直流充電電能計量現(xiàn)場校驗技術(shù)研究

王智，王海元，曾偉杰

(國網(wǎng)湖南省電力有限公司供電服務(wù)中心(計量中心)，湖南 長沙410004)

0 引言

為實現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，電動汽車必將普及應(yīng)用，電動汽車充電樁的建設(shè)已經(jīng)成為新基建的重要內(nèi)容之一[1－3]。根據(jù)中國充電聯(lián)盟統(tǒng)計，截至2021年7月，聯(lián)盟內(nèi)成員單位總計上報公共類充電樁95萬臺，其中直流充電樁38.3萬臺。

隨著電動汽車和充電樁的大規(guī)模普及，其電能計量的準(zhǔn)確性已經(jīng)成為國內(nèi)外關(guān)注的重點[4－6]。目前公共充電樁的發(fā)展趨勢主要以直流充電機的高電壓大電流直流充電為主。根據(jù)頒布的強制檢定計量器具目錄調(diào)整通知，電動汽車充電樁在2023年必須執(zhí)行強制檢定。根據(jù)GB/T 29318—2012《電動汽車非車載充電機電能計量》的規(guī)定，充電機額定電壓為100～750 V，參比電流為10～500 A，準(zhǔn)確度為1級或2級[7－10]。

除電動汽車充電樁外，直流電能計量還在光伏發(fā)電、儲能電站和城市軌道交通等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。但目前并沒有建立起有效的直流電能的量值溯源體系，無法將直流電能量值溯源至國家基準(zhǔn)，不便于準(zhǔn)確計費、結(jié)算，對直流電能相關(guān)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展產(chǎn)生了一定影響[11－15]。

基于此，本文研究直流充電機電能計量現(xiàn)場校驗技術(shù)，分析直流電能計量誤差，提出科學(xué)可行的直流電能計量溯源方案，為確保直流計量的準(zhǔn)確性提供重要支撐。

1 直流充電設(shè)備原理

直流充電機是為電動汽車動力蓄電池進行直流充電的專用設(shè)備，一般集成在直流充電樁內(nèi)。充電樁內(nèi)部主要包含有充電功能模塊、刷卡模塊、計量模塊、觸摸屏模塊、藍(lán)牙模塊、其他網(wǎng)絡(luò)功能模塊等，其原理如圖1所示。

圖1 直流充電樁原理

其中計量模塊是為了保證用電量計算的準(zhǔn)確以及經(jīng)費結(jié)算的公平公正，交流充電樁由于功率低、結(jié)構(gòu)簡單，通常采用交流電能表作為計量模塊標(biāo)準(zhǔn)器。直流充電樁內(nèi)的計量模塊則更復(fù)雜，圖2為典型直流充電機原理圖。

圖2 典型直流充電機原理

由圖2可知，直流充電機通過整流單元將交流電轉(zhuǎn)換為大功率直流電給電動汽車進行大功率快充，其內(nèi)部關(guān)鍵計量模塊由直流電能表和直流分流器組成，通過直流分流器將大電流信號轉(zhuǎn)換為小電壓信號，再利用直流電能表進行電能測量。

2 直流充電機現(xiàn)場校驗技術(shù)

直流充電機校驗儀是專用于電動汽車非車載充電機等直流充電設(shè)施校驗的設(shè)備，可對非車載充電機的電能量、時間量及其電流、電壓等參數(shù)進行檢定。直流充電機現(xiàn)場校驗原理如圖3所示，現(xiàn)場校驗儀主要由控制單元、控制引導(dǎo)單元(非必要項)、充電槍口、負(fù)載接口、直流標(biāo)準(zhǔn)(含監(jiān)視單元)、時鐘單元(非必要項)和顯示單元組成。

圖3 直流充電機現(xiàn)場校驗工作原理

校驗儀通過控制引導(dǎo)單元模擬電動汽車充電需求，通過負(fù)載接口連接模擬負(fù)載，以模擬電動汽車電池實現(xiàn)充電需求，與此同時監(jiān)視單元測量電壓電流等參數(shù)，直流標(biāo)準(zhǔn)完成電能計量和誤差測試。直流充電機校驗儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 直流充電機校驗儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)

直流充電機校驗儀內(nèi)置電能計算模塊可保證測試儀的計量性能，通過V/V和I/V轉(zhuǎn)換器將直流充電電壓電流轉(zhuǎn)換成2路獨立的小電壓信號，并送入電能計算模塊，完成電能誤差的計算，并通過與充電機的通信，獲取付費金額等信息，并配合軟件功能實現(xiàn)非車載充電機工作誤差、充電量顯示誤差等功能。

直流充電樁校驗儀配備帶直流充電標(biāo)準(zhǔn)接口的標(biāo)準(zhǔn)表計量模塊轉(zhuǎn)接頭，可將充電機直流充電接口和電動汽車直流負(fù)載相連接，以達(dá)到對直流充電樁的快速現(xiàn)場檢測的目的。

目前市面上流行的直流充電機電流最大僅為300 A，隨著電池和充電插頭的升級，未來會出現(xiàn)480 A、600 A的大電流充電機，充電時間越短，用戶體驗越好，更利于電動汽車行業(yè)的發(fā)展。而在城市軌道交通領(lǐng)域，直流供電電流更可達(dá)數(shù)千安。大電流是未來直流電能發(fā)展趨勢之一，如何測準(zhǔn)百安甚至上千安的大電流也是直流計量檢測領(lǐng)域需要迫切解決的問題。因此，對于直流充電樁及量值溯源需要測量儀器(充電樁校驗儀)一般至少滿足0.05級以及高達(dá)1 150 V的電壓測量和300 A的電流測量能力，未來還需要有600 A甚至以上的電流測量能力。

3 直流電能計量溯源與誤差分析

3.1 直流電能量值溯源方案

對于直流充電樁內(nèi)部關(guān)鍵計量器具的量值溯源，需要逐級比對，溯源至國家基準(zhǔn)。針對這個迫切需求，本文提出的直流電能量值溯源方案如圖5所示。

圖5 直流電能量值溯源方案

參見圖5，0.05級直流充電樁校驗儀通過比較法或瓦秒法對直流充電樁進行現(xiàn)場整體校驗。直流充電樁的關(guān)鍵計量器具(直流電能表、分流器)的計量檢定可通過0.05級直流電能表檢定裝置在實驗室完成。0.05級直流充電樁校驗儀與0.05級直流電能表檢定裝置可向上溯源至0.01級直流標(biāo)準(zhǔn)電能表。0.01級直流標(biāo)準(zhǔn)電能表通過8位半數(shù)字表和頻率計分別溯源至電流、電壓和頻率國家基準(zhǔn)。

3.2 直流標(biāo)準(zhǔn)電能表原理

0.01 級直流標(biāo)準(zhǔn)電能表一般能夠?qū)崿F(xiàn)寬頻交流紋波和精密直流測量，其原理如圖6所示。

圖6 直流標(biāo)準(zhǔn)電能表原理

直流大電流經(jīng)寬頻直流比較儀，將大電流轉(zhuǎn)換成毫安級小電流信號，寬頻電流比較儀可完成I/V變換，將含有復(fù)雜成分的交直流電流變換成電壓信號，電流的直接測量能力達(dá)600 A。小電流信號經(jīng)過信號調(diào)理，傳送至A/D模塊，A/D模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過電氣隔離模塊傳遞給FPGA，F(xiàn)PGA與微處理器進行數(shù)據(jù)處理和顯示。

直流小電流經(jīng)過高精度合金箔四線電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號，此電壓信號經(jīng)過信號調(diào)理，傳送至A/D模塊，A/D模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過電氣隔離模塊傳遞給FPGA，F(xiàn)PGA與微處理器進行數(shù)據(jù)處理和顯示。

電壓的測量則是通過寬頻電壓分壓電路，轉(zhuǎn)換為A/D轉(zhuǎn)換器工作范圍內(nèi)的小電壓信號，在經(jīng)過信號調(diào)理后再傳送至A/D模塊，A/D模塊將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，數(shù)字信號經(jīng)過電氣隔離模塊傳遞給FPGA，F(xiàn)PGA與微處理器進行數(shù)據(jù)處理和顯示。

3.3 直流電能計量誤差分析

在溯源過程中，對于直流標(biāo)準(zhǔn)電能表的電能脈沖輸出，可根據(jù)以下公式計算電能脈沖輸出頻率:

式中，f0為標(biāo)準(zhǔn)裝置的算定電能脈沖；PX為直流標(biāo)準(zhǔn)電能表當(dāng)前測量功率；URG為直流標(biāo)準(zhǔn)電能表當(dāng)前電壓量程；IRG為直流標(biāo)準(zhǔn)電能表當(dāng)前電流量程，k為直流標(biāo)準(zhǔn)電能表的電能脈沖輸出常數(shù)。

通過頻率計測量標(biāo)準(zhǔn)電能表電能脈沖輸出頻率即可對電能脈沖進行校準(zhǔn)。首先讀取標(biāo)準(zhǔn)電能表的測量功率PX，并使用頻率計測量標(biāo)準(zhǔn)電能表發(fā)出的脈沖頻率，測得其頻率為f1，被檢標(biāo)準(zhǔn)電能表電能脈沖相對誤差為:

對某直流充電機進行校驗，其額定電壓為直流200～750 V，額定電流為直流0～250 A。在直流電壓200 V、電流100 A時的充電機工作誤差的平均值為0.319%，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.049%，滿足準(zhǔn)確度要求。施加最大負(fù)載運行時的誤差見表1。

表1 施加最大負(fù)載運行時的誤差結(jié)果

實驗結(jié)果表明，本文提出的直流充電電能計量現(xiàn)場校驗與誤差分析方法可行、有效。

4 結(jié)語

針對充電機直流電能計量準(zhǔn)確性問題，研究直流充電機電能計量現(xiàn)場校驗技術(shù)，提出直流電能計量溯源方案，分析現(xiàn)場校驗誤差，該技術(shù)對直流計量裝置現(xiàn)場校驗的便利性和準(zhǔn)確性有重要參考價值。