電動汽車交直流充電樁檢測裝置探索與設計

劉浩宇，何澤昊，呂偉嘉，孫 虹，張兆杰

(1.國網天津市電力公司電力科學研究院，天津 300010；2.國網天津市電力公司，天津 300010)

0 引 言

降低交通領域溫室氣體排放是解決全球氣候變化的重要手段，是建設可持續發展電動汽車行業的前提條件。世界主要國家政府、組織都制定了嚴格的汽車尾氣排放標準，旨在減少交通領域對全球氣候和環境造成的影響。我國的汽車產業也正在積極推動交通能源的轉型，把發展電動汽車提升到國家戰略的高度。因此，充電樁的計量準確性關系民生，顯得愈發重要。近年來電動汽車充電基礎設施建設的國家技術規范、產品標準、檢定規程等正在逐步制定和完善。2011年12月《電動汽車充電樁(機)》廣東省地方規程發布。2012年11月《電動汽車交流充電樁電能計量》國家標準正式實施。2012年12月《電動汽車交流充電樁》浙江省地方規程發布。

1 交直流充電檢測時電流、電壓、脈沖等信號采樣線路連接設計

交流充電樁由樁體、電氣模塊、計量模塊等部分組成，其電氣系統設計如圖1所示。交流充電樁電氣系統主回路由輸入保護斷路器、RS485接口智能電能表、交流控制接觸器和充電接口連接器四部分組成；交流充電樁電氣系統二次回路由控制繼電器、急停按鈕、運行狀態指示燈、充電樁智能控制器和人機交互設備(顯示、輸入與刷卡)五部分組成。交流充電樁電氣系統主回路各元件具備過載、短路和漏電保護功能、控制電源的通斷功能、提供與電動汽車連接的接口、鎖緊裝置和防誤操作功能。交流充電樁電氣系統二次回路各元件提供“啟動停止”控制與“急停”操作、“待機”、“充電”與“充滿”等狀態指示、交流充電計量、刷卡、充電方式設置與啟停控制操作。

圖1 交流充電樁電氣系統設計圖

交流充電樁具有給電動汽車的充電機提供電力輸入的功能。但是大部分的車載充電機的功率較小，使得交流充電樁不能很好的實現快速充電。所以筆者經過研究，采用了直流充電樁的方式來實現快充。將直流充電樁固定安裝在電動汽車外、并且與交流電網連接。筆者將直流充電樁的輸入電壓設計為三相四線AC380 V±15%，頻率50 Hz,輸出設計為可調直流電。通過采用直流充電樁三相四線制的供電方式，能夠提供足夠的功率，輸出的電壓和電流也增大了調整范圍，從而滿足了快充的要求。

根據交流充電樁和直流充電樁工作原理，充電樁的電能計量，是由電動汽車充電時電壓、電流和時間的積分，累計到交直流計量模塊(儀表)上，通過充電樁的顯示屏顯示。因此，在設計充電樁檢測裝置時，首先需要采集充電樁輸出的電壓、電流信號。在充電樁檢測裝置的連接線路設計中采用電壓并聯、電流串聯的方法。通過前期對浙江、廣東等城市充電樁運行情況的考察，交流充電電壓為220 V，電流為10 A；直流充電電壓一般不超過600 V，電流不超過400 A。在設備設計時應同時考慮交流充電和直流充電的接口，并且與充電樁電纜相匹配。交直流充電樁的脈沖信號與充電樁檢測設備的脈沖端相聯，通過標準與實際脈沖比較的方式得到充電電能誤差。

2 交直流采樣轉換線路設計

轉換線路的設計是為了提高設備的檢測準確度與更廣的設備同用性而設計的。交流充電樁和直流充電樁兩者的核心計量元件都是電能表，而檢測交流電能表的標準表生產技術已經非常成熟，而且準確度等級可達到0.05級。雖然直流電能計量的國家標準尚未出臺，但許多電能表檢測設備生產企業都已經開始進行這方面的研制，根據一些生產企業的最新研制成果，檢測直流電能表的標準表準確度等級也有望達到0.05級。如何讓這些設備實現對交直流充電樁的檢測，需要設計轉換線路來滿足檢測要求。

連接與轉換線路設計的示意圖如圖2所示。

圖2 交直流采樣轉換線路

檢測設備兩端設有可插拔的充電插座，檢測時可根據需要插入合適的充電插座，用于對交流或直流充電樁的檢測。兩邊的充電插座與對應的充電電纜相連。一端電纜接口與充電樁相連，另一端電纜接口與負載(電動汽車)相連。檢測設備兩端的校表脈沖插座，一端連充電樁的脈沖信號端，另一端與標準器的脈沖端子相連。電壓與電流接口用來外接標準器的電壓和電流輸入端。考慮到現場有可能外接電能表現場校驗儀，我們在這個連接器上設計了電流鉗采樣的接口。通過改變A1、A2、A3接線柱上的連接片位置，來實現檢測模式的轉換。

3 交直流誤差處理器的設計

交直流充電樁檢測設備的研制，主要依據充電樁檢定規程的中所采用的檢測方法。用標準表加實負載的方法檢定電能示值誤差和付費金額誤差。

(1)電能示值誤差的檢定

檢定交流充電樁時，將標準器通過檢測裝置與被檢交流充電樁連接，讀取標準器上顯示的電能示值誤差。在每一檢定點下，至少做兩次測量，取其平均值作為測量結果。如測得的相對誤差等于該交流充電樁示值誤差極限的80%～120%，應再做兩次測量，取這兩次和前幾次測量的平均值作為測量結果。

(2)付費金額誤差的檢定

以標準器充電電能乘以單位電價得到的應付金額與充電樁顯示的付費金額相比較，以確定付費金額誤差。付費金額誤差以相對誤差表示。付費金額誤差試驗電流實驗室檢定時選Un、In、功率因數1.0作為檢定點，現場檢定按現場實際電壓、電流、功率因數選取檢定點。

應付金額計算公式：

A=kW

式中，A為應付金額(元)；W為實測充電電能(kW·h)；k為單位電價(元/kW·h)。付費金額誤差的計算公式：

E=[(Y-A)/A]×100%

式中，Y為交流充電樁顯示的付費金額(元);E為付費金額誤差；A為應付金額(元)。

(3)電能示值誤差的檢定

誤差處理器有兩路脈沖輸入：一路標準脈沖(即標準表脈沖)、一路被檢表脈沖(電能表)。誤差處理器內部有個單片機，輸入的兩路脈沖由單片機接收到，然后進行計算處理。誤差處理器在設備上與信號源(控制主板)通訊連接，控制誤差處理器的計算誤差的時間(即采多少個脈沖計算一次誤差)。計算理論脈沖數的方式：標準表檔位脈沖常數÷被檢表脈沖常數×圈數=理論脈沖個數。

誤差處理器的設計主要使檢測結果可以直接在檢測裝置中讀取，通過自動計算、比較得出檢測結果，提高檢測效率、減少讀數誤差。誤差處理器的原理如圖3所示。

圖3 誤差處理器原理圖

4 結束語

筆者在深入研究電動汽車充電樁檢測的國家標準、檢定規程后，切入實際設計了一款綜合型的電動汽車充電樁檢測裝置，旨在服務民生，規范電動汽車充電服務行業，使貿易結算的充電設備檢測更準確，使用戶在充電樁安裝后的調試驗收更加便捷，具有良好的經濟效益與社會效益。