷对电网的谐波影响，研究电能表计的适用性，以及能效计量方案的可行性。

1 能效计量方案设计

为了对电动汽车充电能效进行计量，并且得到各充电设备的能耗情况，需要采集不同计量点的电气参数，并通过相应电能计算模块进行计算。对于配电变压器和电力线路这类充电配套装置的能耗情况，可直接采用电能表计对其两端电能的计量结果得到损耗数值。对于电动汽车充电桩，由于其内部结构并不单一且不便拆卸，在得到整体损耗后，为了解具体元件的电能损耗情况，还需通过相应的数学模型，结合具体参数进行电能分析，以此提供损耗计量的理论结果。

电动汽车直流充电桩外部装有显示器，可显示电动汽车充电电量及收贾情况，内部含有计量电表、保护开关电路、控制电路和非车载充电机等设备，可为电动汽车蓄电池直接提供稳定可靠的直流电源。充电桩的能耗除控制电路的损耗外，还包括充电机的损耗。

电动汽车直流充电桩的能效计量方案如图1所示。其中，电源对接口内置电压和电流互感器，把高电压、大电流的交流信号转换为小电压信号输出采集至充电桩输出电能计量装置，同时在充电桩对接口采集充电桩输出直流电压和直流电流，实现对充电桩效率、功率因数等的计量功能。充电桩后台检定设备集成有交流标准电能表和直流标准电能表，能对外部安装表计进行检定，且能对充电桩内置的交流电能表或直流电能表进行外部检定，使测量值可溯源。电能计算模块通过采集的数据，可得到充电桩待机或工作状态下的整体损耗以及损耗的理论分布，对充电桩生产技术的改进具有很好的指导价值。

图1 直流充电桩能效计量方案图Fig.1 Energy efficiencymeasurement scheme diagram of DC charging pile

2 充电计量及电能分析

电动汽车充电能效计量的主要目的是明确各个能耗设备的具体损耗电能值，包括配电变压器、电力线路、充电桩及充电桩内部元件等，只要在能耗设备的输入端和输出端加装相应的电能计量装置就能实现对该设备整体能效计量的目的。对于内部损耗情况，需进行相应的物理模型分析得到。

2.1 计量点的选择

电动汽车充电过程中计量点的设置位置如图2所示。关于贸易结算用电能计量点，以设置在购授电设施产权分界处为原则，对于充电站用电结算来说，即设为计量点4；对于充电桩用电结算来说，即为计量点5；对于用户用电结算来说，即计量点7。在图2中的计量点1、2、3处分别配置电流互感器（CT）、电压互感器（PT）以及电能表，就能实现配电变压器的损耗测量。可得配电变压器的损耗为：ΔP变＝P1－（P2＋P3）。在计量点2、4处分别加装 CT、PT以及电能表，可得电力传输线路的损耗为：ΔP线＝P2－P4。同样的，在计量点5、7加装电表，可以得到直流充电桩的功率损耗为：ΔP直流桩＝P5－P7，其中，包括充电桩内部控制单元损耗P控制。对于直流充电桩内部损耗功率分布，需由电能分析模块依据相应设备参数和运行参数等计算得出。

图2 充电能效计量点选择Fig.2 Choice of charging energy efficiencymeasurement points

对于电动汽车充电能效计量点的选择，主要考虑两方面的因素：经济效益和计量准确性。所选计量点测量的输入功率和输出功率之间的差值应可以提供所需测量的实际损耗，使经济效益最大；计量点一般选择电压、电流波形THD含量小的点，降低谐波对电表计量的影响，提高计量准确性。

2.2 损耗分布的理论分析

直流充电桩含有充电机部分，其电能损耗除控制电路外，主要为充电机部分损耗。充电机即整流器，由IGBT和二极管元件组成，对其能耗的计算可依据IGBT和二极管的数学模型进行。由文献［7-9］可知相关电力电子器件损耗计算公式，通过MATLAB计算程序结合具体参数可以得到直流充电桩内部损耗分布。

2.2.1 整流器损耗计算

整流器损耗功率主要包括：IGBT的通态损耗和开关损耗、并联二极管的通态损耗以及反向截止损耗。在确定IGBT和二极管的型号后，可得到相关特性曲线，例如IGBT的VCE-iC曲线，如图3所示，可对其用二次函数（VCE＝RsiC2／Is＋RTiC＋VCE0）近似拟合。

图3 IGBT的V CE－I C曲线Fig.3 V CE－I C curve of IGBT

考虑开关频率、结温等因素的影响，可计算整流器的损耗。IGBT的通态损耗计算为：

式中 PT为 IGBT通态损耗，其中 A1、A2、A3为VCE-IC（IGBT导通电压对导通电流）特性曲线的拟合系数；DT为IGBT调制过程中的占空比。

IGBT的开关损耗计算为：

式中PSW为IGBT的开关损耗，包括开通损耗Pon和关断损耗 Poff，其中 μ1、μ2、μ3和 μ4、μ5、μ6分别是Eon-IC（开通功率损耗对IGBT导通电流）特性曲线和Eoff-IC（关断功率损耗对IGBT导通电流）特性曲线的拟合系数，f＝f0×fs，即工作频率和开关频率的乘积。

由此可得IGBT的功率损耗为：

式中 PIGBT为IGBT元件一个工作周期的损耗功率。

并联二极管的通态损耗计算为：

式中 PD为二极管通态损耗；B1、B2、B3为 VF-IF（二极管正向电压对正向电流）特性曲线的拟合系数；DD为二极管导通时的占空比。

二极管的反向截止损耗计算为：

式中 Prec为二极管反向截止损耗；λ1、λ2、λ3为Erec-IF（反向恢复损耗功率对二极管正向电流）特性曲线的拟合系数；f＝f0×fs，即工作频率和开关频率的乘积。

由此可得并联二极管的功率损耗为式（6）：

式中Pdiode为并联二极管元件一个工作周期的损耗功率。

2.2.2 损耗分析算例

以某型号直流充电桩为例，计算其内部整流器部分的损耗分布。工作条件：直流电压Udc＝500 V；交流电压Us＝220 V；有功功率P＝14 kW；无功功率Q＝100 var；开关频率 fs＝10 kHz；结温 Tj＝25℃；死区时间 td＝（1.704×10－6）s；开关器件 IGBT选用的型号为FZ800R33KF2C，二极管选用的型号为1N5817。根据厂家提供的器件特性数据，对各特性曲线进行拟合，将得到的拟合系数代入损耗计算程序中，可得到各部分的损耗功率，1 s时间内的电能损耗计算结果如表1所示。

表1 电动汽车充电设备损耗理论分布Tab.1 Loss theoretical distribution of electric vehicle charging equipment

通过理论计算分析，充电机的损耗来源主要是并联电力二极管的通态损耗，也是直流充电桩功率损耗的主要来源，工业上应通过减小二极管的通态阻抗或选用低能耗的电力二极管，来提高充电桩的运行效率，降低电动汽车充电对电网质量的影响，使充电设施的大规模建设具有可行性。

3 充电桩能效计量仿真分析

电动汽车充电桩作为电力负荷接入电网，当增加到一定数量时，会对整个电网运行产生不可忽略的影响。因此，有必要研究充电桩接入电网后负荷端电压、电流的变化情况，以确定充电桩这类非线性负荷对电能质量的影响及计量电表的类型，增加电能计量准确性，同时根据仿真和实测的电能分析结果，对照模型损耗计算结果，研究计量方案的准确性及可行性。

3.1 充电桩仿真试验

直流充电桩的充电机为整流装置，其输入交流，输出直流，需具体研究输入输出特性以确定计量器具的性能要求及计量方案的准确性。本文中的仿真试验采用MATLAB软件，直流充电桩模型采用三相桥式可控整流电路，仿真电路如图4所示，电源电压为有效值220 V的正弦波，模拟电网输入，交流侧电阻为0.5Ω，电感为8 mH，直流侧电容为4 000μF。运行后分析整流电路电网侧电压电流波形，直流侧电压波形，以及电能（功率）计量。

图4 直流充电桩仿真模型Fig.4 Simulation model of DC charging pile

3.2 波形分析及能效计量结果

仿真试验中，充电桩所含整流器采用三相桥式全控整流，在能效计量方案对应的计量点处设置示波器测试波形，可得交流侧单相电压、电流仿真波形如图5所示，可以看出其功率因数达到1，即交流侧电压和电流可达到同相位，相位差为0。

图5 交流侧仿真电压、电流波形Fig.5 Simulated voltage，currentwaveform in AC side

充电桩负荷对电网电压波形影响不大，基本保持在正弦规律；在充电桩非线性负荷的影响下，交流侧电流发生畸变，会向系统输送谐波电流。对三相整流器的A相交流电压、电流波形进行FFT谐波分析可得各次电压幅值，电流幅值，相角和功率，实验结果如表2所示。

表2 三相桥式交流不带内阻整流电路试验中A相各次电压电流幅值，相角和功率Tab.2 A phase voltage and current amplitude，phase angle，power in three-phase full bridge rectifier circuit

由表2中试验结果分析可知，在三相桥式整流型充电桩仿真试验中，电源电压为正弦波时，交流侧电流发生畸变，向系统输送谐波电流，根据三角函数的正交性，三相桥式整流型充电桩负荷并不向系统输送谐波功率，电能表计量的是基波功率。由文献［10-11］可知，此时采用感应式电能表和电子式电能表对计量结果的误差影响相同，可以按实际情况选取。充电桩负荷侧仿真输出电压、电流稳定后波形如图6所示，可以看出，直流充电桩输出直流波形基本稳定，直流纹波在0.16%左右，对于直流侧的电能表计应考虑纹波影响。

图6 充电桩负荷侧输出波形Fig.6 Outputwaveform of charging pile in load side

通过对仿真试验中交流侧及直流侧的运行功率进行分析，计算1 s至2 s时间内充电桩输入电能及输出电能（W＝3 UIt），分析结果如表3所示，可以得到整流器部分的功率损耗为154 J，考虑到控制单元的损耗，占交流侧输入功率的1.099%，与按理论损耗分析得到的损耗比例基本一致，可以看出按上述方案对直流充电桩进行能效计量是具有可行性的。

表3 直流充电桩仿真电能损耗分析Tab.3 Simulated energy loss analysis of DC charging pile

现对型号为EVQC31-120A 500V-A1的直流充电桩按上述设计的能效计量方案进行测试，可得到测试波形。由于实际电路误差和现场试验条件等的影响，实际充电桩输入输出波形与仿真波形不能达到一致，但其原理相同，所达到的运行效果也是一致的。其中，交流侧电压、电流稳定波形如图7所示，负荷侧输出直流电压、电流稳定后波形如图8所示。

图7 充电桩交流侧电压、电流波形Fig.7 Voltage and currentwaveform of charging pile in AC side

图8 充电桩负荷侧电压电流波形Fig.8 Voltage and currentwaveform of charging pile in DC side

由图7可以看出，交流侧电压电流相位基本相同，功率因数为1，系统不会向电网输送谐波功率。图8中直流纹波较高，可以看出受运行条件影响，实际充电桩输出直流电压较仿真输出更不稳定，直流电压表计对纹波的抗干扰能力需要达到1%左右，电流表计则需达到5%左右。根据文献［12-13］讨论的直流纹波信号对两种直流电能计量方法（一种是分别使用直流电压表和直流电流表测量其有效值再相乘得出直流功率以计算直流电能值，另一种是对电压电流同步采样，使用瞬时功率积分计算直流电能值）的影响可知，当信号UdId（直流电压电流的乘积）纹波含量不超过1%时，电能值计量误差不超过0.02%，对于误差等级为1%的安装式直流电能表来说可忽略不计。因此当电压、电流乘积信号的纹波分量控制在1%时，安装式直流电能表对于直流充电桩是适用的。

根据充电桩测试结果对1 s至1.2 s时间内的输入、输出电能进行计算，结果如表4所示，其电能损耗占比为2.1%左右。考虑到实际情况下谐波影响和工作状态不同产生的额外损耗及电能表的计量误差产生的损耗差值，可以得出对直流充电桩依照能效计量方案进行实际测试所得的电能损耗结果与仿真及模型计算分析结果基本一致，该检测方法具有适用性。

表4 直流充电桩实测电能损耗分析Tab.4 Actualmeasured energy analysis of DC charging pile

4 结束语

文章根据相关因素设置合适的电能计量点，设计了一种可溯源的电动汽车直流充电桩能效计量方案，通过定量分析和实测结果可得如下结论：

（1）由直流充电桩的物理模型，结合其运行参数和设备参数，可通过理论分析得到三相桥式整流器部分的损耗率为1.2%左右，其中主要损耗为电力二极管的通态损耗；

（2）充电桩交流侧向电网输送谐波电流，对电压无影响，根据三角函数的正交性，可用基波电能表进行电能计量；负荷侧直流纹波在0.16%左右，电能计量需考虑纹波影响；

（3）依照计量方案对实际充电桩进行测试，根据实测波形和电能分析，考虑实际情况下谐波影响及电表误差，其能效计量结果与物理模型计算和仿真分析结果基本一致。