電動車充電設備高精度功率測量

1 . 介紹

為了促進永續發展目標的實施和保護環境，汽車（EV）的電氣化正在加速，並且為電動車基礎設施安裝的快速充電器的數量正在快速增長。電動車充電器主要有兩種：普通充電和快速充電。

正常充電使用單相 100 至 240 Vac 家用電源為電池充電。 電動車內部的交流電/直流轉換器（車載充電器）將交流電轉換為直流電，為電動車電池充電。 一般來說，正常充電需要較長的充電時間，需要幾個小時或更長時間才能將電池充滿。另一方面，透過連接到電網的充電站（非車載充電器）進行快速充電可以在短時間內以高電流輸出為電動車電池充電。

隨著電動車電池的容量越來越大，以普通充電方式充電需要更長的時間。因此，安裝可在短時間內充滿電池的快速充電器的需求不斷增長，並且安裝的充電站數量正在迅速增加。此外，正在開發高電壓、大電流產品，以縮短充電時間。

2. 挑戰

普通充電器為單相100 - 240VAC 類型，最大電流和功率相對較小。 另一方面，最近開發了500   -1000 Vdc和100 - 數百Adc級的快速充電器，並且需要精確測量高電壓和大電流以評估其能力。

充電容量（Wh、Ah）也需要精確測量。這可能是因為電動車電池的供電量與電費有關。
為了高效供電，快速充電器配備了功率因數校正（PFC）電路。可以透過更好的功率因數更有效地向電動車供電。 由於充電器內部有轉換電路，因此盡量減少與轉換相關的損耗也很重要。此外，當來自電網的高電流被吸入快速充電器時，必須抑制電流諧波分量。這需要檢查每個諧波電流階次的失真因數和總諧波失真 (THD)。
隨著電動車充電器的廣泛使用，對電動車充電器的需求不斷增加，高精度功率和電流測量對於電動車充電器的開發至關重要。

3. WT5000解決方案

4. WT5000的提案

4.1 高精度功率測量，基本功率精度為±0.03%

WT5000 提供 ±0.03% (50/60 Hz) 的一流基本功率精度 。它可以更準確地測量電動車充電器的轉換效率。
WT5000 採用模組化架構，最多可安裝 7 個電源輸入元件。橫河馬達多年來累積的設計技術使得極高精度的測量電路能夠安裝在緊湊的輸入元件內。 使用者可以從三種類型的輸入元件（30 A、5 A 和電流感測器元件）中進行選擇以適合其應用，並且可以自行安裝、拆卸或更換輸入元件。

圖 1. WT5000 精密功率分析儀

圖 2. WT5000 和 CT1000A 交流/直流電流感測器

4.2 測量高達 1500 Vdc 和高達 2000  Arms

電動車快速充電器的輸出功率逐年增加，以便在更短的時間內為電池充電。 如今，已有數百千瓦等級的快速充電器，且更高電壓、更大電流的充電器也不斷增加。 單一 WT5000 可以使用 AC/DC 電流感測器
測量高達 1500 Vdc 的電壓，並測量高達 2000 Arms (3000 Apeak) 的電流。 此外，WT5000最多可安裝7個電源輸入元件，可同時測量7個單相繫統或多個單相/三相電力系統，精確測量直流電壓、交流電壓、功率因數、THD和輸入/輸出效率。

圖 3. AC/DC 電流感測器 CT1000A（左）和 CT2000A（右）

4.3 功率因數及其他電力參數的測量

電動車快速充電器將 電網中的50 Hz/60 Hz 交流電轉換為直流電，並將其輸送給電動車的電池。 由於交流電源的功率值根據電壓、電流和相位差而變化，因此為了增加供電量，最小化相位差並抑制諧波以使功率因數接近1非常重要。
WT5000 測量透過 PFC 電路的功率並計算功率因數。可同時測量並顯示功率因數以外的電壓、電流、有功功率、視在功率、無功功率等參數，方便使用者同時查看各參數的變化。

圖4.電壓、電流、功率因數、THD等顯示

4.4 AC/DC和DC/AC轉換效率的測量

普通的電動車充電器內部有多個轉換電路。由於車載充電器通常連接到商用電源，因此抑制諧波非常重要。因此，它們配備了PFC電路。車載充電器還包含一個內部 DC/DC 轉換器來控制直流電壓電平。

在非車載快速充電器的情況下，直流電透過包括AC/DC轉換和DC/AC轉換在內的多個轉換電路提供給電池。 設計這些電路以最大限度地減少功率損耗非常重要。WT5000具有多通道輸入能力，可高精度測量每個電路的效率。

圖 5. 車用充電器概述

圖 6. 非車用充電器概述

4.5　各次諧波資料及THD測量

WT5000可以測量各次諧波，最高可達500次。還可以測量 THD，使用戶可以輕鬆查看其是否低於標準或其他法規規定的限值。失真因數的階次上限（13階、40階、100階等）可自由設定，可依多種標準進行測試。

圖 7. 各次諧波與 THD 的測量

4.6 積分功率和積分電流的測量

W5000具有積分功能，可以長時間測量功耗（Wh）和電流消耗（Ah）。 積分功能對有功功率（瓦時）、電流（安時）、視在功率（伏安時）和無功功率（無功時）值進行積分。 此功能包括 2 種模式：一種用於測量電池等的充電和放電，另一種用於測量出售/購買的交流電源。

圖 8. 整合功率和電流測量螢幕

【積分功能詳情】

充放電模式（Charge/Discharge）

按極性測量直流瓦時（對於每個採樣資料項）。

售/買模式（Sold/Bought）

按極性測量交流瓦時（對於每個採樣資料項）。

與積分功能相關的測量項目

4.7 透過連續測量功率值和波形資料來檢查異常狀況

當需要長時間連續測量電壓、電流、功率數據時，可以使用IS8000綜合軟體平台（PC應用軟體）即時查看並保存功率參數的趨勢。此外，WT5000的/DS （資料流）選項允許同時監控和記錄數值功率資料和波形資料。 例如，透過放大功率測量中存在異常的區域，可以觀察該點的波形資料。只需一台 WT5000 即可檢查情況。

圖 9. IS8000 上顯示的電壓、電流和功率趨勢

圖 10. 放大功率下降區域以檢查異常波形

4.8 可用於充電器開發的其他測量儀器

DL950：異常訊號發生時的長時間資料記錄和高速測量DL950 示波器是一款多通道隔離波形測量儀器，具有雙捕獲功能，可以捕捉不同取樣率的波形。可以以高取樣率捕捉突發瞬態事件的波形，同時以低取樣率擷取資料以擷取長期趨勢。此外，IS8000還可以透過IEEE1588同步並顯示WT5000所擷取的波形資料和數值功率數據，因此可以在功率波動期間觀察到更詳細的波形。
 

圖 11. 使用 DL950 的雙捕獲進行測量

DLM3000/DLM5000：PFC 電路波形觀察
DLM3000 混合訊號示波器或 8 通道 DLM5000 具有優異的波形觀察性能和可操作性，可用於檢查 PFC 電路的運作。