郭曉丹，李曉輝，李磊，梁彬，趙慶來，鄧文

（1.國(guó)網(wǎng)天津市電力公司電力科學(xué)研究院，天津300384；2.長(zhǎng)沙天恒測(cè)控技術(shù)有限公司，長(zhǎng)沙410100）

0 引 言

隨著世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，新能源電動(dòng)汽車成為了世界關(guān)注的焦點(diǎn)。各國(guó)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(duì)氣候變化，增加清潔能源使用并減少對(duì)石油的依賴。未來發(fā)展電動(dòng)汽車VEG模式具有很大的市場(chǎng)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(duì)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(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，但是由于各國(guó)的電力基礎(chǔ)不一樣，所以各國(guó)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(guó)內(nèi)的電動(dòng)汽車電能計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)并不完善，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(duì)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(cè)量對(duì)充電機(jī)電能計(jì)量的影響。

因此，充電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)檢定變得尤其重要，同時(shí)這對(duì)現(xiàn)場(chǎng)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(cè)試時(shí)，校驗(yàn)儀的電流回路中不能出現(xiàn)瞬時(shí)斷路（如保護(hù)、一次換檔等引起），同時(shí)儀器應(yīng)具有強(qiáng)大的抗電流沖擊能力；充電樁戶外集中建站對(duì)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(dòng)汽車直流充電樁現(xiàn)場(chǎng)檢定方案很好的解決了這些難題，為大功率電動(dòng)汽車充電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)檢定提供了有效的測(cè)量方案。文中電動(dòng)汽車非車載充電機(jī)（樁）簡(jiǎn)稱充電機(jī)。

1 充電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)檢定系統(tǒng)原理

在充電機(jī)、現(xiàn)場(chǎng)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(chǎng)校驗(yàn)儀再連接電子負(fù)載形成一個(gè)檢測(cè)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(yàn)儀使用V/V轉(zhuǎn)換器和I/V轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)測(cè)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(shí)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(shí)時(shí)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P為校驗(yàn)儀測(cè)量功率值，W；E為校驗(yàn)儀測(cè)量電能值，Ws；kI為電流采樣值與實(shí)際值間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，其大小由電流通道的硬件參數(shù)決定；kU為電壓采樣值與實(shí)際值間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，其大小由電壓通道的硬件參數(shù)決定；T為選定的測(cè)量時(shí)間，s；N為AD對(duì)充電機(jī)輸出的電壓和電流采樣的次數(shù)；n為采樣序號(hào)。

式中m為實(shí)測(cè)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。Ui為校驗(yàn)儀電壓測(cè)量量程；Ii為校驗(yàn)儀電流測(cè)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(cè)量精度一般可達(dá)到0.02%技術(shù)水平。直流大電流測(cè)量精度一般為千分之幾。大電流測(cè)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(cè)量精度一般在0.2%～0.5%達(dá)不到檢定要求，比較儀測(cè)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(cè)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(hào)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(cè)量得到充電機(jī)電流。大電流測(cè)量模擬部分如圖2所示。

圖2 大電流測(cè)量電路Fig.2 Measurement circuit for large current

而磁調(diào)制比較儀準(zhǔn)確性決定了電流測(cè)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(duì)比較儀抗電磁干擾能力是一個(gè)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(cè)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(duì)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］。

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

2 硬件設(shè)計(jì)

考慮到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性強(qiáng)采用最新架構(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(tái)進(jìn)行開發(fā)，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)［7］如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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(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(cè)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，具有強(qiáng)大的處理能力及豐富的接口，內(nèi)置實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。微處理器有3個(gè)獨(dú)立的USART接口，一個(gè)連接 TFT LCD，提供人機(jī)交互界面，工作時(shí)顯示出整個(gè)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(shí)交互；一個(gè)通過RS232電平轉(zhuǎn)換芯片與上位機(jī)提供連接接口；1個(gè)I2C接口，連接存儲(chǔ)芯片來增加存儲(chǔ)空間；2個(gè)SPI接口，分別同F(xiàn)PGA和DDS進(jìn)行通信。FPGA實(shí)時(shí)測(cè)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(shí)別充電連接裝置載流能力和供電設(shè)備供電功率，監(jiān)測(cè)充電過程等。在充電時(shí)，F(xiàn)PGA實(shí)時(shí)測(cè)量充電機(jī)功率，將測(cè)量值傳遞至微處理器。微處理器根據(jù)《電動(dòng)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(gè)電壓和電流當(dāng)前量程的滿量程值對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電能脈沖為60 kHz（高頻）或6 Hz（低頻）。測(cè)量開始后，在檢測(cè)到充電機(jī)第一個(gè)電能脈沖開始計(jì)時(shí)并計(jì)數(shù)校驗(yàn)儀電能脈沖，當(dāng)充電時(shí)間達(dá)到T后結(jié)束計(jì)數(shù)。FPGA將測(cè)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(shí)測(cè)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(shí)，產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)通過微處理器控制蜂鳴器給用戶發(fā)出報(bào)警，并自動(dòng)斷開測(cè)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(cè)試，最大測(cè)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(cè)試最大測(cè)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(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)；信號(hào)調(diào)理：將兩路電壓進(jìn)行信號(hào)調(diào)理；ADC轉(zhuǎn)換器：將兩路電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)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(shí)設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

2.4 電子負(fù)載

由于電動(dòng)汽車蓄電池為容性負(fù)荷在充電過程中易產(chǎn)生諧波對(duì)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(chǎng)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%Imax）進(jìn)行測(cè)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(cè)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）：

式中 u1（n）為電壓通道AD采樣的電壓值；u（n）為充電機(jī)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(jī)輸出電流；kI的值為300。

檢定程序邏輯圖如圖5所示，將測(cè)量的u（n）和i（n）代入式（2）中得到電能 E，根據(jù) u（n）和 i（n）設(shè)置電壓和電流量程計(jì)算C，將C、E代入式（1）算出m0，將測(cè)量的m和m0代入式（4）計(jì)算電能誤差。除此之外系統(tǒng)對(duì)回路電壓和電流進(jìn)行FFT分析，測(cè)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(cè)試

協(xié)議一致性測(cè)試是檢測(cè)充電樁是否完全按規(guī)程GB/T 27930-2015《電動(dòng)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(duì)充電機(jī)的整個(gè)充電流程進(jìn)行檢測(cè)檢定流程見圖6。

3.3 人機(jī)交互界面

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(cè)試過程實(shí)時(shí)顯示測(cè)試結(jié)果及充電機(jī)當(dāng)前狀態(tài)，在突發(fā)情況下自動(dòng)斷開測(cè)試并報(bào)警安全可靠。測(cè)試結(jié)束后數(shù)據(jù)自動(dòng)導(dǎo)出至EXCEL文件。

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

圖7 人機(jī)交互界面Fig.7 Human-computer interface

4 檢定系統(tǒng)的應(yīng)用

如圖8所示，這套系統(tǒng)檢定電動(dòng)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(cè)試環(huán)境：溫度：40℃；濕度：93%。測(cè)試數(shù)據(jù)見表1所示。

圖8 現(xiàn)場(chǎng)檢圖Fig.8 On-site verification diagram

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

從上表數(shù)據(jù)分析可知，充電機(jī)測(cè)量的電能值較現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀測(cè)量值均偏大，特別是在小功率輸出時(shí)電能誤差最大。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(shí)，充電機(jī)效率低，損耗大導(dǎo)致測(cè)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(cè)試，才能建立一個(gè)公正的電能計(jì)量的系統(tǒng)，對(duì)電動(dòng)汽車的推廣具有積極作用［10］。

圖9 充電機(jī)交直流電能計(jì)量對(duì)比Fig.9 AC-DC energymeasurement comparison of charger

5 結(jié)束語

提出的300 kW非車載電動(dòng)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(duì)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(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)了新能源電動(dòng)汽車的發(fā)展。