一種基于新型電子式電流互感器直流電能表的研制

宋磊，徐永進，任殿義，李春章，何南海，張天長

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

0 引 言

電動汽車相比較以汽油為動力的傳統汽車，在環境保護和節約能源等方面顯示著突出的優勢，作為國家新能源戰略的重要組成部分，正在飛速發展中[1]。根據電動汽車使用的車載電池的特性，大中型電動汽車一般采用直流方式充電。在電動汽車進行充電時，充電電壓為400 V～800 V，充電電流為0 A～500 A[2-3]。電能計量裝置作為電能使用者和供應者之間貿易結算的重要依據，起著巨大的作用。對于電動汽車充電時所消耗電能的計量，如采用交流側使用交流電能表計量電能，會將整流時的電能損耗算在了用戶側，增加用戶充電電量，不利于電動汽車個人用戶的普及[4-5]。研發能夠直接用于直流充電樁電能計量的直流電能表，對電動汽車的推廣普及及用戶充電電費的核算，都有著重要的意義。

目前，一些直流電能表生產廠家根據電動汽車充電的特點研制出了用于直流充電樁電能計量的直流電能表。由于電動汽車在快速充電時充電電流較大，最大充電電流可達500 A，傳統直流電能表在這類規格設計時基本都采用外附分流器來實現電流采樣的目的。這種電流采樣方式不利于整表的計量準確度檢定，同時分流器成本高、體積大，大電流充電時發熱損耗也較大。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，提高了計量的準確性。

1 直流電能表的主要功能特點、性能參數

直流電能表主要由電源單元、采樣單元、電能計量單元、中央處理單元、顯示單元、輸出單元、通信單元等部分組成。通過對電動汽車充電時電壓、電流的實時采樣，實現對所消耗的電能量的計量、數據存儲和顯示功能[6]。

1.1 直流電能表的工作原理

直流電能表的一次電流經過電子式電流互感器采樣后轉換為電壓信號，由計量芯片采樣；電壓線路直接計入到表內，經過分壓后由計量芯片采樣。計量芯片對采樣的電流和電壓信號進行處理后得到對應的功率數據，供單片機做數據分析。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 直流電能表的技術參數

型號：DJZ666

測量電壓：0 V～700 V

測量電流：0 A～500 A

準確度等級：0.5級

2 直流電能表硬件電路的設計

2.1 電壓、電流采樣電路

計量芯片采用鉅泉公司的HT7017，根據輸入電壓及采樣信號期望值的關系，結合分壓電阻的耐壓特性，電壓采樣回路采用精度為1%，溫度系數為50 PPM/℃，1206封裝的電阻，分壓電阻數量12個。電阻阻值依據電壓規格和采樣信號期望值計算后平均分配。

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

2.2 電能計量單元

計量單元功能框圖如圖2所示。

電壓、電流采樣信號輸入到計量芯片內部經AD轉換、濾波、乘法器最終獲得電壓、電流、功率等電參量信息。

2.3 數據處理單元

數據處理單元主要完成對計量單元數據采集生成各種電量參數用于電能累計、需量計算及負荷記錄等，完成數據存儲及通訊，通過LCD實時刷新顯示內容等。

3 直流電能表軟件設計

電能表軟件主要實現電能數據采集、數據處理和數據交互。當處理器采集到計量芯片發出的電脈沖后，將其累計并轉換成電能，并在指定的凍結、轉存等規則下，將數據處理成可以用于交互和結算的電量數據，如結算日數據、凍結數據、負荷記錄數據等。直流電能表軟件邏輯控制圖如圖3所示。

圖2 電能計量單元功能框圖

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直流電能表的性能優勢，在相同的試驗條件下，用同一臺直流電能表作為被測對象，更換其電流采樣模塊，測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據及功率損耗。其測量電路如圖4、圖5所示。

4.1 兩種測試電路在相同的測試環境下的誤差數據分析使用型號為TD1550，準確度等級為0.05級的直流電能表檢定裝置分別對圖4、圖5的兩種測試電路的直流電能表進行誤差測試[7]：

(1)保持輸入直流電壓為700 V恒定，調節輸入電流，使電流由1 A增加到400 A，分別測試兩種電路的誤差數據，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試電路

圖5 采用分流器的測試電路

(2)保持輸入直流電流為500 A恒定，調節輸入電壓，使電壓由70 V增加到630 V，分別測試兩種電路的誤差數據，并繪制誤差曲線，如表2與圖7所示。

表1 參比電壓為700 V,不同電流時兩種測試電路的誤差數據

表2 參比電流為500 A,不同電壓時兩種測試電路的誤差數據

4.2 兩種測試電路在直流電能表技術規范的測試點的誤差數據比較

根據Q/GDW 1825-2013直流電能表技術規范，分別在額定電壓、負載電流變化，額定電流、負載電壓變化的條件下，測試兩種電路的誤差數據[8]，其測試結果如表3、表4所示。

圖6 參比電壓為700 V,電流變化時兩種測試電路的誤差曲線

圖7 參比電流為500 A,電壓變化時兩種測試

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)電流傳感器測試電路0.04-0.04-0.05-0.05-0.010.040.06分流器測試電路0.240.010.020.010.030.02-0.03

表4 參比電流為500 A,不同電壓時兩種測試電路的誤差數據

4.3 兩種測試電路的功耗分析

500 A/75 mV規格分流器在使用過程中是串聯在電流導線中，功率消耗主要在分流器本身的電阻通過電流發熱導致，在通過500 A的1.2倍過載電流時發熱損耗達54 W。新型電子式互感器采用磁性傳感器，利用閉環原理達到隔離及采樣目的，其功率消耗主要為模擬電路的靜態電流及補償線圈的反饋電流，在通過500 A的1.2倍過載電流時發熱損耗不超過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試數據可以看出：用于0.5級及以下直流電能表的計量時，兩種元器件的誤差數據均能滿足檢定規程要求。但是，采用電子式電流互感器的直流電能表與傳統的直流電能表相比：計量精確度高、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，這樣不僅使表計便于安裝，降低了其故障的概率，還方便了表計的檢定工作。通過市場調查，采用隧道磁阻技術開發的用于直流大電流計量的電子式電流互感器與0.1級精度外附分流器在精度相當的情況下，一個分流器的成本為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勢。

5 結束語

研制了一種用于電動汽車充電樁的直流電能表，對該表計的性能參數、功能特點、工作原理、軟硬件電路的設計進行了介紹；并測試了采用傳統分流器與采用電子式電流互感器的直流電能表的誤差數據、功率損耗。從計量性能、現場安裝運行、檢定檢測及經濟性的角度分析，采用電子式電流互感器的直流電能表都具有較大的優勢，有良好的開發應用前景。