电池充电器能效测试美国 DOE Appendix Y/Y1 与加拿大 CSA 完整解读

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1. 法规框架概览

项目	美国	加拿大
法规	10 CFR Part 430, Subpart B, Appendix Y / Y1	CSA C381.2-17 (R2022)
监管机构	美国能源部 (DOE)	加拿大标准协会 (CSA)
适用范围	电池充电器 + UPS（AC输出，NEMA 1-15P/5-15P）	同上，且与美国 DOE Appendix Y 协调一致
输入电压	115 V AC, 60 Hz（或 DC 输入）	115 V AC, 60 Hz（或 DC 输入）
测试环境温度	20 °C ± 5 °C	20 °C ± 5 °C
功率测量标准	IEC 62301	CAN/CSA-C62301
UPS 参考标准	IEC 62040-3 Ed. 3.0（选定条款）	相同

美国：Appendix Y 与 Appendix Y1 对比

特性	Appendix Y（过渡版）	Appendix Y1（最新版）
适用时间	2024年7月3日 – 2024年10月16日	新/修订标准合规日期后
无线充电器	不适用	适用（固定位置 + 开放放置）
主动充电能量 (Ea)	不单独测量	单独测量
待机定义	= 仅空载模式	= 维护模式 + 空载模式
关键指标	24h总能耗 → UEC (kWh/yr)	Ea, Pm, Pnb, Poff（分量值）

注意： 自2022年9月8日起，任何新的或修订的电池充电器能效标准均要求使用 Appendix Y1。

2. 产品范围

2.1 涵盖与排除产品

涵盖产品	排除产品
电池充电器（AC市电或DC输入）	备用电池充电器 (back-up battery charger)
USB供电充电器	医疗设备充电器（加拿大）
外部电源 (EPS) + 充电器组合	仅有DC输出的UPS
感应/无线充电器（Y1）	无法在115V/60Hz下工作的充电器
带NEMA 1-15P或5-15P插头、AC输出的UPS

2.2 充电器类型分类

3. 关键定义（美国与加拿大通用）

术语	定义
主动模式 / 充电模式	充电器连接市电，向电池输送电流
维护模式	电池已充满，但仍连接充电器
待机模式	Y: 仅空载模式 \| Y1: 维护模式 + 空载模式
空载模式	充电器连接市电，电池未连接
关机模式	手动开关关闭，电池未连接
UUT（被测单元）	充电器 + 电池的组合
标称电池电压	串联：各电池电压之和
标称电池容量	并联：各电池容量之和 (Ah/mAh)
电池能量 (Ebatt)	放电条件下电池释放的能量 (Wh)
C倍率 (C-Rate)	电流 ÷ 标称容量（例：0.2C = 5小时充/放电）

UPS 架构类型

类型	全称	输出特性
VFD	电压频率依赖型	输出电压/频率跟随输入变化
VI	电压独立型	输出电压不受输入影响（频率可能变化）
VFI	电压频率独立型	输出电压和频率均不受输入影响

4. 测试条件

4.1 环境与电气条件

参数	非UPS充电器	UPS
环境温度	20 °C ± 5 °C	20.0 °C – 30.0 °C
周围风速	≤0.5 m/s	≤0.5 m/s
输入电压 (AC)	115 V ± 1%	在最高额定电压的3%以内
输入频率	60 Hz ± 1%	在最高额定频率的1%以内
THD（至第13次谐波）	≤2%	—
波峰因数	1.34 – 1.49	—
测试表面	绝热不导电	绝热不导电
强制冷却	不允许	不允许
功率计精度	按 IEC 62301	≤0.5%（95%置信度）

4.2 DC输入条件（如适用）

条件	要求
USB供电 (5V DC)	5.0 V ± 1%
其他DC	额定输入范围中点值 ± 1%
AC纹波 (≤10V)	≤0.2 V RMS
AC纹波 (>10V)	≤DC电压的2% RMS

5. 测试步骤 — 电池充电器（非UPS）

5.1 测试流程图

5.2 各步骤详细说明

步骤1：记录被测单元基本数据

记录制造商、型号、电池类型、标称电压、标称容量和标称能量。

步骤2：确定测试时长

测试时长 = 最少 24小时，根据以下条件延长：

条件	测试时长
充满指示灯在≤19小时内亮起	24 小时
19小时时指示灯未亮	指示灯亮起时间 + 5 小时
无指示灯，说明书标明≤19小时	24 小时
无指示灯，说明书标明>19小时	说明书标注充电时间 + 5 小时
无指示灯/说明书，但已知充电电流	max(24 h, 1.2 × 容量 / 充电电流 + 5 h)
以上均不适用	24 小时

步骤3：电池预调

电池化学成分	预调要求
锂离子 / 锂聚合物	无需预调 — 直接进入步骤4
其他化学成分（新电池）	2次完整充放电循环 + 1次最终充电
其他化学成分（已有≥2次循环）	仅1次最终充电

步骤4：电池放电

将电池完全放电至下表（表6）规定的终止电压。

步骤5：电池静置

放电后静置 1–24小时。富液式电池：电解液温度 ❤️0 °C。

步骤6：充电与维护模式测试（核心步骤）

连接功率计，开始记录
在开始记录后 3分钟 内接入电池
在充电开始的 10分钟 内记录初始功率
输入功率采样频率 ≥1次/分钟
记录整个测试时长的数据（±5分钟容差）
总能量 = Σ(功率 × 采样间隔)

步骤7：电池静置

充电后静置 1–4小时。

步骤8：电池放电能量测试 (Ebatt)

使用电池分析仪以恒流 0.2 C 放电
每≥1分钟记录电压和电流
达到终止电压时停止
Ebatt = Σ(电压 × 电流 × 采样间隔)

步骤9a：维护模式功率 (Pm)

分析步骤6中功率-时间数据的后段
周期性波动：取覆盖最后≥4小时的整数周期平均值
稳定状态：取最后4小时的平均值

步骤9b（Y）/ 步骤10（Y1）：24h能耗 / 主动充电能量

Y: E24 = 整个测试期间的总能量
Y1: Ea = 从测试开始到进入维护模式的能量

步骤10/11：待机与关机模式

断开电池，等待≥30分钟，测量10分钟平均功率
待机 (Psb/Pnb)：所有开关置于ON
关机 (Poff)：所有手动开关置于OFF（无手动开关则为N/A）

6. 电池放电参数 (Table 3.3.2 / Table 4)

电池化学类型	放电倍率 (C)	终止电压 (V/单体)
VRLA（阀控铅酸）	0.2	1.75
富液式铅酸	0.2	1.70
镍镉 (NiCd)	0.2	1.0
镍氢 (NiMH)	0.2	1.0
锂离子 (Li-Ion)	0.2	2.5
锂离子聚合物	0.2	2.5
磷酸铁锂 (LiFePO₄)	0.2	2.0
可充电碱性	0.2	0.9
银锌	0.2	1.2

若保护电路阻止放电至规定电压，则放电至保护电路允许的最低电压。

7. 电池使用场景与 UEC 计算

7.1 使用场景分类 (Table 3.3.3 / Table 5)

类别	描述	额定 Ebatt	特殊条件	t_a&m (h/d)	t_sb (h/d)	n (次/天)	阈值 (h)
1	低能量	≤5 Wh	感应连接	20.66	0.10	0.15	137.73
2	低能量, 低压	<100 Wh	<4 V	7.82	5.29	0.54	14.48
3	低能量, 中压	<100 Wh	4–10 V	6.42	0.30	0.10	64.20
4	低能量, 高压	<100 Wh	>10 V	16.84	0.91	0.50	33.68
5	中能量, 低压	100–3000 Wh	<20 V	6.52	1.16	0.11	59.27
6	中能量, 高压	100–3000 Wh	≥20 V	17.15	6.85	0.34	50.44
7	高能量	>3000 Wh	—	8.14	7.30	0.32	25.44

7.2 UEC 计算公式 (Appendix Y / CSA C381.2-17)

决策规则： 将 (t_cd − 5) × n 与表7.1中的阈值充电时间对比。

公式 (i) — 当 (t_cd − 5) × n ≤ 阈值时使用：

UEC (kWh/yr) = 365 × 10⁻³ × [ n × E24 + P_m × (t_a&m − n × (t_cd − 5)) − (t_a&m − n × (t_cd − 5)) / t_a&m × E_batt + t_sb × P_sb + t_off × P_off ]

概念简化为：

UEC = 365 × [n × (充电能耗) + (剩余时间 × 维护功率) − 电池能量抵扣 + 待机能耗 + 关机能耗]

公式 (ii) — 当 (t_cd − 5) × n > 阈值时使用：

UEC (kWh/yr) = 365 × 10⁻³ × [ n × (E24 − P_m × (t_cd − t_a&m / n − 5)) + t_sb × P_sb + t_off × P_off ]

其中：

符号	含义	单位
n	每天充电次数（来自使用场景表）	—
E24	24小时能耗	Wh
Ebatt	测得的电池放电能量	Wh
Pm	维护模式功率	W
Psb	待机模式功率	W
Poff	关机模式功率	W
t_cd	充电测试时长	h
t_a&m	每天主动+维护小时数	h/d

8. UPS 测试步骤

8.1 测试流程图

8.2 稳态检查

步骤	要求
同时测量输入和输出功率/能量	≥5分钟
计算 Eff1	Eff = P_out / P_in 或 E_out / E_in
等待	≥10分钟
计算 Eff2	相同方法
判定条件		Eff1 − Eff2	/ Eff2 × 100% < 1%
若不满足	重复直至满足条件

8.3 效率测量

参数	值
采样速率	≥1 Hz（1次/秒）
每个负载点测试时长	15分钟
负载点（按顺序）	100% → 75% → 50% → 25% 额定输出功率
各点效率	Eff_n% = P_avg_out / P_avg_in

8.4 UPS 负载权重 (Table 4.3.1 / Table 6)

额定功率	UPS 架构	t_25%	t_50%	t_75%	t_100%
P ≤ 1500 W	VFD	0.2	0.2	0.3	0.3
P ≤ 1500 W	VI 或 VFI	0*	0.3	0.4	0.3
P > 1500 W	VFD, VI, VFI	0*	0.3	0.4	0.3

* 权重为0的负载点无需测量。

8.5 加权平均效率公式

Eff_avg = t_25% × Eff_25% + t_50% × Eff_50% + t_75% × Eff_75% + t_100% × Eff_100%

9. 加拿大 — 最低能效限值 (Annex C, E)

9.1 电池充电器 UEC 限值

类别	描述	最大 UEC (kWh/yr)
1	≤5 Wh, 感应式	3.04
2	<100 Wh, <4 V	0.1440 × Ebatt + 2.95
3	<100 Wh, 4–10 V	Ebatt <10 Wh: 1.42; ≥10 Wh: 0.0255 × Ebatt + 1.16
4	<100 Wh, >10 V	0.11 × Ebatt + 3.18
5	100–3000 Wh, <20 V	0.0257 × Ebatt + 0.815
6	100–3000 Wh, ≥20 V	0.0778 × Ebatt + 2.4
7	>3000 Wh	0.0502 × Ebatt + 4.53

9.2 UPS 最低效率

架构	功率范围 (W)	最低 Eff_avg 公式
VFD	0–300	−1.20E−06 × P² + 7.17E−04 × P + 0.862
VFD	300–700	−7.85E−08 × P² + 1.01E−04 × P + 0.946
VFD	>700	−7.23E−09 × P² + 7.52E−06 × P + 0.977
VI	0–300	−1.20E−06 × P² + 7.19E−04 × P + 0.863
VI	300–700	−7.67E−08 × P² + 1.05E−04 × P + 0.947
VI	>700	−4.62E−09 × P² + 8.54E−06 × P + 0.979
VFI	0–300	−3.13E−06 × P² + 1.96E−03 × P + 0.543
VFI	300–700	−2.60E−07 × P² + 3.65E−04 × P + 0.764
VFI	>700	−1.70E−08 × P² + 3.85E−05 × P + 0.876

P = 额定有功输出功率，单位瓦特 (W)

10. 美国 vs 加拿大 — 核心对比

方面	美国 (DOE Appendix Y)	美国 (DOE Appendix Y1)	加拿大 (CSA C381.2-17)
法规依据	10 CFR Part 430	10 CFR Part 430（修订版）	与 Appendix Y 协调一致
生效日期	2024年7月–2024年10月	新标准合规日期后	2017年，2022年再确认
无线充电器	否	是（固定+开放放置）	否
主动能量 (Ea)	不分离	与维护模式分离	否
待机定义	= 仅空载模式	= Pm + Pnb	同 Appendix Y
UEC公式	公式(i)/(ii)	基于分量 (Ea, Pm, Pnb, Poff)	同 Appendix Y
最低能效限值	依据 §430.32(z)	依据 §430.32(z)	在 Annex C/E 中给出
测试环境温度	20 ± 5 °C	20 ± 5 °C	20 ± 5 °C
功率计参考标准	IEC 62301	IEC 62301	CAN/CSA-C62301
UPS参考标准	IEC 62040-3 Ed. 3.0	IEC 62040-3 Ed. 3.0	IEC 62040-3 Ed. 3.0
样品数量	未规定	未规定	最少5个（消除统计罚分）

11. 研发关键设计考量

11.1 影响UEC降低的因素

因素	影响
更高的充电效率（E24 越接近 Ebatt）	直接降低UEC
更低的维护模式功率 (Pm)	影响最大 — 主导空闲能耗
更低的待机功率 (Psb)	按比例降低UEC
更短的充电时间 (t_cd)	可能将计算方式从公式(ii)切换到公式(i)
电池能量抵扣	Ebatt越高，UEC越低（仅公式i）

11.2 测试电池选取规则

11.3 关键测试参数速查表

参数	值	条款
环境温度	20 ± 5 °C	3.1.3
输入电压 (AC)	115 V, 60 Hz	3.1.4
THD限值	≤2%（至13次谐波）	3.1.4(d)
波峰因数	1.34 – 1.49	3.1.4(d)
功率采样速率	≥1次/分钟（充电器）；≥1次/秒（UPS）	3.3.6 / 4.3.1
最短测试时长	24小时	3.3.2
电池静置（充电前）	1 – 24 小时	3.3.5
电池静置（充电后）	1 – 4 小时	3.3.7
放电倍率	0.2 C	Table 3.3.2
锂离子预调	无需	3.3.3(a)
待机/关机测量	稳定30分钟 + 记录10分钟	3.3.11/12
UPS单负载点时长	15分钟	4.3.3
UPS负载顺序	100% → 75% → 50% → 25%	4.3.3(a)
UPS稳态判定		Eff1 − Eff2	/ Eff2 < 1%	4.3.2

11.4 常见易错点

对锂离子电池进行预调 — 锂离子/锂聚合物/LiFePO₄ 禁止预调；预调仅适用于 NiCd、NiMH、铅酸等。
电池选型错误 — 多电压/多端口充电器须按特定规则选取测试电池（第3.2.3条款 / 表3.2.1）。
忽略非充电功能 — 附加功能（LCD、以太网、电话线等）必须关闭或设为最低功耗模式。
测试时长计算错误 — 24小时下限可能因充电指示灯行为而显著延长。
温度漂移 — 全程保持20±5°C环境温度；不得强制冷却。
UPS架构判断错误 — 若UPS可运行于多种模式，须在最低和最高输入依赖模式分别测试。

12. 参考标准

标准	用途
10 CFR Part 430, App Y	美国DOE电池充电器测试方法（2024年前版）
10 CFR Part 430, App Y1	美国DOE电池充电器测试方法（最新版）
CSA C381.2-17 (R2022)	加拿大电池充电器测试方法
IEC 62301	家用电器 — 待机功耗测量
IEC 62040-3 Ed. 3.0	UPS — 性能与测试要求规范方法
ANSI/NEMA WD 6-2016	布线器件 — 尺寸要求（NEMA插头）
IEEE 1515-2000	电子电源子系统推荐实践