郭曉丹¹ ，李曉輝¹ ，李磊¹ ，梁彬¹ ，趙慶來¹ ，鄧文²

( 1．國網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津 300384; 2．長沙天恒測控技術(shù)有限公司，長沙 410100)

摘要: 隨著電動汽車 VEG 模式的提出，大功率非車載充電機(jī)以其快速安全充電的特點(diǎn)得到廣泛的應(yīng)用。文中提出的 300 kW檢定系統(tǒng)解決了大功率充電機(jī)現(xiàn)場實(shí)負(fù)荷檢定的難題。系統(tǒng)中直流比較儀采用多種屏蔽技術(shù)，在充電機(jī)集中建站強(qiáng)電磁干擾下，精度仍保持在 10 ppm 的水平，為大電流測量提供可靠測試數(shù)據(jù); 采用 LabVIEW 軟件進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)處理，為非車載充電機(jī)電能計(jì)量量值溯源和檢測提供依據(jù)。通過測試數(shù)據(jù)對比分析，最后提出將充電機(jī)計(jì)量單元放置充電機(jī)直流側(cè)進(jìn)行公平結(jié)算的建議。
關(guān)鍵詞: 大功率非車載充電機(jī); 實(shí)負(fù)荷檢定; 直流比較儀; 屏蔽技術(shù); LabVIEW; 電能計(jì)量量值溯源
中圖分類號: TM933 文獻(xiàn)標(biāo)識碼: B 文章編號: 1001-1390( 2017) 08-0123-06

Design of on- site verification system for 300 kW off -board vehicle charger

Guo Xiaodan¹ ，Li Xiaohui¹ ，Li Lei¹ ，Liang Bin¹ ，Zhao Qinglai¹ ，Deng Wen²

( 1． Electric Power Ｒesearch Institute of State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300384，China．2． Changsha Tunkia Co，．Ltd，．Changsha 410100，China)

Abstract: With the proposal of VEG mode of electric vehicles，the large power off-board charge has been widely used owing to its safe and fast charging features． The 300 kW verification system is figured out to cover full range calibra-tion of large power vehicle charger in real-load． DC comparators which provide reliable test data for large current measurement through adopting a variety of shielding techniques to maintain the accuracy still at 10 ppm level under strong electromagnetic interference in centralized station． LabVIEW is applied for software design and data processing． The verification system provides the foundation for energy metering traceability of off-board charger． Finally，through the contrast data and statistical analysis，the proposal that energy meteorology unit should be placed in charger DC side is put forward to achieve a fair settlement．

Keywords: large power off-board charger，verification in real-load，DC comparator，shielding technology，Lab-VIEW，energy metering traceability

0. 引 言

隨著世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，新能源電動汽車成為了世界關(guān)注的焦點(diǎn)。各國推廣新能源汽車和加強(qiáng)充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，以應(yīng)對氣候變化，增加清潔能源使用并減少對石油的依賴。未來發(fā)展電動汽車 VEG 模式具有很大的市場潛力，安全快速的充電才能獲得更多消費(fèi)人群^[1-2] 。隨之而來的技術(shù)瓶頸亟待突破如大倍率充電 ( 50 kW ) 相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù): 充電機(jī) (樁) 計(jì)量檢定、新型鋰電池技術(shù)、供能系統(tǒng)等。其中，消費(fèi)者對于充電機(jī)(樁) 計(jì)費(fèi)準(zhǔn)確性尤其關(guān)注。目前， IEC和 ISO 都在加速制定充電基礎(chǔ)設(shè)施方面的國際標(biāo)準(zhǔn)，但是由于各國的電力基礎(chǔ)不一樣，所以各國所應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)也不同，充電樁檢定方案無法統(tǒng)一。而在國內(nèi)的電動汽車電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)并不*，尤其在實(shí)負(fù)荷電能計(jì)量方面幾乎是空白。充電機(jī)固定安裝以及戶外集中建站使用，對后續(xù)檢定和使用中檢定帶來了相當(dāng)大的困難。若將充電機(jī)內(nèi)置的計(jì)量單元取出送往實(shí)驗(yàn)室檢定，又無法模擬外部環(huán)境以及實(shí)負(fù)荷測量對充電機(jī)電能計(jì)量的影響。

因此，充電機(jī)現(xiàn)場檢定變得尤其重要，同時這對現(xiàn)場校驗(yàn)系統(tǒng)提出了更高技術(shù)要求: 連接電網(wǎng)進(jìn)行實(shí)負(fù)荷測試時，校驗(yàn)儀的電流回路中不能出現(xiàn)瞬時斷路( 如保護(hù)、一次換檔等引起) ，同時儀器應(yīng)具有*的抗電流沖擊能力; 充電樁戶外集中建站對設(shè)備的抗電磁干擾、適應(yīng)溫度變化等可靠性要求高。提出的 300 kW 電動汽車直流充電樁現(xiàn)場檢定方案很好的解決了這些難題，為大功率電動汽車充電機(jī)現(xiàn)場檢定提供了有效的測量方案。文中電動汽車非車載充電機(jī)(樁) 簡稱充電機(jī)。

1. 充電機(jī)現(xiàn)場檢定系統(tǒng)原理

在充電機(jī)、現(xiàn)場校驗(yàn)儀和電子負(fù)載握手成功后，電網(wǎng)交流量經(jīng)過充電機(jī)的 AC /DC、DC /DC、濾波等處理后輸出直流高電壓和大電流至現(xiàn)場校驗(yàn)儀再連接電子負(fù)載形成一個檢測回路，如圖 1 所示。

校驗(yàn)儀使用 V/V 轉(zhuǎn)換器和 I/V 轉(zhuǎn)換器實(shí)時測量直流電壓和直流電流，再通過兩路高速 AD 采樣將電壓和電流值發(fā)送至電能計(jì)量模塊，同時采集充電機(jī)電。能脈沖數(shù)計(jì)算電能誤差^［3］。

1.1 電能誤差計(jì)算

在計(jì)時時間 T 內(nèi)，兩路 24 位 AD 采集的電壓序列為{ u₁ (1) ，u₁ (2) …u₁ (n) } ，電流序列為{ u₂ ( 1) ，u₂( 2) … u₂ ( n) } ^［4］，有:

式中 m 為實(shí)測脈沖數(shù); m₀ 為算定的脈沖數(shù); C 為校驗(yàn)儀電能脈沖常數(shù)，imp /kWh; 其值隨著電壓電流量程改變而改變。U_i 為校驗(yàn)儀電壓測量量程; I_i 為校驗(yàn)儀電流測量量程; f 為標(biāo)準(zhǔn)電能脈沖頻率 60 kHz(高頻) 或 6 Hz(低頻) 。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

現(xiàn)階段直流大電壓測量精度一般可達(dá)到 0.02% 技術(shù)水平。直流大電流測量精度一般為千分之幾。大電流測量方法包括四線電阻法、直流互感器、直流比較儀、霍爾效應(yīng)傳感器法等。四端電阻法、霍爾效應(yīng)傳感器法、直流互感器測量精度一般在 0.2% ～0.5% 達(dá)不到檢定要求，比較儀測量可達(dá)到 5 ppm /年的精度。本文中采用磁調(diào)制比較儀“掛”在充電機(jī)和負(fù)載間測量直流電流且無需換擋，抗電流沖擊能力強(qiáng)，可靠性高。

直流大電流經(jīng)過磁調(diào)制比較儀后轉(zhuǎn)換為小電流經(jīng)過 Ｒ 進(jìn)行差分采樣輸出直流小電壓至程控放大器，進(jìn)行信號放大 再經(jīng) 24 位 AD 采樣芯片和電氣隔離輸送至 FPGA 進(jìn)行數(shù)字處理^［6］進(jìn)而測量得到充電機(jī)電流。大電流測量模擬部分如圖 2 所示。

而磁調(diào)制比較儀準(zhǔn)確性決定了電流測量的精度，其誤差主要包括磁性誤差和容性誤差。由于充電機(jī)戶外集中建站，存在大量的電磁干擾源，對比較儀抗電磁干擾能力是一個很大的挑戰(zhàn)。本文中采用雙層屏蔽技術(shù)，主屏蔽采用高磁通密度材料( FeSiAl) ，內(nèi)屏蔽采用高磁導(dǎo)率材料( 坡莫合金) 進(jìn)行屏蔽。先將比較儀鐵芯安裝在坡莫合金屏蔽盒中進(jìn)行單獨(dú)屏蔽后，再將內(nèi)屏蔽盒和測試電路放置在主屏蔽盒內(nèi)( 見圖 3) ，可將誤差減小至 1 × 10^-8 。容性誤差是由于繞組線匝之間、繞組與繞組之間以及繞組對地之間存在寄生電容和電位差使得它們之間產(chǎn)生相應(yīng)的漏電流，可以采用靜電屏蔽減小誤差^[5-6]。

考慮到系統(tǒng)的實(shí)時性強(qiáng)采用架構(gòu) 32 位嵌入式微處理器和 FPGA 加外圍設(shè)計(jì)電路搭建的平臺進(jìn)行開發(fā)，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)^[7]如圖 4 所示。

2.1 電源模塊

電源模塊采用線性電源分別為數(shù)字部分和模擬部分供電，數(shù)字部分和模擬部分進(jìn)行光耦隔離。模擬部分中電壓和電流測量供電部分也相互隔離，減少系統(tǒng)之間各部分相互干擾，保證系統(tǒng)的高穩(wěn)定性和精度。

2.2 數(shù)字部分

系統(tǒng)采用 32 位具有新架構(gòu)的微處理器，具有*的處理能力及豐富的接口，內(nèi)置實(shí)時操作系統(tǒng)。微處理器有 3 個獨(dú)立的 USART 接口，一個連接 TFT LCD，提供人機(jī)交互界面，工作時顯示出整個系統(tǒng)的運(yùn)行情況并通過 LCD 上的觸摸屏與用戶進(jìn)行實(shí)時交互; 一個通過 RS232 電平轉(zhuǎn)換芯片與上位機(jī)提供連接接口; 1 個 I² C 接口，連接存儲芯片來增加存儲空間; 2 個 SPI 接口，分別同 FPGA 和 DDS 進(jìn)行通信。 FPGA 實(shí)時測量功率并計(jì)數(shù)標(biāo)準(zhǔn)電能脈沖和被檢電能脈沖，且控制電壓電流量程切換和保護(hù)電路等。DDS 模塊產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)電能脈沖。數(shù)字部分實(shí)現(xiàn)流程如下^［8］:微處理器通過控制引導(dǎo)電路^[9]確認(rèn)連接與電子鎖，識別充電連接裝置載流能力和供電設(shè)備供電功率，監(jiān)測充電過程等。在充電時，FPGA 實(shí)時測量充電機(jī)功率，將測量值傳遞至微處理器。微處理器根據(jù)《電動汽車非車載充電機(jī)檢定規(guī)程》的相關(guān)規(guī)定，將直流功率計(jì)算出校驗(yàn)儀的電能脈沖，再由 DDS 模塊( 直接數(shù)字式頻率合成)產(chǎn)生并輸入至 FPGA。每個電壓和電流當(dāng)前量程的滿量程值對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電能脈沖為 60 kHz( 高頻) 或 6 Hz( 低頻) 。測量開始后，在檢測到充電機(jī)個電能脈沖開始計(jì)時并計(jì)數(shù)校驗(yàn)儀電能脈沖，當(dāng)充電時間達(dá)到 T 后結(jié)束計(jì)數(shù)。FPGA 將測量的標(biāo)準(zhǔn)脈沖數(shù)發(fā)至微處理器，由微處理器計(jì)算電能誤差并顯示。

2.3 模擬部分

系統(tǒng)實(shí)時測量充電機(jī)電流和電壓并有可靠的保護(hù)控制電路模擬部分。保護(hù)電路: 保護(hù)系統(tǒng)，當(dāng)充電機(jī)產(chǎn)生的大電流和電壓超過系統(tǒng)所能承受的范圍時，產(chǎn)生報(bào)警信號通過微處理器控制蜂鳴器給用戶發(fā)出報(bào)警，并自動斷開測試回路; 直流比較儀: 將充電機(jī)產(chǎn)生的大電流按一定比例轉(zhuǎn)換成小電流進(jìn)行測試，測量 300 A，轉(zhuǎn)換比例 300 A /1 V; 分壓器: 將充電機(jī)兩端的大電壓轉(zhuǎn)換為小電壓進(jìn)行測試測量 1 000 V，轉(zhuǎn)換比例 1 000 /1; 差分采樣: 與精密電阻 R 一起將小電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號; 信號調(diào)理: 將兩路電壓進(jìn)行信號調(diào)理; ADC 轉(zhuǎn)換器: 將兩路電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號通過隔離送到 FPGA，校驗(yàn)儀采用溫漂系數(shù)為 0.5 ppm / 的 Ref，0.05 ppm / 的 ADC，以保證溫差較大時設(shè)備的長期穩(wěn)定性。

2.4 電子負(fù)載

由于電動汽車蓄電池為容性負(fù)荷在充電過程中易產(chǎn)生諧波對電網(wǎng)造成污染，文中選用線性電阻箱作為電子負(fù)載進(jìn)行檢定?，F(xiàn)場校驗(yàn)儀通過 CAN-BUS 總線控制輸出功率負(fù)載如 300 kW、150 kW、30 kW(10% I_max ) 進(jìn)行測試。

3. 軟件設(shè)計(jì)

軟件基于 LabVIEW 編寫。本文詳細(xì)介紹電能誤差實(shí)現(xiàn)算法、協(xié)議一致性測試、人機(jī)交互界面單元 ^[10]。

3.1 電能計(jì)量算法實(shí)現(xiàn)

檢定系統(tǒng)通過高速 AD 通道采集兩路電壓 u₁ ( n) 、u₂ ( n) 。充電樁輸出的電壓 u( n) 、電流 i( n) 滿足關(guān)系式( 5) 、式( 6) :

協(xié)議一致性測試是檢測充電樁是否按規(guī)程 GB /T 27930-2015 《電動汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》制造，對充電機(jī)的整個充電流程進(jìn)行檢測檢定流程見圖 6。

人機(jī)交互單元操作界面及數(shù)據(jù)顯示見圖 7，設(shè)計(jì)界面主要包括檢定項(xiàng)目、檢定結(jié)果顯示、充電機(jī)狀態(tài)顯示。在測試過程實(shí)時顯示測試結(jié)果及充電機(jī)當(dāng)前狀態(tài)，在突發(fā)情況下自動斷開測試并報(bào)警安全可靠。測試結(jié)束后數(shù)據(jù)自動導(dǎo)出至 EXCEL 文件。

如圖 8 所示，這套系統(tǒng)檢定電動汽車一體式整車。直流充電機(jī)的參數(shù)為: (1) 電 源 類 型: TN-S; 執(zhí) 行 標(biāo) 準(zhǔn): NBT 33001-2010; (2) 輸出電壓: DC 500 V; 輸出電流: DC 120 A; (3) 測試環(huán)境: 溫度: 40 ; 濕度: 93% 。

從上表數(shù)據(jù)分析可知，充電機(jī)測量的電能值較現(xiàn)場校驗(yàn)儀測量值均偏大，特別是在小功率輸出時電能誤差。原因是充電機(jī)計(jì)費(fèi)單元安裝在交流側(cè)而非直流側(cè)，將充電機(jī)的本身的電能損耗算在了用戶側(cè)，增加用戶充電費(fèi)用，不利于公平結(jié)算。在小功率輸出時，充電機(jī)效率低，損耗大導(dǎo)致測量的誤差大。充電機(jī)電能計(jì)量單元應(yīng)放置在圖 9 所示的直流電能計(jì)量位置測試，才能建立一個公正的電能計(jì)量的系統(tǒng)對電動汽車的推廣具有積極作用^[10]。

提出的 300 kW 非車載電動汽車充電機(jī)檢定系統(tǒng)，檢定范圍基本覆蓋了當(dāng)前市面的所有大功率充電機(jī)。文章對當(dāng)前主流的充電機(jī)計(jì)量公平性提出了可行性建議，為突破大功率充電機(jī)關(guān)鍵技術(shù)提供了技術(shù)手段。該檢定系統(tǒng)的應(yīng)用為電動汽車充電設(shè)備的檢定、電能量值傳遞體系的建立提供依據(jù)，保障了貿(mào)易結(jié)算的公正，推動了新能源電動汽車的發(fā)展。

參 考 文 獻(xiàn)

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