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电动车电子设备测试的重要性

电动汽车供电设备 (EVSE),通常被称为充电站,是摆脱内燃机的重要部件。充电站的可用性(即正常运行时间和可靠性)以及充电速度,是决定电动汽车采用率的主要因素。

EVSE 还必须符合 IEC 61851 和 SAE J1772 等关键标准。

在设备、模块和系统层面,工程师正努力提高充电电压来缩短充电时间,同时改善可靠性并保持安全性。智能、灵活的测试解决方案使设计人员能够快速排除故障并验证其设计。

解决方案包括一个带有复杂功率分析软件的高性能示波器,一个用于测量 EVSE 性能的高精度数字万用表,以及一个双向电源,作为模拟高电压、高容量放电电池的负载。

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EVSE 测试设备和技术

A block diagram of a DC fast charging station for electric vehicles​

直流快速充电站框图

EVSE 系统 - 功能模块

先进的直流快速充电器可将电网中的三相交流电转换为高压直流电。系统包括以下组件:

  • 功率因数校正器和交流/直流转换器
  • 直流/直流转换器
  • 控制系统和电源管理系统
  • 用户软件界面
  • LAN/蜂窝通信
  • 高压充电和通信车载端口

每个模块都需要进行测试。 探索以下解决方案,了解更多信息。

功率因数校正 (PFC) 和交直流转换测试

用于连接公用设施的充电器必须限制其对当地电网的影响,否则运营商将被收取更高的能源费率或罚款。大多数公用设施公司会对低于 90% 至 95% 的功率因数收费,许多公用设施都还要求符合谐波标准。

直流快速充电设备的输入级不仅负责将三相交流电转换为直流电,还必须确保高功率因数和低谐波失真,同时保持高效率和高可靠性。

配备先进功率分析软件的示波器系统有助于进行精确、可重复的测量,包括:

A block diagram of a DC fast charging station for electric vehicles​

充电器前端的功率因数校正利用开关调整电压和电流,以获得单位功率因数。它还能平滑电流消耗,减少公用设施的谐波荷载。

Oscilloscope display showing voltage, current and power loss in a MOSFET

详细的开关损耗测量可量化功率转换电路内 FET 和 IGBT 中的损耗。​​

直流/直流转换器和栅极驱动器分析

高功率直流/直流转换器在 PFC 模块和车载充电端口的电压调节器之间提供隔离。高频变压器通常用于隔离和储能。新设计可能会采用快速 SiC MOSFET 来提高效率和功率密度。

由于碳化硅 MOSFET 的开关速度快、电压水平高,所以高带宽和共模电压对测量造成了一定的挑战。EVSE 测试设备解决方案,包括带光隔离探头和分析软件的示波器在内,即使在高转换速度、高共模电压信号下,带光隔离探头和分析软件的示波器也能进行精确测量。包括:

控制系统和电源管理分析

嵌入式控制器是充电过程的中枢控制系统。在充电过程中,它们处理与车辆的通信,调节功率流并监控安全状况。它们还与用户界面和数字网络进行通信。

这些子系统通常包括处理器或 FPGA、时钟、电源轨、存储系统和通信 IC,它们通常以低振幅 GHz 信号运行。由于这些系统在恶劣的物理和电气环境中运行,因此需要较高的抗噪能力和电源完整性。

用来验证和调试这些系统的主要测量包括:

Oscilloscope waveforms showing noise on power rails​

纹波测量可量化电源轨上的噪音。

A Tesla (NACS) electric vehicle charging plug showing power connections, communications and protective earth.

EV 接口使用两个或更多的大针脚来连接电源和保护接地。较小的针脚用于通信,可能包括控制导引 (CP)、近接导引 (PP) 或控制器局域网 (CAN)。​

车辆接口测量和调试

充电站和车辆电池管理系统之间的可靠通信对于管理充电过程和保持安全至关重要。

符合 IEC61851 标准的充电器包含一个控制导引 (CP) 信号。在 CP 信号的工作周期中,来自 EVSE 的最大可用电流传输到 EV。该信号可使用示波器进行验证。电力线通信 (PLC) 也可以叠加在这条线路上,以便在充电过程中进行通信。一些接口依靠通过 CAN 传输的串行数据在 EVSE 和 EV 之间进行通信。

在这两种情况下,示波器对于检查整个系统的信号质量,查找衰减、噪音和错误端接都至关重要。大多数泰克示波器都可配备 CAN 总线解码和触发功能,以显示与其他系统级活动同步的事务。

除了进行数据通信外,充电接口还必须将电流和电压保持在规定的限值范围内。例如,充电器必须将线路电压瞬变、浪涌和暂降对车辆直流输出的影响限制在规定的水平和持续时间内。

验证和调试 EVSE 的关键测量值包括:

  • 通信信号完整性/噪音
  • DP 信号占空比
  • 系统时序
  • 直流输出噪音
  • 输出调节

用户界面和网络通信分析

用户界面设备通常通过 RS-232、SPI 或 USB 等标准串行总线与控制系统连接。网络通信可为充电站运营商和用户提供关键信息。示波器和有源探头非常适合对用户界面连接、LAN 及无线通信的信号和时序进行评估。泰克示波器支持超过 25 种串行总线的解码,包括 RS-232、无线 NFC 等等。

主要测量包括:

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CAN serial bus decoded on an oscilloscope display​

CAN 总线解码可用于显示充电站与电动汽车之间的通信。​​

EV battery charge cycle diagram

双向电源必须模拟的电动汽车电池充电周期。

模拟电动汽车电池

测试 EVSE 需要一个可以充当放电电池的负载。双向电源可以在各种电压值下灌电流,也可以拉电流以模拟电池。双向电源必须具有较广的电流范围,以模拟流向放电电池的高充电电流和接近完全充电状态的较低电流。此外,电源的额定电压必须超过 800 V,以便为电压不断增加的电动汽车电池组充电。由于电动汽车充电器支持更快速地充电,因此用于对其进行测试的电子负载必须能够应对更高的功率。

高精度和高稳定性可使电压和电流值趋于稳定且可重复,从而确保所有 EVSE 都处于相同的负载条件下。通过快速增减负载,可对充电器的负载调节功能进行严格测试。

如果 EVSE 提供的功率较高,电源需要过压、过流和过热监控,以确保为被测 EVSE 和电源本身提供保护。EVSE 测试通常在计算机控制下进行,因此需要一个强大的编程接口,例如 USB、以太网、CAN、RS-232 和 EtherCAT 接口。

EVSE 测试参考解决方案

为指导您构建一个有效的测试环境,包括根据您的需要定制的 EA 电池模拟器,我们准备了以下表格。在这个表格中,您会找到关键仪器、探头及选件,包括其数量及说明,所有列出的设备均可根据您的个性化需求进行灵活调整。

仪器/探头/选件 数量 描述
EA 10000 系列 1 双向直流电源和电池模拟器
MSO56B 1 带 6 个输入通道的 5 B 系列 MSO
可选 5-BW-500 1 500 MHz 带宽
可选 5-SRAUTO 1 CAN、CAN FD、LIN、FlexRay 总线解码和触发
可选 5-PWR 1 功率测量和分析
可选 5-SV-RFVT 1 射频与时间的关系频谱视图用于跟踪和触发,以进行 EMI/EMC 故障排除
TCP0030A 2 两个电流探头
TMDP0200 或 THDP0200 2 两个高压差分探头
TLP58 1 用于协议分析和混合信号分析的 8 通道逻辑探头
TPP0500B 1 六个用于测量电压的无源电压探头(随示波器一起提供)
吉时利 DMM6500 1 确保精确测量的 6.5 位万用表

常见问题

为什么 EV 和 EVSE 系统之间的通信测试很重要?​

  • 增强的用户体验:有效的通信测试可确保电动汽车 (EV) 和充电站无缝交互,为 EV 车主提供流畅无忧的充电体验。这对提高用户对充电基础设施的满意度和信任度至关重要。
  • 安全性和可靠性:通信测试可帮助检测和解决充电系统中潜在的安全问题和漏洞。通过识别和缓解风险,它有助于提高 EV 充电的整体安全性和可靠性。
  • 互操作性:互操作性测试可确保不同型号的 EV 和充电站能够有效通信。这对于创建一个开放、便捷的 EV 充电生态系统至关重要,在这个生态系统中,用户有多种充电方案选择。
  • 遵循标准:许多国家和地区都制定了具体的 EV 充电通信协议标准。通过测试是否遵守这些标准,可使充电系统满足监管要求。

功率转换器的常见验证测试有哪些?​

  • 效率测试:对功率转换器和光伏逆变器进行效率测试,评估它们转换电能的效率。高效率对于减少能源浪费和确保最佳的系统性能至关重要。
  • 安全检查:利用安全测试来评估电源模块是否存在过热、短路或电气故障等潜在风险。确保这些组件的安全对于防止事故和系统故障至关重要。
  • 性能验证:利用性能测试来评估电源模块在各种条件下(包括负载变化和环境因素)的运行能力。它有助于确保性能的可靠性和一致性。
  • 电磁兼容性 (EMC) 测试:EMC 测试检查电源模块是否会发出电磁干扰以及是否能抵御外部干扰。符合 EMC 标准对于在有其他电子设备的情况下无故障运行至关重要。
  • 温度曲线分析:监控温度对于防止过热至关重要,过热会导致组件损坏。温度曲线分析可识别潜在的热问题,并帮助保持安全运行。

EVSE 测试设备的应用?

  • 符合性验证: EVSE 测试设备用于严格验证电动汽车供电设备 (EVSE) 是否符合国际充电标准。包括评估电网互动、通信协议、电压和电流水平,以及是否符合安全标准。
  • 互操作性评估: 该测试设备还可用于评估各种电动汽车车型与充电站之间的兼容性。互操作性测试对于确保为所有用户提供无缝通信和可靠的充电体验至关重要。
  • 安全保证: 开展安全测试以便检验系统保护用户和设备免受电击或损坏的能力,包括隔离、接地和接地故障断路器(如 RCD 或 GFCI)。
  • 性能优化:EVSE 测试设备可协助进一步优化充电站的性能。在此类工具的帮助下,工程师可提高效率,缩短充电时间,同时确保安全性和可靠性。

EVSE 测试设备如何用于研发?

在 EVSE 的设计过程中,工程师使用测试设备对各子系统和整个系统进行调试和验证:

  1. 模拟各种充电场景:工程师将使用 EVSE 测试设备模拟各种充电场景,模拟不同的车型和充电条件。
  2. 监控通信:其将监控 EVSE 与模拟车辆之间的通信,检查信号完整性或定时是否有任何异常。
  3. 测量功率输出:工程师还将测量不同负载条件下的功率输出,确保 EVSE 能够安全高效地提供所需的功率。
  4. 调试和验证:设计人员在设计过程中使用测试设备制作原型,验证新产品的性能。
  5. 验证可靠性:最后,工程师将验证充电站能否在各种环境条件下为各种电动汽车提供可靠服务。

电力电子设备和 EV 系统领域有哪些典型测量方法?​

  • 电压测量:电压测量对于评估电力电子设备和 EV 系统内的电势至关重要。它有助于人们深入了解电路行为,并确保电路在安全电压范围内运行。
  • 电流测量:电流测量可测量电力电子设备和 EV 系统内的电荷流动。精确的电流测量对于监测功耗和确保电气元件安全至关重要。
  • 温度监测:温度监测对于防止过热和确保 EV 中电力电子设备和电池系统的使用寿命至关重要。它有助于保持安全高效的运行。
  • 功率因数 (PF) 分析:功率因数测量可评估电力电子设备内的功率转换效率。高功率因数表明能源利用效率高、浪费少、能源成本低。
  • 谐波分析:谐波是电波形中不必要的失真,会影响系统性能。谐波分析有助于识别和减轻这些失真,从而保持电能质量。
  • 效率测量:效率测量可评估电力电子设备和 EV 系统内功率转换和利用的效率。高效率对于减少能源浪费和经济高效地运行至关重要。
  • 电压纹波:电压纹波或波动会影响敏感电子设备的运行。监测纹波并最大限度地减少纹波对于确保系统性能稳定和可靠非常重要。
  • 荷电状态 (SoC) 测量:EV 的电池管理尤其需要进行 SoC 测量。它们能测定电池中的可用能量,从而准确估算续航里程并防止过度放电。
  • 直流母线电压测量:监测直流母线电压可确保系统稳定运行,保护逆变器和功率转换器等关键组件。这对于安全可靠地运行至关重要。
  • 能耗监测:能耗测量可让您深入了解能源使用效率,从而优化 EV 和电力电子应用并节约成本。它有助于高效管理电力使用,并确定需要改进之处。
  • 隔离测试:隔离测试可确保电气安全,有助于防范电气危险。它可确认电路和组件已被正确隔离且没有潜在故障,从而保证安全运行。

了解我们的 EVSE 测试设备

Serie 2 MDO Mixed-Domain-Oszilloskop

2 系列 MSO 便携式混合信号示波器

选择我们紧凑便携的手持示波器,在不降低性能的情况下为您的工作台腾出更多空间。2 系列 MSO 示波器的厚度只有 1.5 英寸(3.8 厘米),重量不到 4 磅(1.8 千克),外观就像平板电脑一样,却是一款功能齐全的实时触摸屏示波器。无论您的测量挑战要求您前往何处(工作台、教室或者测试现场),都可轻松携带它。  

3 系列 MDO 混合域示波器

无论是测试 IoT 的基带设计还是仅用于简单的 EMI 嗅探,您的工作台上均应备有 3 系列 MDO。与其他提供软件处理的 FFT“频谱分析”功能的示波器不同,3 系列内置独特的、真正的硬件频谱分析仪,拥有出色的射频测试性能和有保证的射频技术规格。

  • 1 GHz 或 3 GHz 内置频谱分析仪选件
  • 一款真正集成在示波器上的频谱分析仪硬件
  • 最高 3 GHz 的超宽捕获带宽
4 Series MSO Mixed Signal oscilloscope

4 系列 B MSO 混合信号示波器

4 系列 B MSO 是一台混合信号示波器,具有高达 1.5 GHz 的带宽、高清触摸显示屏、串行解码、数字输入、频率和电源分析功能

5 series B MSO - MSO58B

5 系列 B MSO 混合信号示波器

5 系列 MSO 混合信号示波器带有高清触摸屏显示器、高达 8 条输入通道、12 位模拟到数字转化器以及高达 2 GHz 的带宽。

6 Series B MSO Mixed Signal oscilloscope

6 系列 B MSO 混合信号示波器

使用 1 GHz 至 10 GHz 带宽对高速设计进行故障排除和验证。

Keithley DMM7510: Đồng Hồ Vạn Năng Lấy Mẫu Đồ Họa 7.5 Chữ Số

Keithley DMM7510:7½ 位图形采样万用表

  • 0.0014% DCV 精度(一年)
  • 1,000,000 个读数/秒数字转换器
  • 触摸屏显示器
2470 SMU front image for product series

Keithley 2400 图形化触摸屏系列 SMU

  • 纳米结构材料研究
  • 功率半导体 GaN,SiC
  • 生物传感器开发
  • 半导体器件设计
  • 汽车传感器设计
elr10000_3u_280x210

EA Elektro-Automatik 10000 系列可编程电源

高功率密度、高效单向电源,具有自动量程功能