電動(dòng)汽車充電樁電能計(jì)量中的問題分析 Analysis on Problems in Electric Energy Measurement of Electric Vehicle Charging Pile

張相杰 ZHANG Xiang-jie 呂巖 LV Yan 王洪巖 WANG Hong-yan

摘要： 電動(dòng)汽車在當(dāng)前的汽車市場有著極好的前景，因?yàn)檫@種交通工具能夠滿足人們低碳出行的需求，有助于實(shí)現(xiàn)構(gòu)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)。本文主要圍繞電動(dòng)汽車所用的充電樁在電能計(jì)量方面的問題展開分析，確定電能計(jì)量表可以滿足充電樁所對應(yīng)的計(jì)量要求，保障電能計(jì)量的精準(zhǔn)性，保障充電樁在電動(dòng)汽車充電活動(dòng)中的可用性。

Abstract： Electric vehicles have excellent prospects in the current automobile market， because this transportation can meet people's low-carbon travel needs and help to realize the construction of a resource-saving and environment-friendly society. This paper mainly focuses on the power measurement of charging piles used in electric vehicles， to determine that the electric energy meter can meet the corresponding measurement requirements of charging pile， ensure the precision of power measurement， and ensure the availability of charging pile in the charging activity of electric vehicles.

關(guān)鍵詞： 電動(dòng)汽車;充電樁;電能計(jì)量;問題

Key words： electric vehicles;charging pile;electric energy measurement;problem

中圖分類號：U469.72? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）22-0184-02

0? 引言

當(dāng)前國家提倡低碳經(jīng)濟(jì)發(fā)展理念，各行各業(yè)都在積極利用綠色能源，控制污染物的排放量，汽車制造領(lǐng)域也加大了對新能源汽車的關(guān)注度，新能源汽車數(shù)量持續(xù)增加，與之相關(guān)的充電設(shè)施建設(shè)工作也得到落實(shí)，充分滿足現(xiàn)代人低碳出行的新需求。現(xiàn)針對電動(dòng)汽車使用的充電樁在電能計(jì)量方面的問題展開研究。

1? 電動(dòng)車充電樁概述

充電樁作為電動(dòng)汽車配套設(shè)施在各地的普及率不斷得到提升。充電樁的使用功能接近加油站中設(shè)置的加油機(jī)，可以結(jié)合具體需求將其固定到墻壁或者地面上，一般被安裝到充電站、停車場或者公共建筑附近，利用充電樁可給多種型號且電壓等級不同的電動(dòng)汽車充入其運(yùn)行所需的電能。交流電網(wǎng)與充電樁設(shè)備的輸入端相連，輸入端設(shè)置的充電插頭可在汽車充電過程中發(fā)揮作用。充電樁常用的充電方式包括快速充電與常規(guī)充電，汽車的使用者可通過充電卡實(shí)現(xiàn)刷卡，進(jìn)而使用充電樁，通過人機(jī)操作頁面可設(shè)置充電時(shí)間、選擇充電方式并打印相應(yīng)的費(fèi)用數(shù)據(jù)，顯示屏可全面地呈現(xiàn)出充電時(shí)間、費(fèi)用以及電量等信息。為了保障電能交易以公正公平的方式進(jìn)行，需要給充電樁使用有效的計(jì)量器具，以此準(zhǔn)確地計(jì)量充電樁的電能使用量，當(dāng)前可用的電能表分為直流與交流兩種類型，直流充電機(jī)的功率很大，約為100kW，充電時(shí)間相對比較短，體積偏大;交流充電樁的功率僅為10kW，比直流充電樁要小，需要的充電時(shí)間也更長，但是體積小，不會(huì)過多地占用空間。

2? 電動(dòng)車充電樁中的主要電能計(jì)量問題

2.1 建設(shè)采集負(fù)荷波形所需的環(huán)境

為了確定充電樁在電能計(jì)量方面存在的具體問題，需要先形成符合負(fù)荷波形采集要求的采集條件，需應(yīng)用波形記錄儀，這一設(shè)備的頻率參數(shù)為500kHz，能夠同時(shí)完成電流信號與電壓的雙重采集任務(wù)，可實(shí)現(xiàn)相位同步的使用功能，對電流與電壓各次諧波的相位與幅值進(jìn)行測量，能夠滿足多種測量需求。在現(xiàn)場使用波形記錄儀時(shí)，利用外接入型電壓探頭獲取與采集電壓數(shù)據(jù)，獲取電流數(shù)據(jù)時(shí)需要使用鉗式電流互感器，可選擇使用四相三線的接線方式，來連接各個(gè)電能計(jì)量點(diǎn)。波形記錄儀完成電流、電壓數(shù)據(jù)的采集后，將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為MEM格式進(jìn)行保存，利用設(shè)備軟件即可讀取數(shù)據(jù)，再進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換可將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為TXT格式或者CSV格式，依靠Mataab軟件進(jìn)一步分析數(shù)據(jù)。CSV格式的數(shù)據(jù)讀取速度比較慢，能夠有效顯示的數(shù)據(jù)范圍受限，在105萬點(diǎn)左右，在處理數(shù)據(jù)時(shí)必須對Matlab進(jìn)行導(dǎo)入，難以進(jìn)行編輯且文件容量過大;TXT格式的數(shù)據(jù)讀取速度同樣也比較慢，數(shù)據(jù)處理效率低，一些處理行為難以實(shí)現(xiàn);而Matlab數(shù)據(jù)格式相比另外兩種格式，讀取速度更快，能夠顯示的數(shù)據(jù)量也比較大，容易被便捷，處理數(shù)據(jù)的效率高。

2.2 分析負(fù)荷波形，確定電能計(jì)量問題

選擇直流充電樁，在停機(jī)、充電、啟動(dòng)以及待機(jī)的全過程展開研究工作，針對工頻交流的輸入側(cè)的電流與電壓實(shí)時(shí)形成的波形曲線進(jìn)行采集，同時(shí)采集直流輸出側(cè)的電流與電壓的實(shí)時(shí)波形曲線，再通過專門的軟件分析測量數(shù)據(jù)。對不同時(shí)段的電流與電壓幅值進(jìn)行采集后，即可總結(jié)電流與電壓在充電樁的不同充電階段出現(xiàn)的實(shí)際波動(dòng)情況，計(jì)算32周波與單周波的具體電流幅值與電壓幅值，以此掌握多個(gè)時(shí)段中電流與電壓的具體狀態(tài)，了解諧波含量情況。結(jié)合諧波含量即可確定電能表所處的工作環(huán)境能否實(shí)現(xiàn)靜態(tài)計(jì)量方面的需求。

2.2.1 分析交流輸入側(cè)

在分析負(fù)荷波形的同時(shí)，對電參量的暫態(tài)以及長時(shí)全局細(xì)節(jié)所具有的特征進(jìn)行捕捉，選定32周波與單周波兩種不同形式，在充電狀態(tài)下分析電流幅值與電壓幅值的時(shí)變特性。分析后發(fā)現(xiàn)此狀態(tài)下電壓與電流信號都很穩(wěn)定，當(dāng)設(shè)備處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，產(chǎn)生的電流大約為7A，相對比較小，轉(zhuǎn)換為充電狀態(tài)時(shí)，電流持續(xù)增加，在啟動(dòng)過程中并未產(chǎn)生沖擊現(xiàn)象，完全進(jìn)入充電狀態(tài)后，維持平穩(wěn)運(yùn)行;停止充電行為后，在1到2s的時(shí)間內(nèi)，電流從（97±1）A，降低到7A，仍舊維持平穩(wěn)狀態(tài)。針對每個(gè)周波的電流與電壓展開分析，選擇32周波進(jìn)行平均，電壓總諧波含量是0，最高達(dá)到33%，具體出現(xiàn)在停止與啟動(dòng)時(shí)刻的電流變化點(diǎn)，當(dāng)處于平穩(wěn)狀態(tài)時(shí)，總諧波含量在2%到4%。

2.2.2 分析直流輸入側(cè)

交流輸入側(cè)與直流輸出側(cè)的電流、電壓的波形曲線存在一定的相似性，啟動(dòng)過程中，電流與電壓相對穩(wěn)定，其波形波紋并不大，在3%與0.5之內(nèi)。充電樁的負(fù)荷特性有以下幾種表現(xiàn)：當(dāng)處于充電狀態(tài)時(shí)，負(fù)荷電流形成最大值，在100A左右;停止與啟動(dòng)充電樁時(shí)，交流輸入側(cè)的諧波電流相對比較高，轉(zhuǎn)為充電狀態(tài)時(shí)，電流諧波含量降低到3%左右，相對比較小，整個(gè)過程基本沒有產(chǎn)生電流諧波;當(dāng)充電樁被調(diào)節(jié)成待機(jī)狀態(tài)時(shí)，功率因素極小;處于直流輸出側(cè)時(shí)，整個(gè)過程的諧波含量都比較小，并未形成影響。通過計(jì)量與分析可以確定充電樁的交流特性符合相應(yīng)的電能計(jì)量要求。直流輸出側(cè)運(yùn)行全過程的負(fù)荷波形圖見圖1。

2.3 充電樁電能計(jì)量中的難點(diǎn)

電能計(jì)量的難點(diǎn)體現(xiàn)在技術(shù)與運(yùn)營兩方面，直流充電樁的使用范圍更廣，很難直接忽視諧波帶來的影響，如果直流諧波過大，計(jì)量采集互感器將產(chǎn)生失真的情況;充電樁本身就屬于整體計(jì)量裝置，其功能包括計(jì)費(fèi)、計(jì)量功能;給充電樁應(yīng)用的計(jì)量電表在滿足基本計(jì)費(fèi)計(jì)量功能的同時(shí)，還需實(shí)現(xiàn)有序放電與充電控制的需求，應(yīng)從通訊技術(shù)與應(yīng)用安全方面對其加強(qiáng);從運(yùn)營的角度分析，電動(dòng)汽車?yán)贸潆姌哆M(jìn)行充電時(shí)，與日常的用電場景不同，在計(jì)費(fèi)時(shí)，必須要充分考慮供電公司、售電公司、車主、充電運(yùn)營方與資產(chǎn)方等多個(gè)主體，確保在復(fù)雜的多邊交易場景中能夠最大化利用資源，形成可信交易，兼顧多方利益，科學(xué)計(jì)費(fèi);在資產(chǎn)管理方面，將充電樁認(rèn)定為計(jì)量資產(chǎn)實(shí)施管理，應(yīng)選擇合適的檢定方式，同時(shí)關(guān)注壽命周期管理方面的事項(xiàng)。

3? 充電樁計(jì)量檢定受到的影響

解決充電樁存在的計(jì)量問題時(shí)，可以從檢定環(huán)節(jié)入手，但是要考慮到會(huì)檢定過程與檢定結(jié)果造成影響的因素，盡量減少檢定誤差，更為真實(shí)地反映充電樁的實(shí)際計(jì)量情況。

3.1 檢定方法

檢定充電樁的系統(tǒng)組成部分包括功率負(fù)載、功率源以及標(biāo)準(zhǔn)電能表，聯(lián)系化可調(diào)節(jié)式電子負(fù)載與電動(dòng)汽車，實(shí)現(xiàn)對交流充電的有效模擬。將交流充電槍插入到電動(dòng)汽車上，充電樁借助電池BMS與充電接口實(shí)現(xiàn)握手通信，電池BMS依照充電樁具有的特性與動(dòng)力電池情況將發(fā)電請求發(fā)出，交流式充電樁自動(dòng)調(diào)節(jié)參數(shù)，形成最合適的充電電流。進(jìn)行充電時(shí)，計(jì)量模塊對實(shí)際輸出的電能進(jìn)行計(jì)量，計(jì)量模塊還會(huì)將電池狀態(tài)、充電時(shí)間以及電參數(shù)等信息借助系統(tǒng)的通信模塊向采集交互模塊與計(jì)費(fèi)模塊傳遞，電池被充滿之后，BMS會(huì)通知充電樁將電源切斷，完成一次充電。在充電期間，充電樁產(chǎn)生的輸出參數(shù)會(huì)因時(shí)間變化而產(chǎn)生波動(dòng)。啟動(dòng)充電樁之后與充滿電池之前形成的充電功率并不是恒定的，如果利用瓦秒法進(jìn)行測量，容易產(chǎn)生誤差。充電樁必須連續(xù)地開展數(shù)據(jù)交換、采集以及通訊活動(dòng)，在此過程中會(huì)增加耗電量。如果選擇對電子負(fù)荷進(jìn)行模擬來檢定，當(dāng)發(fā)熱量增加后，阻值將會(huì)降低。因此在這種充電樁應(yīng)用情況下，通過脈沖檢定法能夠形成最佳檢定結(jié)果。

3.2 環(huán)境溫濕度

當(dāng)溫度出現(xiàn)變化后，交流充電樁形成的具體示值誤差也隨之產(chǎn)生變化。在同一個(gè)充電樁中，當(dāng)輸出電流產(chǎn)生變化后，示值誤差并不會(huì)隨之產(chǎn)生變化;當(dāng)濕度變化時(shí)，示值誤差同樣不會(huì)出現(xiàn)明顯變化。交流充電樁中設(shè)置的內(nèi)部元件在所處的環(huán)境出現(xiàn)溫度變化時(shí)，會(huì)出現(xiàn)溫度漂移的情況，金屬膜電阻器、穩(wěn)壓管以及計(jì)量芯片等元器件均存在這種情況;充電樁內(nèi)部產(chǎn)生的晶振頻率屬于溫度敏感量，當(dāng)系統(tǒng)疊加過多誤差后，示值誤差產(chǎn)生波動(dòng)，電壓和電流的累積量構(gòu)成充電電量。當(dāng)形成不同溫度條件后，電流、電壓將產(chǎn)生非線性誤差;環(huán)境濕度變化并不會(huì)給被安裝到充電樁的晶振電路構(gòu)成影響，因此只需要關(guān)注溫度因素，不需要關(guān)注濕度因素。

4? 結(jié)論

直流與交流電表都可以滿足當(dāng)前充電樁的電能計(jì)量應(yīng)用需求，精準(zhǔn)地計(jì)量電能數(shù)值，使電能交易以公正公平的方式展開，進(jìn)而給新基建活動(dòng)提供支持，滿足電動(dòng)汽車的充電需求。電動(dòng)汽車獲得更好的充電條件后，可以被推廣到更多區(qū)域，進(jìn)而推動(dòng)其所在新能源汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，響應(yīng)建設(shè)綠色經(jīng)濟(jì)的號召，滿足現(xiàn)代人低碳出行的環(huán)保需求，減輕汽車行業(yè)給環(huán)境的污染。相關(guān)技術(shù)人員需繼續(xù)優(yōu)化改進(jìn)充電樁，提升充電效率與安全性。

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