Wallbox检测—家用光伏余电控制充电EV充电设备(Evse/Wallbox)太阳能受控充电品质评估

《World Electric Vehicle Journal》：Wallbox Inspection—Evaluating Solar Controlled Charging of EV Charging Equipment

　　

为实现电动汽车（EV）的大规模普及与接受，须将EV充电基础设施整合进住宅能源系统中。太阳能余电充电（solar surplus charging）作为受控充电的一种特殊形式，是已装系统中流行且有前景的运行模式。通过对不同家用能源管理系统（Home Energy Management System, HEMS）结合专用EV充电站（EV charging station / EV supply equipment, EVSE）进行对比，发现其在控制品质上存在差异。在"Wallbox-Inspektion"研究项目中，研究人员开发了一套测试装置，推导出的测试流程确定了评估太阳能余电充电品质的主要判据，核心问题是："EV充电功率对参考值的跟随程度如何？"本文阐述了待机功耗测试及控制阶跃响应控制品质测试方法，并提出一种判定其对应用场景影响的方法。此外，研究人员对比并讨论了市售不同太阳能充电系统（含充电站、HEMS、电能表）在所实现太阳能充电策略品质上的差异。

论文解读：《Wallbox Inspection—Evaluating Solar Controlled Charging of EV Charging Equipment》

一、研究背景与意义

住宅光伏（Photovoltaic, PV）配合家用能源管理系统（Home Energy Management System, HEMS）及EV供电设备（Electric Vehicle Supply Equipment, EVSE，俗称Wallbox/充电桩）进行太阳能余电充电（Solar Surplus Charging / PV surplus charging），可最大化绿电自发自用率，加速交通脱碳。然而目前现场测试缺乏标准化，不同厂商的HEMS与EVSE组合对残余负荷（residual load / surplus PV power）的响应存在明显滞后（可达数分钟），导致PV余电无法被及时吸收而馈入电网，或从电网取电造成成本增加。现有研究多缺乏可复现的实验室对比。为此，Fraunhofer ISE的研究人员在"Wallbox-Inspektion"项目中搭建功率硬件在环（Power Hardware-in-the-Loop, Power-HIL）测试平台，采用黑箱（black-box）法将电能表与Wallbox视为整体，建立标准化测试流程评估待机功耗（standby consumption）及受控充电的控制品质（control quality），并对市售五套系统进行对比分析。该文发表于《World Electric Vehicle Journal》。

二、主要关键技术方法

研究人员采用数字电网实验室（Digital Grid Lab）的Power-HIL平台模拟电网、住宅负载及EV（使用Fraunhofer开发的"ev twin"数字孪生，依据IEC 61851-1通过控制导引（Control Pilot, CP）信号设定最大允许电流I_max），以双向负载模拟家庭用电。测试将EVSE+电能表+HEMS视作黑箱，不区分内部通信协议，整体评估从电能表检测到残余负荷变化至EVSE调整CP占空比所对应的充电电流设定点I_set的全过程。测试分三块：①待机功耗测试——分别在State A（未连接EV）、State B（EV连接未请求充电）、State C（EV连接请求充电但无PV余电）测量P_net=P_standby持续30 min或至深待机；②控制品质测试——施加17个电流设定点阶跃（涵盖IEC 61851-1Mode 3范围6–16 A，单相及三相），计算死区时间（dead time, t_d）、调节时间（settling time, t_s，进入±0.5 A带内持续≥5 s）及控制偏差（control deviation, ε，稳态均值(I_ref?I_meas)）；③应用测试——输入实测1 s分辨率残余负荷时序，量化馈网能量E_feed?in与取自电网能量E_grid?draw。五套市售设备（Device Under Test, DUT #1–#5）按厂商推荐配置测试。

三、研究结果

4.1. Standby Consumption（待机功耗）

研究人员在State C（插枪等待无余电）、State B（插枪未请求）、State A（未插枪）下分别测30 min。结果表明：五套系统State C下平均待机功耗范围为4.4 W（DUT #2）至10.0 W（DUT #5）；State A下因LED关闭部分设备降约1 W。三套系统C/B态功耗无变化，一套（DUT #4）在State C出现周期性CP探测引起的波动，一套（DUT #5）整体偏高约二倍。说明EVSE+HEMS+电能表整套系统典型待机功耗约5.23±1.02 W，高功耗设计影响长期无充运行成本。

4.2. Control Quality（控制品质）

对单相及三相各17个设定点阶跃响应提取KPI。死区时间t_d均值范围为3.0 s（DUT #1）至65.4 s（DUT #5三相）/65.1 s（单相），多数系统<10 s。调节时间t_s均值范围为9.5 s（DUT #3）至130.2 s（DUT #5）。控制偏差ε均值范围为?0.7 A（DUT #1，偏保守低估余电）至+0.36 A（DUT #2）。DUT #1存在约1 A幅值振荡及约1 A稳态偏移；DUT #5响应慢且经多次中间阶跃才稳定。单相与三相分布相似。说明控制延迟与稳态精度在不同商用产品间差异显著，慢响应直接导致后续应用测试中电网取电增加。

4.3. Application Test（应用测试/时序仿真）

研究人员对五套DUT施加30 min三相对称残余负荷时序（5–10 kW）。结果显示：DUT #2和#3馈网能量E_feed?in分别为129 Wh和100 Wh，取网能量E_grid?draw较低（DUT #4仅55 Wh，DUT #5最高约150 Wh因响应慢）；DUT #1和#5馈网偏高（158 Wh、206 Wh），DUT #1因以约1 A欠充振荡运行导致余电反复馈网。DUT #2将最多接收能量转入EV电池且最小馈网，DUT #5光伏余电利用率最低。时序表现与静态t_s分布关联：快而对称响应的系统（#3、#4）取网少；不对称策略（快降慢升，如#1）减少取网但降低EV受电量并增馈网。

四、讨论与结论（翻译浓缩）

研究人员得出结论：所建立的黑箱测试流程对待机功耗及控制品质可获得可复现结果。整套系统（充电站+电能表+(集成)HEMS）待机功耗除DUT #5外约为5.23±1.02 W；部分设备在断开连接时因熄灯降耗，个别出现CP探测波动。时序应用测试结果与静态调节时间t_s可关联——对称升降策略可能略增取网但提高自用率，非对称（快降慢升）减取网但增馈网且EV受电量略低，优劣取决于上网电价与购电价格及PV规模。五套系统待机及控制KPI差异显著；仅DUT #2允许用户配置控制延时（5–90 s），该参数对性能影响可能大于不同系统间固有差异。此标准化评估框架可为太阳能受控EV充电设备提供可复现的比对方法，后续项目还涵盖相序切换、启停及扩展动态负荷曲线测试。

（注：原文Table 1中E_grid?draw/E_feed?in及E_EV、E_PV数值均按原文给出，此处以定性结论表述；专业术语IEC 61851-1、CP信号、Power-HIL、HEMS、EVSE、t_d、t_s、ε等均保留原文符号与上下标。）