郭曉丹¹ ，劉小琛¹ ，鄒 琪¹，劉洋洋¹，楊 光¹，陳 蘭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(dòng)汽車的推廣，與之配套的電動(dòng)汽車充電樁設(shè)施不斷*。根據(jù)交流電能表特點(diǎn)研制了一套改進(jìn)瓦秒法的電動(dòng)汽車交流充電樁檢定系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)軟件遠(yuǎn)程控制電動(dòng)汽車充電樁測試儀進(jìn)行交流電能檢測，為電動(dòng)汽車充電樁交流電能計(jì)量量值傳遞和檢測提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車充電樁；交流電能檢定；現(xiàn)場檢測；瓦秒法；脈沖法

1. 引言

隨著國家對(duì)新能源產(chǎn)業(yè)的大力扶持，中國電動(dòng)車行業(yè)蓬勃興起，也給作為電動(dòng)汽車能源保障的電動(dòng)汽車充電站行業(yè)帶來了巨大的商機(jī)和廣闊的市場。電動(dòng)汽車充電站的核心設(shè)備（即電動(dòng)汽車充電樁）作為貿(mào)易結(jié)算的計(jì)量器具，按計(jì)量法規(guī)定應(yīng)由政府計(jì)量行政主管部門實(shí)行檢定，以保證其計(jì)量的準(zhǔn)確性^[1]。

電動(dòng)汽車充電樁有直流充電樁、交流充電樁和交直流一體式充電樁，直流充電樁主要用于給大中型電動(dòng)汽車（如電動(dòng)公交）充電，適用于充電站、企業(yè)專用停車場，充電速度快，占地面積較大。交流充電樁主要用于給小型電動(dòng)汽車充電，占地面積較小，安裝方便，可以設(shè)置在公共停車場、住宅小區(qū)停車場、購物廣場及便于電動(dòng)汽車?？康牡攸c(diǎn)。

交流充電樁的電能計(jì)量準(zhǔn)確度等級(jí)一般為 1.0 水平量級(jí)，所以研制一套準(zhǔn)確度等級(jí)為 0.05 級(jí) 的電能計(jì)量檢定系統(tǒng)，就能對(duì)其進(jìn)行檢定^[2]。本文提出一種三相全自動(dòng)交流充電樁檢定系統(tǒng)，為現(xiàn)場檢測電動(dòng)汽車交流充電樁提供檢定器具，也為制定電動(dòng)汽車充電站電能計(jì)量檢測規(guī)范提供了依據(jù)。

2 檢定系統(tǒng)

2.1 檢定系統(tǒng)的構(gòu)成

交流充電樁檢定系統(tǒng)由電動(dòng)汽車供電設(shè)備和電動(dòng)汽車檢定裝置構(gòu)成，如圖1^[3-5]所示。

圖1 交流充電樁檢定系統(tǒng)框圖

其中電動(dòng)汽車供電設(shè)備是被檢裝置，在本文中為交流充電樁。檢定裝置主要由電動(dòng)汽車充電樁測試儀和功率負(fù)載組成，圖中功率負(fù)載即電動(dòng)汽車，它也可采用電子負(fù)載或者實(shí)物負(fù)載，如果采用電子負(fù)載或者實(shí)物負(fù)載作為功率負(fù)載，負(fù)載的阻抗和功率應(yīng)能連續(xù)調(diào)節(jié)，以便模擬充電全過程。電動(dòng)汽車供電設(shè)備和電動(dòng)汽車充電樁測試儀使用外部電源分別供電，兩者通過一根雙交流充電插頭電纜線連接，電動(dòng)汽車充電樁測試儀可通過 RS232 串口線與計(jì)算機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)檢定數(shù)據(jù)保存、檢定報(bào)告打印等功能。

2.2 檢定原理

電動(dòng)汽車充電樁測試儀最主要的檢定項(xiàng)目是檢定電能的工作誤差，通過比較測試儀與被檢充電樁同時(shí)測定的電能值來確定被檢充電樁的電能誤差。

根據(jù)測試儀測量的電量不同，檢定方法有瓦秒法和測脈沖法。瓦秒法是用標(biāo)準(zhǔn)功率表測定恒定功率，同時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)測時(shí)器測量充電樁在恒定功率下累計(jì)電能所需時(shí)間，該時(shí)間與恒定功率的乘積即實(shí)際電能，與充電樁顯示的電能相比較來確定充電樁的電能計(jì)量誤差，本文介紹的測試儀集成了標(biāo)準(zhǔn)功率表和標(biāo)準(zhǔn)測時(shí)器的功能。脈沖法是通過測試儀測量充電樁的電能轉(zhuǎn)化為脈沖，與同段時(shí)間內(nèi)在交流充電樁上讀取的光脈沖或電脈沖輸出比較來確定充電樁的電能誤差^[6-9]。

瓦秒法要求恒定的功率值，而且需要測量事先設(shè)定的電能值，中間不能間斷。脈沖法可以在充電樁運(yùn)行中測量任何時(shí)間段內(nèi)的電能誤差，但是需要打開充電樁的外殼^[10]才能讀取充電樁內(nèi)置電能表的光脈沖或電脈沖，操作不便捷。

（1）瓦秒法電能誤差測量原理

誤差按式（1）計(jì)算

式中，t為測定的累計(jì)設(shè)定電能的時(shí)間，s；W₀為充電樁設(shè)定的電能，kW·h；P為測定的功率值，W。

（2）脈沖法電能誤差測量原理

讓被檢表轉(zhuǎn)N轉(zhuǎn)，測試儀測出此時(shí)的脈沖數(shù)m，與被檢表算定脈沖數(shù) m₀ 進(jìn)行對(duì)比，得出電能相對(duì)誤差，即

式中，m為實(shí)測脈沖數(shù)；m0為算定脈沖數(shù)，按式（3）計(jì)算為

式中，C₀ 為測試儀的脈沖常數(shù)，imp/(kW·h)；C_L 為被檢充電樁脈沖常數(shù)，imp/(kW·h)；N為被檢充電樁轉(zhuǎn)的圈數(shù)。

2.3 電動(dòng)汽車充電樁測試儀

電動(dòng)汽車充電樁測試儀原理框圖如圖 2 所示。本項(xiàng)目研制的電動(dòng)汽車充電樁測試儀主要由微處理器、數(shù)字及人機(jī)交互單元、電源模塊、信號(hào)發(fā)生單元、功率測量單元及電能誤差測量單元等模塊組成。

微處理器（CPU）采用STM32系列，基于專為要求高性能、低功耗的嵌入式應(yīng)用專門設(shè)計(jì)的 ARM Cortex－M3 內(nèi)核，是 32 位市場上功耗的產(chǎn)品。功率測量單元是該裝置核心模塊，它關(guān)系裝置計(jì)量準(zhǔn)確度，測量單元包括電壓測量和電流測量六路獨(dú)立測量回路，完成對(duì)交流電量值的測量運(yùn)算功能。其中電壓測量由電壓取樣電路、抗混疊濾波電路、A－D 轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號(hào)處理和運(yùn)算單元等組成。電流測量回路與電壓測量回路類似，只是電壓取樣采用電阻取樣，而電流取樣采用互感器取樣。該裝置可通過 CPU 控制 DDS 可編程序脈沖輸出模塊，輸出標(biāo)準(zhǔn)電能脈沖。裝置內(nèi)置測溫電路，可接收功率負(fù)載的溫度信號(hào)，實(shí)時(shí)監(jiān)控功率負(fù)載的溫度，防止功率負(fù)載過熱損壞。電動(dòng)汽車充電樁測試儀配有相應(yīng)的計(jì)算機(jī)軟件，方便測試數(shù)據(jù)保存、測試報(bào)告打印等。客戶通過軟件界面設(shè)定檢定點(diǎn)，計(jì)算機(jī)通過 RS 232 串口線傳遞命令至微處理器，微處理器計(jì)算需要選定的電壓、電流量程，控制被檢充電樁起動(dòng)電能輸出并計(jì)時(shí)。采用 20 位 A－D 采集電壓取樣電路和電流取樣電路的模擬量，并將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理和運(yùn)算。電能誤差計(jì)算模塊比較被檢表電能和測試儀測量的電能進(jìn)行電能誤差計(jì)算，并傳遞數(shù)據(jù)值至顯示模塊和計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行顯示。當(dāng)采用脈沖法計(jì)算誤差時(shí)，系統(tǒng)通過 DDS 可編程序脈沖輸出模塊對(duì)基準(zhǔn)頻率進(jìn)行分頻，將功率值轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)電能脈沖輸出。與輸入的被檢表電能脈沖傳輸至 FPGA，進(jìn)行電能脈沖計(jì)數(shù)，然后進(jìn)入 CPU，通過其中的電能誤差計(jì)算模塊完成電能誤差測量。

圖2 電動(dòng)汽車充電樁測試儀原理框圖

3. 技術(shù)難點(diǎn)及解決方案

由于被檢充電樁的電能表是內(nèi)置在設(shè)備內(nèi)部，采集電能脈沖必須打開充電樁外殼，操作不便捷，所以實(shí)際檢測時(shí)基本都是采用瓦秒法。本裝置主要用于現(xiàn)場檢測， 采用的實(shí)負(fù)載法，現(xiàn)場檢測時(shí)直接接入電網(wǎng)電壓，所以在充電過程中，充電樁的功率并非恒定，而是隨時(shí)間變化有一定的波動(dòng)，所以通過測試儀測量充電樁的實(shí)時(shí)電壓、電流和充電時(shí)間，電壓和電流的乘積即為功率，功率在該充電時(shí)間內(nèi)的積分即為實(shí)際電能，再與充電樁顯示的電能值比較來確定充電樁的電能誤差。充電樁的實(shí)測電能可按下式計(jì)算

這種改進(jìn)的瓦秒法使測量的電能更接近被檢充電樁實(shí)際輸出電能，提高了測量準(zhǔn)確性。而且對(duì)電源穩(wěn)定度要求較低，即不要求嚴(yán)格的恒定功率，只需要充電樁預(yù)先設(shè)定電能值即可，其準(zhǔn)確度主要取決于測試儀。

4. 檢定系統(tǒng)的應(yīng)用

天津電科院使用本檢定系統(tǒng)對(duì)某公司準(zhǔn)確度為1級(jí)的電動(dòng)汽車充電樁進(jìn)行檢測。

充電樁參數(shù)：輸出電壓 AC 220 V；輸出電流為16 A。

測試用線為 16 A 電動(dòng)汽車交流雙插頭線， 3 m。

測試方法：充電樁輸出用 16 A 電動(dòng)汽車交流雙插頭線直連本電動(dòng)汽車充電樁測試儀，本電動(dòng)汽車充電樁測試儀的負(fù)載或車輛端用 16 A 電動(dòng)汽車交流雙插頭線連接可調(diào)節(jié)交流阻性負(fù)載。檢定時(shí)電壓為交流樁的輸出電壓 220 V，電流檢測點(diǎn)為 Ib， 0.5Ib；

根據(jù)規(guī)程 JJG 596—2012《電子式交流電能表》，電能誤差檢定結(jié)果如下表所示。在被檢量程范圍內(nèi)，充電樁的電能計(jì)量準(zhǔn)確度均滿足 1級(jí)電能表的準(zhǔn)確度要求。

表1電動(dòng)汽車充電樁測試數(shù)據(jù)

注：電費(fèi)單價(jià)1.66元/kW·h。

5. 結(jié)束語

本文提出的電動(dòng)汽車充電樁檢定系統(tǒng)，準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)到0.05級(jí)，可用于交流充電樁或交流電能表的檢定和校準(zhǔn)。本檢定系統(tǒng)各部件相互獨(dú)立，可根據(jù)應(yīng)用于現(xiàn)場檢定或?qū)嶒?yàn)室的不同需求提供不同配置[11]。該產(chǎn)品的應(yīng)用為電動(dòng)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(dòng)了新能源的發(fā)展。

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