分析EV充電應用測試方案

作者 : Maurizio di Paolo Emilio,Power Electronics News & EEWeb主編

分散式和可再生能源解決方案的出現可以幫助產業過渡,但也將導致電網複雜性增加,為EV/EVSE和電網邊緣充電應用帶來眾多的測試挑戰。

汽車產業在電源管理技術和新電池方面不斷進步,高效靈活的新型解決方案不斷湧現以滿足市場需求。其中發揮重要作用的測量系統也需要滿足越來越嚴格的技術要求。是德科技(Keysight Technologies)研發的Scienlab再生三相交流模擬器SL1200A系列提供了針對電動車(EV)和電動車供電設備(EVSE)充電應用和電網邊緣應用的測試解決方案,該測試方案涵蓋硬體、軟體、諮詢和支援服務。

是德科技汽車和能源解決方案(AES)業務部門的方案經理Kevin M. Cavell和AES方案行銷專家Julian Tomczyk強調,車輛充電應用現在很有必要配置一個測試系統,它能夠驗證EV動力傳動的可靠性。是德科技一直專注於解決EV、EVSE,以及電網邊緣電源變換器的充電介面技術挑戰,該公司的測試方案都是專門為滿足客戶技術要求而設計的產品,包括SL1200A系列Scienlab再生交流模擬器、可攜式系列SL1040A Scienlab Charging Discovery系統(CDS),以及大功率系列SL1047A Scienlab CDS。

結合SL1040A和SL1047A Scienlab Charging Discovery系統,SL1200A提供了一套完整的解決方案,讓用戶可以放心創建實際的充電方案,並滿足全球標準。

EV的出現無疑將對電網產生巨大的充電需求,而透過車輛到電網(V2G)電力應用又擴展了新的儲能商機。分散式和可再生能源解決方案的出現可以幫助產業過渡,但也將導致電網複雜性增加,為EV/電動車供電設備(EVSE)和電網邊緣充電應用帶來眾多的測試挑戰。

EV

EV革命正在加速奔向更加可持續發展的未來。EV設計中的關鍵性能涉及電池和推進系統。其設計參數包含功率水準、轉換效率、動力傳動系統中的工作溫度、散熱能力和系統封裝。

對EV來說,測試系統必須適應高電壓測量(高達1,000V或更高)才能確保安全可靠的運作。最具挑戰的是在實際駕駛條件下對車輛進行測試,惡劣的環境、從-30~+60℃的環境溫度,以及各種地形都對測量儀器提出嚴格要求。

在元件等級,寬能隙(WBG)半導體元件開始用在EV內部不同的功率轉換器,以及EVSE和併網逆變器中,這就需要雙脈衝測試(DPT)設備進行測試,寬能隙建模和電路模擬等工具也有一定的使用價值。

對電池來說,測試過程要從電池單元開始。EV需要大量的電池單元,電池生產設備需要使電池經過最初的充電/放電(稱為「構成,formation」),然後根據品質對電池進行分級。大多數分級工作都可以在幾分鐘內完成,但測量電池老化過程的自放電卻是一項耗時數天的冗長測試,在老化過程中會產生大量的在製品庫存。為降低庫存成本,是德科技提供了一種特殊的儀器,它可以將自放電測量時間從幾天減少到幾小時,從而減少老化測試時間並加快電池分級。

一旦完成電池單元的形成、老化和分級,就可以將它們組合在一起成為電池組。根據所需的電壓和功率,一個電池組可能由數千個電池單元組成。電池管理系統(BMS)要及時到位,以監測電池組中每個電池單元的健康情況。這個階段同樣需要測試和測量設備,以測試BMS和整個電池組。

變頻器(VFD)逆變器將電池的DC能量轉換為變頻AC以驅動馬達。對DC端的模擬需要能夠提供100kW功率的大型電源,還需要一個機器模擬器圍繞待測試元件(DUT)以便對馬達進行模擬。測試儀器可以使VFD透過許多測試案例,而且可以測量輸入和輸出功率以計算功率轉換效率。

寬能隙半導體

電源轉換器是實現交通運輸、可再生能源和工業市場電氣化的關鍵元件。為了進一步改善電源轉換器設計,基於碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)的新型寬能隙半導體技術應運而生。

相比普通的矽或砷化鎵(GaAs)半導體,寬能隙半導體的能隙要寬很多,這自然會轉化為更大的擊穿電場,從而可以在高溫下運作、降低輻射敏感性,同時又不損失電氣特性。

隨著溫度的升高,價帶中電子的熱能也會增加,直到它們在一定溫度下獲得足夠的能量,躍遷到導帶為止。對於矽,這個溫度約為150℃;但對寬能隙半導體來說,溫度會高很多。

寬能隙半導體在開關速度(比傳統設計快10~100倍)、電壓和熱操作上都有重大飛躍,因此提高了效率、縮小了尺寸並降低了成本。但事實證明,由於在表現寬能隙半導體的特性時面臨許多新的挑戰,高性能電源轉換器的設計難度很大。

這些挑戰阻礙了半導體製造商和工程師在設計新轉換器方面的創新。業者自產的測試系統已成為顯示寬能隙半導體特性的主要來源,建立自己的測試系統是必要的,因為迄今為止,可商購的測試系統還未出現。但是,使用一次性「自產」測試儀很難生成可重複且可靠的測量結果。將這些測量結果與元件的資料手冊相關聯時,不可靠的結果為電源轉換器設計人員帶來更多障礙。

為了一致、可靠地表現寬能隙半導體特性,是德科技創建了PD1500A動態電源設備分析平台。該平台最初採用的DPT技術由新能源和EV產業的半導體製造商和設計公司緊密合作開發而成。

 

圖1:SiC元件的截面圖。

 

EV和智慧電網面臨的挑戰

動力傳動電氣化要求對內燃過程進行分析。EV和混合動力車有多個馬達、逆變器和電池組。為進行完整的能源和效率分析,所有能源和負荷都必須考慮在內。

EV製造商(OEM)及其供應商(Tier 1供應商等)面臨的挑戰取決於他們所關注的領域,無論是動力傳動、自動駕駛還是車載網路。專注於電池和電池組測試的工程師可以解決電池問題,因為電池是驅動動力傳動所需的燃料;而專注於電源轉換的工程師可以解 決電源轉換器/VFD問題。每個領 域都對EV的正常、高效、長距離運作至關重要,並且都面臨自己獨有的測試挑戰。

隨著EV在全球不斷普及,不同的充電標準也在各地不斷發展。例如美國和歐洲採用CCS充電標準、中國採用GB/T、日本採用CHAdeMO,還有即將推出的新亞洲標準ChaoJi。

這些標準涵蓋了很多方面,如EVSE與EV之間的正常通訊、物理插頭的設計、功率流和測試場景等。每個國家或地區都有許多一致性標準,這取決於充電類型(AC、DC、大功率DC)。但EV或EVSE製造商在所有想要展開業務的地區,都需要根據該區域的標準進行測試。手動完成這項任務可能需要數周甚至數月的時間,因此,業界需要一種測試系統,它可以自動化軟體中所有不同的測試案例,並輕鬆提供可互換的硬體(例如插頭),以支援每個區域標準中的眾多測試案例。該系統必須滿足所有充電標準,包括通訊和功率流,系統架構要模組化且具備靈活性,並涵蓋AC、DC、EV和EVSE,而且要易於攜帶,同時支援在實驗室或現場使用。

 

圖2:SL1200A系列Scienlab再生三相交流模擬器。

 

EV的成長同樣也導致了電網基礎設施發生變化。可再生能源和分散式能源(DER)為全球電網的現代化提供了支援,在汽車產業,車輛電氣化預計對電網產生大量的充電需求,同時還將透過V2G電力應用擴展儲能商機。隨著不同能源混合的加劇,管理電力生產、分配和消費的方式也面臨諸多挑戰。

電網支援的「智慧」逆變器解決方案已經成為克服此類挑戰的關鍵推動力。逆變器製造商必須遵從一組特定的電網合規性/互連標準,這需要進行大量測試。

電網模擬設備的測試是必要的。為了降低損耗和成本,分散式能源也正朝著更高的輸出電壓方向發展。輸出電壓從600VAC變為800VAC,甚至將來可能高達1,000VAC (IEC-LV指令允許的輸出電壓高達1,000VAC)。更高的電壓目標與提供電網支援功能(例如高電壓穿越,HVRT)的要求結合,導致需要測試的電壓甚至高過1,000VAC。要獲得測試新逆變器/控制設計所需的高電壓,逆變器工程師通常需要串聯多個電源或使用外部變壓器。這將導致高昂的成本和需要複雜的測試設置,而且無法輕鬆擴展。

是德科技的SL1200A系列可滿足高達1,200VAC的三相交流測試要求,功率範圍從30kVA~630kVA,而且無需變壓器。它提供兩個電壓範圍,600VAC非常適合低電壓逆變器測試,以及EV和EVSE充電測試應用;1,200VAC則用於高電壓測試,無需大型複雜的測試裝置。

該系列所涉及的測試與測量主要集中在地區標準上。是德科技充電測試解決方案的控制軟體,例如便攜系列的SL1040A Scienlab CDS或大功率系列的SL1047A Scienlab CDS,可以配置區域標準大綱中規定的不同測試案例,並且硬體可以輕鬆互換以適應所採用的不同物理插頭。設置完成後,使用者需要在軟體中選擇適當的測試標準,再按一下「開始」,然後,一切都會自動完成。必要的測試和測試配置由標準組織指定,現在,功率流從電網流向EV,EV僅從電網接收電力,這只會增加能源需求。但是將來,諸如V2G等新技術將使EV可以充當電池儲能系統(BESS),且充電站(即EVSE)將變為雙向的。V2G的佈建將增加更多的複雜性,並且需要測試電網和互通性標準。

車輛電氣化和整個電氣基礎設施改變了對測量系統的要求。在硬體方面,儀器必須適應高電壓訊號的存在,並且必須承受惡劣的環境條件。在軟體方面,同步採集各種類型的資料,電氣和機械資料,以及一系列標準,對最終確定和最佳化測量也提出了一系列要求。

(參考原文:Test Solutions for Electric Vehicle Charging Applications,by Maurizio Di Paolo Emilio)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2021年6月刊

 

 

 

 

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