300 kW非車載充電機現場檢定系統(tǒng)的設計

郭曉丹，李曉輝，李磊，梁彬，趙慶來，鄧文

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

0 引 言

隨著世界產業(yè)轉型升級，新能源電動汽車成為了世界關注的焦點。各國推廣新能源汽車和加強充電基礎設施建設，以應對氣候變化，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人群［1-2］。隨之而來的技術瓶頸亟待突破如大倍率充電（50 kW）相關的關鍵技術：充電機（樁）計量檢定、新型鋰電池技術、供能系統(tǒng)等。其中，消費者對于充電機（樁）計費準確性尤其關注。

目前，IEC和ISO都在加速制定充電基礎設施方面的國際標準，但是由于各國的電力基礎不一樣，所以各國所應用的標準也不同，充電樁檢定方案無法統(tǒng)一。而在國內的電動汽車電能計量標準并不完善，尤其在實負荷電能計量方面幾乎是空白。充電機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大的困難。若將充電機內置的計量單元取出送往實驗室檢定，又無法模擬外部環(huán)境以及實負荷測量對充電機電能計量的影響。

因此，充電機現場檢定變得尤其重要，同時這對現場校驗系統(tǒng)提出了更高技術要求：連接電網進行實負荷測試時，校驗儀的電流回路中不能出現瞬時斷路（如保護、一次換檔等引起），同時儀器應具有強大的抗電流沖擊能力；充電樁戶外集中建站對設備的抗電磁干擾、適應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現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（樁）簡稱充電機。

1 充電機現場檢定系統(tǒng)原理

在充電機、現場校驗儀和電子負載握手成功后，電網交流量經過充電機的AC/DC、DC/DC、濾波等處理后輸出直流高電壓和大電流至現場校驗儀再連接電子負載形成一個檢測回路，如圖1所示。

圖1 檢定系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principe block diagram of verification system

校驗儀使用V/V轉換器和I/V轉換器實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)送至電能計量模塊，同時采集充電機電能脈沖數計算電能誤差［3］。

1.1 電能誤差計算

在計時時間T內，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P為校驗儀測量功率值，W；E為校驗儀測量電能值，Ws；kI為電流采樣值與實際值間的轉換系數，其大小由電流通道的硬件參數決定；kU為電壓采樣值與實際值間的轉換系數，其大小由電壓通道的硬件參數決定；T為選定的測量時間，s；N為AD對充電機輸出的電壓和電流采樣的次數；n為采樣序號。

式中m為實測脈沖數；m0為算定的脈沖數；C為校驗儀電能脈沖常數，imp/kWh；其值隨著電壓電流量程改變而改變。Ui為校驗儀電壓測量量程；Ii為校驗儀電流測量量程；f為標準電能脈沖頻率60 kHz（高頻）或6 Hz（低頻）。

1.2 關鍵技術

現階段直流大電壓測量精度一般可達到0.02%技術水平。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、霍爾效應傳感器法等。四端電阻法、霍爾效應傳感器法、直流互感器測量精度一般在0.2%～0.5%達不到檢定要求，比較儀測量可達到5 ppm/年的精度。本文中采用磁調制比較儀“掛”在充電機和負載間測量直流電流且無需換擋，抗電流沖擊能力強，可靠性高。

直流大電流經過磁調制比較儀后轉換為小電流經過R進行差分采樣輸出直流小電壓至程控放大器進行信號放大，再經24位AD采樣芯片和電氣隔離輸送至FPGA進行數字處理［6］進而測量得到充電機電流。大電流測量模擬部分如圖2所示。

圖2 大電流測量電路Fig.2 Measurement circuit for large current

而磁調制比較儀準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，主屏蔽采用高磁通密度材料（FeSiAl），內屏蔽采用高磁導率材料（坡莫合金）進行屏蔽。先將比較儀鐵芯安裝在坡莫合金屏蔽盒中進行單獨屏蔽后，再將內屏蔽盒和測試電路放置在主屏蔽盒內（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生相應的漏電流，可以采用靜電屏蔽減小誤差［5-6］。

圖3 比較儀屏蔽盒Fig.3 DC comparator shielding box

2 硬件設計

考慮到系統(tǒng)的實時性強采用最新架構32位嵌入式微處理器和FPGA加外圍設計電路搭建的平臺進行開發(fā)，系統(tǒng)硬件結構［7］如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件結構框圖Fig.4 Hardware structure block diagram of system

2.1 電源模塊

電源模塊采用線性電源分別為數字部分和模擬部分供電，數字部分和模擬部分進行光耦隔離。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 數字部分

系統(tǒng)采用32位具有新架構的微處理器，具有強大的處理能力及豐富的接口，內置實時操作系統(tǒng)。微處理器有3個獨立的USART接口，一個連接 TFT LCD，提供人機交互界面，工作時顯示出整個系統(tǒng)的運行情況并通過LCD上的觸摸屏與用戶進行實時交互；一個通過RS232電平轉換芯片與上位機提供連接接口；1個I2C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進行通信。FPGA實時測量功率并計數標準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電路等。DDS模塊產生標準電能脈沖。

數字部分實現流程如下［8］：微處理器通過控制引導電路［9］確認連接與電子鎖，識別充電連接裝置載流能力和供電設備供電功率，監(jiān)測充電過程等。在充電時，FPGA實時測量充電機功率，將測量值傳遞至微處理器。微處理器根據《電動汽車非車載充電機檢定規(guī)程》的相關規(guī)定，將直流功率計算出校驗儀的電能脈沖，再由DDS模塊（直接數字式頻率合成）產生并輸入至FPGA。每個電壓和電流當前量程的滿量程值對應的標準電能脈沖為60 kHz（高頻）或6 Hz（低頻）。測量開始后，在檢測到充電機第一個電能脈沖開始計時并計數校驗儀電能脈沖，當充電時間達到T后結束計數。FPGA將測量的標準脈沖數發(fā)至微處理器，由微處理器計算電能誤差并顯示。

2.3 模擬部分

系統(tǒng)實時測量充電機電流和電壓并有可靠的保護控制電路模擬部分。保護電路：保護系統(tǒng)，當充電機產生的大電流和電壓超過系統(tǒng)所能承受的范圍時，產生報警信號通過微處理器控制蜂鳴器給用戶發(fā)出報警，并自動斷開測試回路；直流比較儀：將充電機產生的大電流按一定比例轉換成小電流進行測試，最大測量300 A，轉換比例300 A/1 V；分壓器：將充電機兩端的大電壓轉換為小電壓進行測試最大測量1 000 V，轉換比例1 000/1；差分采樣：與精密電阻R一起將小電流信號轉換成電壓信號；信號調理：將兩路電壓進行信號調理；ADC轉換器：將兩路電壓信號轉換成數字信號通過隔離送到FPGA，校驗儀采用溫漂系數為 0.5 ppm/℃的 Ref，0.05 ppm/℃的 ADC，以保證溫差較大時設備的長期穩(wěn)定性。

2.4 電子負載

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

3 軟件設計

軟件基于LabVIEW編寫。本文詳細介紹電能誤差實現算法、協(xié)議一致性測試、人機交互界面單元［10］。

3.1 電能計量算法實現

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）滿足關系式（5）、式（6）：

式中 u1（n）為電壓通道AD采樣的電壓值；u（n）為充電機輸出電壓值；kU的值為1 000。

式中 u2（n）為電流通道AD采樣的電壓值；i（n）為充電機輸出電流；kI的值為300。

檢定程序邏輯圖如圖5所示，將測量的u（n）和i（n）代入式（2）中得到電能 E，根據 u（n）和 i（n）設置電壓和電流量程計算C，將C、E代入式（1）算出m0，將測量的m和m0代入式（4）計算電能誤差。除此之外系統(tǒng)對回路電壓和電流進行FFT分析，測量回路電流和電壓的紋波含量［8］。

圖5 檢定程序邏輯圖Fig.5 Logic diagram of verification program

3.2 協(xié)議一致性測試

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

3.3 人機交互界面

人機交互單元操作界面及數據顯示見圖7，設計界面主要包括檢定項目、檢定結果顯示、充電機狀態(tài)顯示。在測試過程實時顯示測試結果及充電機當前狀態(tài)，在突發(fā)情況下自動斷開測試并報警安全可靠。測試結束后數據自動導出至EXCEL文件。

圖6 協(xié)議一致性測試流程Fig.6 Protocol conformance test process

圖7 人機交互界面Fig.7 Human-computer interface

4 檢定系統(tǒng)的應用

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的參數為：

（1） 電 源 類 型：TN-S；執(zhí) 行 標 準：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%。測試數據見表1所示。

圖8 現場檢圖Fig.8 On-site verification diagram

表1 充電機電能誤差Tab.1 Energy error of off-board charger

從上表數據分析可知，充電機測量的電能值較現場校驗儀測量值均偏大，特別是在小功率輸出時電能誤差最大。原因是充電機計費單元安裝在交流側而非直流側，將充電機的本身的電能損耗算在了用戶側，增加用戶充電費用，不利于公平結算。在小功率輸出時，充電機效率低，損耗大導致測量的誤差大。充電機電能計量單元應放置在圖9所示的直流電能計量位置測試，才能建立一個公正的電能計量的系統(tǒng)，對電動汽車的推廣具有積極作用［10］。

圖9 充電機交直流電能計量對比Fig.9 AC-DC energymeasurement comparison of charger

5 結束語

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