实验室环境下的充电桩计量检定方法及关键技术

实验室环境下的充电桩计量检定方法及关键技术

刘斯

桂林市计量测试研究所，广西桂林，541004

摘要：近年来可持续发展理念的不断生深入，基础设施也在完善。全球各个政府开始加快电动汽车研发和工业应用的步伐，大力推动充电桩等电动汽车配套产业快速发展。21世纪以来，世界各国都在倡导节能环保，重视保护环境，其中“低碳”一词逐渐进入了我们的视野和认识的领域，其中一个非常关注的现象就是如今汽车的碳排放量更大了，所以业界慢慢开始关注低碳领域。随着电动汽车产业进入成长期，电动汽车充电设施是电动汽车产业链的重要组成部分。在保持电动汽车产业发展的同时，要完善和推动新能源汽车配套设施的发展。本文就实验室环境下的充电桩计量检定方法及关键技术展开探讨。

关键词：充电桩；可视化；研究现状；发展现状

引言

针对常规技术中在大功率、大噪声环境下计量准确度不高等问题，本研究建立基于充电桩实验室的计量检定系统，实现大功率充电桩的高压、大电流及电能等参数的高精度采集，计量系统高度集成化、智能化，可针对用户需求进行功能扩展，并且具有良好的容错能力。

1国内充电桩产业发展现状

中国在一些电动技术和电动汽车充电设施的研究过程中已经取得了显著进展。早在2009年11月，专家就通过并验收了中国首个电动汽车充电站——上海漕溪电动汽车充电站。2010年3月，由华北电网投资建设的国家电网系统第一座典型设计大型电动车充电站———唐山南湖电动车充电站，也正式进入贸易运营。为了迎合电动汽车产业的快速发展，在我国电动汽车相关的充电设施的建设显得很迫切，也因此当地政府对电动汽车充电站的建设起着关键作用。2010年以来，许多沿海城市，大力发展充电桩市场，以期待该产业的成熟;当然内陆城市也毫不示弱，纷纷加大对电动汽车相符合的配套业务的发展。国内电动汽车充电站的不断扩大的市场现状引起了更多企业家的高度关注。两大电网抓住电动汽车充电站这一重要举措当作最重要的战略规划，以此期待在新能源汽车时代达到快速占领的目的，与传统加油站相类似，希望凭借充电站成为有地位的能源大公司之一。2010年初国家电网在全国范围内建设75座充电站和6000个交流充电桩。当然传统的石化企业也不甘落后，他们也看到了充电站建设所带来的一系列机遇和挑战。实际上，在中国电动汽车的市场正在快速扩大。根据统计，在2022年的1月到2月之间，中国电动汽车汽车生产共约1.19万辆，与去年相比较，增长了近大约5倍。这其中包含生产，纯电动乘用车4000多辆，同比增长近4倍，插电式混合动力乘用车4101辆，同比增长5倍;纯电动商用车2159辆，同比增长近9倍，插电式混合动力商用车大约1600辆，同比增长3倍。同时，3月份开始，电动汽车销量呈现大规模的上升。

2基于实验室环境下的充电桩计量检定系统

在电压和电流线上增加电压和电流传感器，利用三相模拟乘法器和V/F转换器将三相有功电能转换为频率输出。通过对比充电桩的输出电能脉冲和V/F变换器的输出脉冲，可以准确验证三相充电桩的基本电能误差。本文设计了一种三相模拟乘法器来实现直流充电桩电能的测量。其中硬件结构包括交流充电桩供电插座、电动汽车充电插座、电流互感器、电压分压电阻网络、电流电压转换模块、电源模块、三相模拟硬件乘法器、V/F转换器、无分频校验光电头、处理器MSP430F6736、键盘KEY、显示LCD、电源变换器、电压跟踪模块、电源插针和手动开关。其中交流充电桩插座和充电桩插座匹配，电动汽车充电插座和电动汽车充电插座匹配。电流互感器采用0.01级的零磁通电流互感器，以保证测量的准确度，电流互感器的变比为5000∶1。电压分压电阻网络采用1×10-6温漂和0.01%准确度的高稳定电阻，分压比为40∶1。通过增加LCD显示和键盘输入，用于抄读电能误差数据和脉冲常数输入。本研究的核心创新技术在于研制了具备零位校准功能的三相模拟乘法器，可以直接把三相有功功率转换为直流电压信号输出，同时可以实现从传感器输入到V/F转换器输出的所有通路的零位校准。并通过电流电压转换模块设计实现不同电流、电压数据信息的转换。该模块结构由运放OPA2277U5和0.01%准确度RF电阻（1×10-6温漂）组成、RF电阻阻值为500Ω，可将10mA的电流输出转换为5V电压输出。通过该技术提高了电路中的电流、电压转换能力，提高了直流充电桩的电能计量能力。直流测试单元可以检测非车用充电器的工作误差，电量显示误差等测试项目。直流充电桩工作电流动态范围广，而直流电流往往包含交流分量，这对大功率直流能量测量提出了更高的要求。本研究采用直流测试单元功能，直流电压范围为（30~1150）V，电压准确度≤0.02%，电压量程为300V、750V、1000V三种，电压分辨力为0.1mV，直流电流范围为（0.5~300）A，标准电能脉冲输出最高频率为60kHz，标准电能脉冲输入最高频率为100kHz。直流测试单元功能上由模拟采样和数字处理两部分组成，其中模拟部分主要对充电桩的充电参数进行信号采样、信号调理和数模转换。数字处理部分设计了电气隔离电路，防止模拟和数字信号之间的串扰。直流测试单元采用基于DSP+ARM的数据处理方法，实现了电源运行、能量运行、数据存储和充电参数接口封装等功能。ADC芯片采用ADS8556，分辨力为16位，支持6路并行差分输入，每通道630kSPS采样率，输入范围为（-10~+10）V，采集准确度＜0.02%，满足各通道信号的同步采样和测量。量化后的充电桩数字信号经过数字隔离进入FPGA，FPGA完成脉冲计数采样、数据预处理、实时运算和记录功能。电压采集准确度达0.02%，包括直流输出电压、检测点电压和辅助电压。针对1000V的直流大电压不能通过仪器直接量化，需要进行相应的衰减变换。

3充电桩智慧监管策略

一是在充电桩内加装计量监测模块。计量监测模块通过模块内电压传感器实时采集电压，通过桩内电流传感器实时采集电流，并进行充电量累积。由于桩内的电流传感器均为无源器件电流分流器，其计量特性比较稳定，只有在温度变化剧烈的情况下才会发生计量特性改变。通过贴片式温度传感器能够实时监测电流分流器充电过程中的温度改变量，保障电流分流器有效运行。二是基于车载BMS③数据实现在线监测。充电桩运营平台获取充电过程中BMS系统与充电桩的交互信息后上传至计量监测平台，监测平台对相关信息进行解析，从中提取有效的计量监测数据，通过计算得到电动汽车充电量，并与充电桩充电量示值进行比对，从而得到计量监测偏差。

结语

本文研究方法能够用于充电桩（机）输入/输出侧交直流参数测量和分析，能同时测量16路输入的交直流电压信号，可准确计量充电桩输入/输出侧交直流电压、电流、功率、电能等参数。

参考文献

［1］陈良亮,王伟．电动汽车能源供给设施建设现状与发展探讨［J］．电力自动化系统，2021，35(114):11-17．

［2］胡强,张文显．基于某典型乘用车型的轻量化与降油耗分析［J］．企业科技与发展，2019，(16):43-46．

［3］叶姗：《发展公平与经济安全———试析宏观调控法的价值定位》，《行政与法》，2002年第2期。

［4］王伟：《新型监管机制的逻辑与理念———以市场监管领域为视角》，《中国市场监管研究》，2020年第10期。

［5］姜瑜.对电动汽车充电桩计量检定的几点思考[J].2020，（2）.