电动汽车充电应用测试解决方案

汽车行业正在通过新的高效和灵活的解决方案来满足市场需求，从而推动电源管理技术和新电池的发展。测量系统发挥着重要作用，必须满足越来越严格的技术要求。是德科技推出了SL1200A系列 Scienlab 可再生三相交流仿真器，适用于电动汽车 (EV) 和电动汽车供电设备 (EVSE) 充电应用以及电网边缘应用。该系统由硬件、软件、咨询和支持服务组成。

在接受《电力电子新闻》采访时，是德科技汽车和能源解决方案 (AES) 业务部门解决方案经理 Kevin M. Cavell 和是德科技 AES 解决方案营销专家 Julian Tomczyk 强调了当今拥有测试系统的重要性证明了电动汽车动力系统的可靠性。是德科技专注于解决电动汽车 (EV)和 EV 供电设备 (EVSE) 以及电网边缘电源转换器充电接口方面的主要挑战。Keysight SL1200A 系列 Scienlab 再生交流仿真器、SL1040A Scienlab 充电发现系统 (CDS) – 便携式系列和 SL1047A Scienlab CDS – 高功率系列专为满足客户的技术要求而设计。

与公司的 SL1040A 和 SL1047A Scienlab 充电探索系统一起，SL1200A 提供了一个完整的解决方案，使客户能够自信地创建现实世界的充电场景，并提供满足全球标准的能力。

电动汽车的出现预计将创造对电网充电的巨大需求，同时通过车辆到电网 (V2G) 电力应用扩大储能的机会。分布式和可再生能源解决方案的出现将有助于这个过渡阶段，导致电网复杂性增加，EV/EVSE 和电网边缘充电应用程序中存在众多测试挑战。

电动汽车

电动汽车 (EV) 革命正在加速迈向更可持续未来的趋势。EV 设计的关键性能是电池和推进系统。设计参数涉及车辆动力总成系统的功率电平、转换效率、工作温度、热能耗散能力和系统封装。

对于电动汽车，系统必须适用于高压测量（高达 1000 V 或更高），以确保安全可靠的运行。最具挑战性的应用是在真实驾驶条件下测试车辆。恶劣的环境、-30°C 至 +60°C 的温度以及各种类型的地形都需要合适的测量仪器。

“在组件级别，宽带隙 (WBG) 半导体用于 EV 内部的不同功率转换器以及 EVSE（和并网逆变器）。这里需要双脉冲测试设备。WBG 建模和电路仿真也是一种可以使用的宝贵工具，”是德科技表示。

是德科技强调了对于电池，这个过程从电池开始。“需要大量制造来为电动汽车提供大量电池。需要这种制造设备来使电池经过初始充电/放电（称为成型），然后根据质量对电池进行分级。虽然大多数分级可以在几分钟内完成，但在电池老化过程中测量自放电是一项耗时的测试，需要很多天，在老化过程中会产生大量的在制品库存。为了帮助降低库存成本，是德科技提供了一种独特的仪器，可以将自放电测量从几天缩短到几小时，从而减少老化并加快电池分级。”

一旦电池形成、老化和分级，它们就可以组合在一起形成电池。根据所需的电压和功率，这可能是数千个电池。“电池管理系统 (BMS) 用于监控电池中每个电池的健康状况。在此阶段还需要测试和测量设备来测试 BMS 和整个电池组，”是德科技评论道。

发言人补充说：“VFD 逆变器将来自电池的直流能量转换为变频交流电以驱动电机。需要能够提供 100 kW 功率的大型电源来模拟直流侧，并且需要机器模拟器来模拟围绕 DUT 的电机。这些仪器可以让 VFD 通过许多测试用例，以及测量输入和输出功率以计算电源转换效率。通过在设计中使用 WBG 半导体，可以实现 >95% 的效率，从而大大减少热量损失并扩大范围。”

宽带隙半导体

电源转换器是实现运输、可再生能源和工业市场电气化的关键组件。为了促进电源转换器设计的必要进步，正在使用基于碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 的新型宽带隙 (WBG) 半导体技术。

宽带隙半导体的带隙比硅或砷化镓 (GaAs) 等常见半导体宽得多。这自然会转化为更大的击穿电场，并转化为在高温下工作和降低辐射敏感性而不损失电气特性的可能性。

随着温度的升高，价带中电子的热能也会增加，直到它们达到必要的能量（在一定温度下）才能跳到导带。在硅的情况下，该温度约为 150°C；然而，在 WBG 半导体的情况下，这些值要高得多。

“WBG 半导体在速度（比旧设计快 10 到 100 倍）、更高的电压和热操作方面实现了重大飞跃，从而提高了效率、减小了尺寸和成本。然而，由于在表征 WBG 半导体时面临许多新挑战，由此产生的高性能电源转换器难以设计，”是德科技表示。

这些困难推迟了半导体制造商和工程师设计新转换器的创新。是德科技强调，本土测试系统一直是表征 WBG 半导体的主要来源。构建这些系统是必要的，因为迄今为止，还没有现成的商用测试系统。“不幸的是，使用一次性的、“本土”的测试仪很难产生可重复且可靠的测量结果。在将测量结果与半导体数据表相关联时，不可靠的结果会给电源转换器设计人员带来额外的障碍。为了对 WBG 半导体进行一致、可靠的表征，我们创建了 PD1500A 动态功率器件分析仪平台。最初采用双脉冲测试 (DPT) 技术，

图 1：碳化硅器件横截面

电动汽车和智能电网的挑战

动力总成电气化不仅需要燃烧过程分析，还改变了测试要求。电动汽车和混合动力汽车可能有多个电机、逆变器和电池组。对于完整的能源和效率分析，必须考虑所有能源和负载。

电动汽车制造商 (OEM) 及其供应商（一级等）面临的挑战取决于重点领域，无论是动力总成、自动驾驶还是车载网络。设计人员正在研究电动汽车面临的用于 T&M（测试与测量）的关键动力系统设备。“专注于电池和电池测试的工程师将解决电池问题，因为它是驱动动力系统所需的燃料。专注于电源转换的工程师将解决电源转换器/变频驱动器 (VFD)。每个对于 EV 的正确、高效、远程操作都至关重要，每个都提出了自己独特的测试挑战，”是德科技说。

随着电动汽车在世界范围内的采用不断增长，全球不同的充电标准也在不断发展。“不幸的是，没有统一的全球标准，”是德科技说。发言人强调，目前有美国和欧洲充电标准CCS、中国GB/T、日本CHAdeMO以及即将推出的亚洲新标准超极等多个标准。

是德科技表示，这些标准涵盖了 EVSE 和 EV 之间的正确通信、物理插头设计、功率流和测试场景等方面。“每个地区都有许多取决于充电类型（交流、直流、大功率直流）的一致性标准。作为 EV 或 EVSE 制造商，目标可能是在全球范围内销售产品。为此，需要在公司打算开展业务的每个地区测试标准。手动完成这项任务可能需要数周甚至数月的时间，从而拖慢上市时间。需要一个测试系统，它可以在软件中自动执行所有不同的测试用例，并且可以轻松提供可互换的硬件，例如插头，以适应每个区域标准的许多测试用例。该系统必须满足所有充电标准，包括通信和功率流。它必须涵盖交流、直流、

图 2：SL1200A 系列 Scienlab 再生三相交流仿真器

电动汽车的增长也导致电网基础设施发生变化。可再生能源和分布式能源 (DER) 支持全球电网的现代化。“在汽车行业，车辆的电气化预计将对电网产生巨大的充电需求，同时也通过车辆到电网 (V2G) 电力应用扩大储能的机会。随着能源组合的加剧，管理我们生产、分配和消费电力的方式所面临的挑战也越来越大，”是德科技表示。

具有电网支持的“智能”逆变器解决方案已成为克服此类挑战的关键推动因素。因此，是德科技指出逆变器制造商必须遵守一组特定的电网合规性/互连标准，这些标准需要进行广泛的测试。

需要进行电网仿真设备测试。“DER 也正在转向更高的输出电压以减少损耗和成本，从 600 到 800 VAC，未来可能达到 1000 VAC（IEC-LV 指令允许高达 1000 VAC）。更高电压的目标与提供电网支持功能（例如高压穿越 (HVRT)）的要求相结合，产生了对高于 1000 VAC 限制的测试需求。为了获得测试新逆变器/控制设计所需的高电压，逆变器工程师通常必须串联多个电源或使用外部变压器。这会导致成本高昂、测试设置复杂且无法轻松扩展，以及性能降低、空间浪费和其他额外缺点，”是德科技表示。

Keysight SL1200A 系列无需变压器即可处理高达 1,200 个交流 (VAC) 电压（从 30 kVA 到 630 kVA）的三相交流测试。有两个电压范围可用。600 VAC 是低压逆变器测试以及 EV 和 EVSE 充电测试应用的理想选择。1,200 VAC 允许进行高压测试，而无需大型复杂的测试设置。

所涉及的测试和测量的主要部分集中在该地区的标准上，是德科技评论了这一点。“控制是德科技充电测试解决方案的软件，如 SL1040A Scienlab CDS – 便携式系列或 SL1047A Scienlab CDS – 高功率系列，可以配置区域标准中列出的不同测试案例，硬件可以轻松互换以适应使用的不同物理插头。设置完成后，用户必须在软件中选择合适的测试标准并单击开始。从那时起，一切都是自动化的。由标准组织来指定必要的测试和测试配置。现在，电力从电网流向电动汽车。电动汽车仅从电网接收电力，只会增加能源需求。然而，在未来，车辆到电网 (V2G) 等新技术将使电动汽车充当电池储能系统 (BESS)，充电站 (EVSE) 将成为双向的。V2G 的实施将增加更多的复杂性，并且将需要测试网格代码和互操作性标准。”

车辆和整个电气基础设施的电气化改变了对测量系统的要求。在硬件方面，仪器必须适应高压信号的存在，并且必须承受恶劣的环境条件。在软件方面，不同类型数据的同步采集，电气和机械，以及一系列标准对最终确定和优化测量提出了一系列要求。

审核编辑 黄昊宇