電動汽車充電應用測試解決方案

汽車行業(yè)正在通過新的高效和靈活的解決方案來滿足市場需求，從而推動電源管理技術和新電池的發(fā)展。測量系統(tǒng)發(fā)揮著重要作用，必須滿足越來越嚴格的技術要求。是德科技推出了SL1200A系列 Scienlab 可再生三相交流仿真器，適用于電動汽車 (EV) 和電動汽車供電設備 (EVSE) 充電應用以及電網邊緣應用。該系統(tǒng)由硬件、軟件、咨詢和支持服務組成。

在接受《電力電子新聞》采訪時，是德科技汽車和能源解決方案 (AES) 業(yè)務部門解決方案經理 Kevin M. Cavell 和是德科技 AES 解決方案營銷專家 Julian Tomczyk 強調了當今擁有測試系統(tǒng)的重要性證明了電動汽車動力系統(tǒng)的可靠性。是德科技專注于解決電動汽車 (EV)和 EV 供電設備 (EVSE) 以及電網邊緣電源轉換器充電接口方面的主要挑戰(zhàn)。Keysight SL1200A 系列 Scienlab 再生交流仿真器、SL1040A Scienlab 充電發(fā)現(xiàn)系統(tǒng) (CDS) – 便攜式系列和 SL1047A Scienlab CDS – 高功率系列專為滿足客戶的技術要求而設計。

與公司的 SL1040A 和 SL1047A Scienlab 充電探索系統(tǒng)一起，SL1200A 提供了一個完整的解決方案，使客戶能夠自信地創(chuàng)建現(xiàn)實世界的充電場景，并提供滿足全球標準的能力。

電動汽車的出現(xiàn)預計將創(chuàng)造對電網充電的巨大需求，同時通過車輛到電網 (V2G) 電力應用擴大儲能的機會。分布式和可再生能源解決方案的出現(xiàn)將有助于這個過渡階段，導致電網復雜性增加，EV/EVSE 和電網邊緣充電應用程序中存在眾多測試挑戰(zhàn)。

電動汽車

電動汽車 (EV) 革命正在加速邁向更可持續(xù)未來的趨勢。EV 設計的關鍵性能是電池和推進系統(tǒng)。設計參數(shù)涉及車輛動力總成系統(tǒng)的功率電平、轉換效率、工作溫度、熱能耗散能力和系統(tǒng)封裝。

對于電動汽車，系統(tǒng)必須適用于高壓測量（高達 1000 V 或更高），以確保安全可靠的運行。最具挑戰(zhàn)性的應用是在真實駕駛條件下測試車輛。惡劣的環(huán)境、-30°C 至 +60°C 的溫度以及各種類型的地形都需要合適的測量儀器。

“在組件級別，寬帶隙 (WBG) 半導體用于 EV 內部的不同功率轉換器以及 EVSE（和并網逆變器）。這里需要雙脈沖測試設備。WBG 建模和電路仿真也是一種可以使用的寶貴工具，”是德科技表示。

是德科技強調了對于電池，這個過程從電池開始?！靶枰罅恐圃靵頌殡妱悠囂峁┐罅侩姵亍Ｐ枰@種制造設備來使電池經過初始充電/放電（稱為成型），然后根據(jù)質量對電池進行分級。雖然大多數(shù)分級可以在幾分鐘內完成，但在電池老化過程中測量自放電是一項耗時的測試，需要很多天，在老化過程中會產生大量的在制品庫存。為了幫助降低庫存成本，是德科技提供了一種獨特的儀器，可以將自放電測量從幾天縮短到幾小時，從而減少老化并加快電池分級?！?/p>

一旦電池形成、老化和分級，它們就可以組合在一起形成電池。根據(jù)所需的電壓和功率，這可能是數(shù)千個電池。“電池管理系統(tǒng) (BMS) 用于監(jiān)控電池中每個電池的健康狀況。在此階段還需要測試和測量設備來測試 BMS 和整個電池組，”是德科技評論道。

發(fā)言人補充說：“VFD 逆變器將來自電池的直流能量轉換為變頻交流電以驅動電機。需要能夠提供 100 kW 功率的大型電源來模擬直流側，并且需要機器模擬器來模擬圍繞 DUT 的電機。這些儀器可以讓 VFD 通過許多測試用例，以及測量輸入和輸出功率以計算電源轉換效率。通過在設計中使用 WBG 半導體，可以實現(xiàn) >95% 的效率，從而大大減少熱量損失并擴大范圍。”

寬帶隙半導體

電源轉換器是實現(xiàn)運輸、可再生能源和工業(yè)市場電氣化的關鍵組件。為了促進電源轉換器設計的必要進步，正在使用基于碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 的新型寬帶隙 (WBG) 半導體技術。

寬帶隙半導體的帶隙比硅或砷化鎵 (GaAs) 等常見半導體寬得多。這自然會轉化為更大的擊穿電場，并轉化為在高溫下工作和降低輻射敏感性而不損失電氣特性的可能性。

隨著溫度的升高，價帶中電子的熱能也會增加，直到它們達到必要的能量（在一定溫度下）才能跳到導帶。在硅的情況下，該溫度約為 150°C；然而，在 WBG 半導體的情況下，這些值要高得多。

“WBG 半導體在速度（比舊設計快 10 到 100 倍）、更高的電壓和熱操作方面實現(xiàn)了重大飛躍，從而提高了效率、減小了尺寸和成本。然而，由于在表征 WBG 半導體時面臨許多新挑戰(zhàn)，由此產生的高性能電源轉換器難以設計，”是德科技表示。

這些困難推遲了半導體制造商和工程師設計新轉換器的創(chuàng)新。是德科技強調，本土測試系統(tǒng)一直是表征 WBG 半導體的主要來源。構建這些系統(tǒng)是必要的，因為迄今為止，還沒有現(xiàn)成的商用測試系統(tǒng)。“不幸的是，使用一次性的、“本土”的測試儀很難產生可重復且可靠的測量結果。在將測量結果與半導體數(shù)據(jù)表相關聯(lián)時，不可靠的結果會給電源轉換器設計人員帶來額外的障礙。為了對 WBG 半導體進行一致、可靠的表征，我們創(chuàng)建了 PD1500A 動態(tài)功率器件分析儀平臺。最初采用雙脈沖測試 (DPT) 技術，

圖 1：碳化硅器件橫截面

電動汽車和智能電網的挑戰(zhàn)

動力總成電氣化不僅需要燃燒過程分析，還改變了測試要求。電動汽車和混合動力汽車可能有多個電機、逆變器和電池組。對于完整的能源和效率分析，必須考慮所有能源和負載。

電動汽車制造商 (OEM) 及其供應商（一級等）面臨的挑戰(zhàn)取決于重點領域，無論是動力總成、自動駕駛還是車載網絡。設計人員正在研究電動汽車面臨的用于 T&M（測試與測量）的關鍵動力系統(tǒng)設備?！皩Ｗ⒂陔姵睾碗姵販y試的工程師將解決電池問題，因為它是驅動動力系統(tǒng)所需的燃料。專注于電源轉換的工程師將解決電源轉換器/變頻驅動器 (VFD)。每個對于 EV 的正確、高效、遠程操作都至關重要，每個都提出了自己獨特的測試挑戰(zhàn)，”是德科技說。

隨著電動汽車在世界范圍內的采用不斷增長，全球不同的充電標準也在不斷發(fā)展?！安恍业氖牵瑳]有統(tǒng)一的全球標準，”是德科技說。發(fā)言人強調，目前有美國和歐洲充電標準CCS、中國GB/T、日本CHAdeMO以及即將推出的亞洲新標準超極等多個標準。

是德科技表示，這些標準涵蓋了 EVSE 和 EV 之間的正確通信、物理插頭設計、功率流和測試場景等方面?！懊總€地區(qū)都有許多取決于充電類型（交流、直流、大功率直流）的一致性標準。作為 EV 或 EVSE 制造商，目標可能是在全球范圍內銷售產品。為此，需要在公司打算開展業(yè)務的每個地區(qū)測試標準。手動完成這項任務可能需要數(shù)周甚至數(shù)月的時間，從而拖慢上市時間。需要一個測試系統(tǒng)，它可以在軟件中自動執(zhí)行所有不同的測試用例，并且可以輕松提供可互換的硬件，例如插頭，以適應每個區(qū)域標準的許多測試用例。該系統(tǒng)必須滿足所有充電標準，包括通信和功率流。它必須涵蓋交流、直流、

圖 2：SL1200A 系列 Scienlab 再生三相交流仿真器

電動汽車的增長也導致電網基礎設施發(fā)生變化。可再生能源和分布式能源 (DER) 支持全球電網的現(xiàn)代化。“在汽車行業(yè)，車輛的電氣化預計將對電網產生巨大的充電需求，同時也通過車輛到電網 (V2G) 電力應用擴大儲能的機會。隨著能源組合的加劇，管理我們生產、分配和消費電力的方式所面臨的挑戰(zhàn)也越來越大，”是德科技表示。

具有電網支持的“智能”逆變器解決方案已成為克服此類挑戰(zhàn)的關鍵推動因素。因此，是德科技指出逆變器制造商必須遵守一組特定的電網合規(guī)性/互連標準，這些標準需要進行廣泛的測試。

需要進行電網仿真設備測試。“DER 也正在轉向更高的輸出電壓以減少損耗和成本，從 600 到 800 VAC，未來可能達到 1000 VAC（IEC-LV 指令允許高達 1000 VAC）。更高電壓的目標與提供電網支持功能（例如高壓穿越 (HVRT)）的要求相結合，產生了對高于 1000 VAC 限制的測試需求。為了獲得測試新逆變器/控制設計所需的高電壓，逆變器工程師通常必須串聯(lián)多個電源或使用外部變壓器。這會導致成本高昂、測試設置復雜且無法輕松擴展，以及性能降低、空間浪費和其他額外缺點，”是德科技表示。

Keysight SL1200A 系列無需變壓器即可處理高達 1,200 個交流 (VAC) 電壓（從 30 kVA 到 630 kVA）的三相交流測試。有兩個電壓范圍可用。600 VAC 是低壓逆變器測試以及 EV 和 EVSE 充電測試應用的理想選擇。1,200 VAC 允許進行高壓測試，而無需大型復雜的測試設置。

所涉及的測試和測量的主要部分集中在該地區(qū)的標準上，是德科技評論了這一點?！翱刂剖堑驴萍汲潆姕y試解決方案的軟件，如 SL1040A Scienlab CDS – 便攜式系列或 SL1047A Scienlab CDS – 高功率系列，可以配置區(qū)域標準中列出的不同測試案例，硬件可以輕松互換以適應使用的不同物理插頭。設置完成后，用戶必須在軟件中選擇合適的測試標準并單擊開始。從那時起，一切都是自動化的。由標準組織來指定必要的測試和測試配置。現(xiàn)在，電力從電網流向電動汽車。電動汽車僅從電網接收電力，只會增加能源需求。然而，在未來，車輛到電網 (V2G) 等新技術將使電動汽車充當電池儲能系統(tǒng) (BESS)，充電站 (EVSE) 將成為雙向的。V2G 的實施將增加更多的復雜性，并且將需要測試網格代碼和互操作性標準?！?/p>

車輛和整個電氣基礎設施的電氣化改變了對測量系統(tǒng)的要求。在硬件方面，儀器必須適應高壓信號的存在，并且必須承受惡劣的環(huán)境條件。在軟件方面，不同類型數(shù)據(jù)的同步采集，電氣和機械，以及一系列標準對最終確定和優(yōu)化測量提出了一系列要求。

審核編輯 黃昊宇