宋磊，徐永進(jìn)，任殿義，李春章，何南海，張?zhí)扉L(zhǎng)

(1.國網(wǎng)浙江省電力公司電力科學(xué)研究院，杭州 310014； 2.浙江正泰儀器儀表有限責(zé)任公司，杭州 310052)

0 引 言

電動(dòng)汽車相比較以汽油為動(dòng)力的傳統(tǒng)汽車，在環(huán)境保護(hù)和節(jié)約能源等方面顯示著突出的優(yōu)勢(shì)，作為國家新能源戰(zhàn)略的重要組成部分，正在飛速發(fā)展中[1]。根據(jù)電動(dòng)汽車使用的車載電池的特性，大中型電動(dòng)汽車一般采用直流方式充電。在電動(dòng)汽車進(jìn)行充電時(shí)，充電電壓為400 V～800 V，充電電流為0 A～500 A[2-3]。電能計(jì)量裝置作為電能使用者和供應(yīng)者之間貿(mào)易結(jié)算的重要依據(jù)，起著巨大的作用。對(duì)于電動(dòng)汽車充電時(shí)所消耗電能的計(jì)量，如采用交流側(cè)使用交流電能表計(jì)量電能，會(huì)將整流時(shí)的電能損耗算在了用戶側(cè)，增加用戶充電電量，不利于電動(dòng)汽車個(gè)人用戶的普及[4-5]。研發(fā)能夠直接用于直流充電樁電能計(jì)量的直流電能表，對(duì)電動(dòng)汽車的推廣普及及用戶充電電費(fèi)的核算，都有著重要的意義。

目前，一些直流電能表生產(chǎn)廠家根據(jù)電動(dòng)汽車充電的特點(diǎn)研制出了用于直流充電樁電能計(jì)量的直流電能表。由于電動(dòng)汽車在快速充電時(shí)充電電流較大，最大充電電流可達(dá)500 A，傳統(tǒng)直流電能表在這類規(guī)格設(shè)計(jì)時(shí)基本都采用外附分流器來實(shí)現(xiàn)電流采樣的目的。這種電流采樣方式不利于整表的計(jì)量準(zhǔn)確度檢定，同時(shí)分流器成本高、體積大，大電流充電時(shí)發(fā)熱損耗也較大。本文研制了一種基于電子式電流互感器的新型直流電能表，將電流傳感器模塊與整表集成在一起，降低了直流電能表的成本及損耗，提高了計(jì)量的準(zhǔn)確性。

1 直流電能表的主要功能特點(diǎn)、性能參數(shù)

直流電能表主要由電源單元、采樣單元、電能計(jì)量單元、中央處理單元、顯示單元、輸出單元、通信單元等部分組成。通過對(duì)電動(dòng)汽車充電時(shí)電壓、電流的實(shí)時(shí)采樣，實(shí)現(xiàn)對(duì)所消耗的電能量的計(jì)量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示功能[6]。

1.1 直流電能表的工作原理

直流電能表的一次電流經(jīng)過電子式電流互感器采樣后轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，由計(jì)量芯片采樣；電壓線路直接計(jì)入到表內(nèi)，經(jīng)過分壓后由計(jì)量芯片采樣。計(jì)量芯片對(duì)采樣的電流和電壓信號(hào)進(jìn)行處理后得到對(duì)應(yīng)的功率數(shù)據(jù)，供單片機(jī)做數(shù)據(jù)分析。直流電能表原理圖如圖1所示。

圖1 直流電能表原理圖

1.2 直流電能表的技術(shù)參數(shù)

型號(hào)：DJZ666

測(cè)量電壓：0 V～700 V

測(cè)量電流：0 A～500 A

準(zhǔn)確度等級(jí)：0.5級(jí)

2 直流電能表硬件電路的設(shè)計(jì)

2.1 電壓、電流采樣電路

計(jì)量芯片采用鉅泉公司的HT7017，根據(jù)輸入電壓及采樣信號(hào)期望值的關(guān)系，結(jié)合分壓電阻的耐壓特性，電壓采樣回路采用精度為1%，溫度系數(shù)為50 PPM/℃，1206封裝的電阻，分壓電阻數(shù)量12個(gè)。電阻阻值依據(jù)電壓規(guī)格和采樣信號(hào)期望值計(jì)算后平均分配。

電流傳感器模塊需由直流電能表電源模塊供電，電流量程范圍內(nèi)最大功率消耗約1W，最大電流測(cè)量信號(hào)不宜超過計(jì)量芯片HT7017滿量程的70%，即輸入計(jì)量芯片的電流采樣有效值不超過±400 mV。

2.2 電能計(jì)量單元

計(jì)量單元功能框圖如圖2所示。

電壓、電流采樣信號(hào)輸入到計(jì)量芯片內(nèi)部經(jīng)AD轉(zhuǎn)換、濾波、乘法器最終獲得電壓、電流、功率等電參量信息。

2.3 數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元主要完成對(duì)計(jì)量單元數(shù)據(jù)采集生成各種電量參數(shù)用于電能累計(jì)、需量計(jì)算及負(fù)荷記錄等，完成數(shù)據(jù)存儲(chǔ)及通訊，通過LCD實(shí)時(shí)刷新顯示內(nèi)容等。

3 直流電能表軟件設(shè)計(jì)

電能表軟件主要實(shí)現(xiàn)電能數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)交互。當(dāng)處理器采集到計(jì)量芯片發(fā)出的電脈沖后，將其累計(jì)并轉(zhuǎn)換成電能，并在指定的凍結(jié)、轉(zhuǎn)存等規(guī)則下，將數(shù)據(jù)處理成可以用于交互和結(jié)算的電量數(shù)據(jù)，如結(jié)算日數(shù)據(jù)、凍結(jié)數(shù)據(jù)、負(fù)荷記錄數(shù)據(jù)等。直流電能表軟件邏輯控制圖如圖3所示。

圖2 電能計(jì)量單元功能框圖

圖3 直流電能表軟件邏輯控制圖

4 兩種電流采樣電路的直流電能表的性能分析

為了分析本文所研制的直流電能表與傳統(tǒng)直流電能表的性能優(yōu)勢(shì)，在相同的試驗(yàn)條件下，用同一臺(tái)直流電能表作為被測(cè)對(duì)象，更換其電流采樣模塊，測(cè)試了基于電子式互感器直流電能表和采用分流器的直流電能表的誤差數(shù)據(jù)及功率損耗。其測(cè)量電路如圖4、圖5所示。

4.1 兩種測(cè)試電路在相同的測(cè)試環(huán)境下的誤差數(shù)據(jù)分析使用型號(hào)為TD1550，準(zhǔn)確度等級(jí)為0.05級(jí)的直流電能表檢定裝置分別對(duì)圖4、圖5的兩種測(cè)試電路的直流電能表進(jìn)行誤差測(cè)試[7]：

(1)保持輸入直流電壓為700 V恒定，調(diào)節(jié)輸入電流，使電流由1 A增加到400 A，分別測(cè)試兩種電路的誤差數(shù)據(jù)，并繪制誤差曲線如表1與圖6所示。

圖4 采用電子式電流互感器的測(cè)試電路

圖5 采用分流器的測(cè)試電路

(2)保持輸入直流電流為500 A恒定，調(diào)節(jié)輸入電壓，使電壓由70 V增加到630 V，分別測(cè)試兩種電路的誤差數(shù)據(jù)，并繪制誤差曲線，如表2與圖7所示。

表1 參比電壓為700 V,不同電流時(shí)兩種測(cè)試電路的誤差數(shù)據(jù)

表2 參比電流為500 A,不同電壓時(shí)兩種測(cè)試電路的誤差數(shù)據(jù)

4.2 兩種測(cè)試電路在直流電能表技術(shù)規(guī)范的測(cè)試點(diǎn)的誤差數(shù)據(jù)比較

根據(jù)Q/GDW 1825-2013直流電能表技術(shù)規(guī)范，分別在額定電壓、負(fù)載電流變化，額定電流、負(fù)載電壓變化的條件下，測(cè)試兩種電路的誤差數(shù)據(jù)[8]，其測(cè)試結(jié)果如表3、表4所示。

圖6 參比電壓為700 V,電流變化時(shí)兩種測(cè)試電路的誤差曲線

圖7 參比電流為500 A,電壓變化時(shí)兩種測(cè)試

電壓(V)誤差百分比(%)0.01 Ib(5 A)0.05 Ib(25 A)0.1 Ib(50 A)0.2 Ib(100 A)0.5 Ib(250 A)Ib(500 A)1.2 Ib(600 A)電流傳感器測(cè)試電路0.04-0.04-0.05-0.05-0.010.040.06分流器測(cè)試電路0.240.010.020.010.030.02-0.03

表4 參比電流為500 A,不同電壓時(shí)兩種測(cè)試電路的誤差數(shù)據(jù)

4.3 兩種測(cè)試電路的功耗分析

500 A/75 mV規(guī)格分流器在使用過程中是串聯(lián)在電流導(dǎo)線中，功率消耗主要在分流器本身的電阻通過電流發(fā)熱導(dǎo)致，在通過500 A的1.2倍過載電流時(shí)發(fā)熱損耗達(dá)54 W。新型電子式互感器采用磁性傳感器，利用閉環(huán)原理達(dá)到隔離及采樣目的，其功率消耗主要為模擬電路的靜態(tài)電流及補(bǔ)償線圈的反饋電流，在通過500 A的1.2倍過載電流時(shí)發(fā)熱損耗不超過1 W[9-10]。

4.4 綜合性能分析比較

通過用同一塊直流電能表改變其電流采樣傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)可以看出：用于0.5級(jí)及以下直流電能表的計(jì)量時(shí)，兩種元器件的誤差數(shù)據(jù)均能滿足檢定規(guī)程要求。但是，采用電子式電流互感器的直流電能表與傳統(tǒng)的直流電能表相比：計(jì)量精確度高、量程寬、功耗低、體積小，并且采用電子式電流互感器的直流電能表，其電流采樣電路可以集成在表內(nèi)，這樣不僅使表計(jì)便于安裝，降低了其故障的概率，還方便了表計(jì)的檢定工作。通過市場(chǎng)調(diào)查，采用隧道磁阻技術(shù)開發(fā)的用于直流大電流計(jì)量的電子式電流互感器與0.1級(jí)精度外附分流器在精度相當(dāng)?shù)那闆r下，一個(gè)分流器的成本為400元左右，而電子式電流互感器的成本僅為40元。因此，采用電子式電流互感器在成本方面也有較大的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)束語

研制了一種用于電動(dòng)汽車充電樁的直流電能表，對(duì)該表計(jì)的性能參數(shù)、功能特點(diǎn)、工作原理、軟硬件電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行了介紹；并測(cè)試了采用傳統(tǒng)分流器與采用電子式電流互感器的直流電能表的誤差數(shù)據(jù)、功率損耗。從計(jì)量性能、現(xiàn)場(chǎng)安裝運(yùn)行、檢定檢測(cè)及經(jīng)濟(jì)性的角度分析，采用電子式電流互感器的直流電能表都具有較大的優(yōu)勢(shì)，有良好的開發(fā)應(yīng)用前景。