電動汽車充電樁電能計量中的問題分析 Analysis on Problems in Electric Energy Measurement of Electric Vehicle Charging Pile

張相杰 ZHANG Xiang-jie 呂巖 LV Yan 王洪巖 WANG Hong-yan

摘要： 電動汽車在當前的汽車市場有著極好的前景，因為這種交通工具能夠滿足人們低碳出行的需求，有助于實現構建資源節約型、環境友好型社會。本文主要圍繞電動汽車所用的充電樁在電能計量方面的問題展開分析，確定電能計量表可以滿足充電樁所對應的計量要求，保障電能計量的精準性，保障充電樁在電動汽車充電活動中的可用性。

Abstract： Electric vehicles have excellent prospects in the current automobile market， because this transportation can meet people's low-carbon travel needs and help to realize the construction of a resource-saving and environment-friendly society. This paper mainly focuses on the power measurement of charging piles used in electric vehicles， to determine that the electric energy meter can meet the corresponding measurement requirements of charging pile， ensure the precision of power measurement， and ensure the availability of charging pile in the charging activity of electric vehicles.

關鍵詞： 電動汽車;充電樁;電能計量;問題

Key words： electric vehicles;charging pile;electric energy measurement;problem

中圖分類號：U469.72? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2021）22-0184-02

0? 引言

當前國家提倡低碳經濟發展理念，各行各業都在積極利用綠色能源，控制污染物的排放量，汽車制造領域也加大了對新能源汽車的關注度，新能源汽車數量持續增加，與之相關的充電設施建設工作也得到落實，充分滿足現代人低碳出行的新需求。現針對電動汽車使用的充電樁在電能計量方面的問題展開研究。

1? 電動車充電樁概述

充電樁作為電動汽車配套設施在各地的普及率不斷得到提升。充電樁的使用功能接近加油站中設置的加油機，可以結合具體需求將其固定到墻壁或者地面上，一般被安裝到充電站、停車場或者公共建筑附近，利用充電樁可給多種型號且電壓等級不同的電動汽車充入其運行所需的電能。交流電網與充電樁設備的輸入端相連，輸入端設置的充電插頭可在汽車充電過程中發揮作用。充電樁常用的充電方式包括快速充電與常規充電，汽車的使用者可通過充電卡實現刷卡，進而使用充電樁，通過人機操作頁面可設置充電時間、選擇充電方式并打印相應的費用數據，顯示屏可全面地呈現出充電時間、費用以及電量等信息。為了保障電能交易以公正公平的方式進行，需要給充電樁使用有效的計量器具，以此準確地計量充電樁的電能使用量，當前可用的電能表分為直流與交流兩種類型，直流充電機的功率很大，約為100kW，充電時間相對比較短，體積偏大;交流充電樁的功率僅為10kW，比直流充電樁要小，需要的充電時間也更長，但是體積小，不會過多地占用空間。

2? 電動車充電樁中的主要電能計量問題

2.1 建設采集負荷波形所需的環境

為了確定充電樁在電能計量方面存在的具體問題，需要先形成符合負荷波形采集要求的采集條件，需應用波形記錄儀，這一設備的頻率參數為500kHz，能夠同時完成電流信號與電壓的雙重采集任務，可實現相位同步的使用功能，對電流與電壓各次諧波的相位與幅值進行測量，能夠滿足多種測量需求。在現場使用波形記錄儀時，利用外接入型電壓探頭獲取與采集電壓數據，獲取電流數據時需要使用鉗式電流互感器，可選擇使用四相三線的接線方式，來連接各個電能計量點。波形記錄儀完成電流、電壓數據的采集后，將數據轉化為MEM格式進行保存，利用設備軟件即可讀取數據，再進行格式轉換可將數據轉為TXT格式或者CSV格式，依靠Mataab軟件進一步分析數據。CSV格式的數據讀取速度比較慢，能夠有效顯示的數據范圍受限，在105萬點左右，在處理數據時必須對Matlab進行導入，難以進行編輯且文件容量過大;TXT格式的數據讀取速度同樣也比較慢，數據處理效率低，一些處理行為難以實現;而Matlab數據格式相比另外兩種格式，讀取速度更快，能夠顯示的數據量也比較大，容易被便捷，處理數據的效率高。

2.2 分析負荷波形，確定電能計量問題

選擇直流充電樁，在停機、充電、啟動以及待機的全過程展開研究工作，針對工頻交流的輸入側的電流與電壓實時形成的波形曲線進行采集，同時采集直流輸出側的電流與電壓的實時波形曲線，再通過專門的軟件分析測量數據。對不同時段的電流與電壓幅值進行采集后，即可總結電流與電壓在充電樁的不同充電階段出現的實際波動情況，計算32周波與單周波的具體電流幅值與電壓幅值，以此掌握多個時段中電流與電壓的具體狀態，了解諧波含量情況。結合諧波含量即可確定電能表所處的工作環境能否實現靜態計量方面的需求。

2.2.1 分析交流輸入側

在分析負荷波形的同時，對電參量的暫態以及長時全局細節所具有的特征進行捕捉，選定32周波與單周波兩種不同形式，在充電狀態下分析電流幅值與電壓幅值的時變特性。分析后發現此狀態下電壓與電流信號都很穩定，當設備處于待機狀態時，產生的電流大約為7A，相對比較小，轉換為充電狀態時，電流持續增加，在啟動過程中并未產生沖擊現象，完全進入充電狀態后，維持平穩運行;停止充電行為后，在1到2s的時間內，電流從（97±1）A，降低到7A，仍舊維持平穩狀態。針對每個周波的電流與電壓展開分析，選擇32周波進行平均，電壓總諧波含量是0，最高達到33%，具體出現在停止與啟動時刻的電流變化點，當處于平穩狀態時，總諧波含量在2%到4%。

2.2.2 分析直流輸入側

交流輸入側與直流輸出側的電流、電壓的波形曲線存在一定的相似性，啟動過程中，電流與電壓相對穩定，其波形波紋并不大，在3%與0.5之內。充電樁的負荷特性有以下幾種表現：當處于充電狀態時，負荷電流形成最大值，在100A左右;停止與啟動充電樁時，交流輸入側的諧波電流相對比較高，轉為充電狀態時，電流諧波含量降低到3%左右，相對比較小，整個過程基本沒有產生電流諧波;當充電樁被調節成待機狀態時，功率因素極小;處于直流輸出側時，整個過程的諧波含量都比較小，并未形成影響。通過計量與分析可以確定充電樁的交流特性符合相應的電能計量要求。直流輸出側運行全過程的負荷波形圖見圖1。

2.3 充電樁電能計量中的難點

電能計量的難點體現在技術與運營兩方面，直流充電樁的使用范圍更廣，很難直接忽視諧波帶來的影響，如果直流諧波過大，計量采集互感器將產生失真的情況;充電樁本身就屬于整體計量裝置，其功能包括計費、計量功能;給充電樁應用的計量電表在滿足基本計費計量功能的同時，還需實現有序放電與充電控制的需求，應從通訊技術與應用安全方面對其加強;從運營的角度分析，電動汽車利用充電樁進行充電時，與日常的用電場景不同，在計費時，必須要充分考慮供電公司、售電公司、車主、充電運營方與資產方等多個主體，確保在復雜的多邊交易場景中能夠最大化利用資源，形成可信交易，兼顧多方利益，科學計費;在資產管理方面，將充電樁認定為計量資產實施管理，應選擇合適的檢定方式，同時關注壽命周期管理方面的事項。

3? 充電樁計量檢定受到的影響

解決充電樁存在的計量問題時，可以從檢定環節入手，但是要考慮到會檢定過程與檢定結果造成影響的因素，盡量減少檢定誤差，更為真實地反映充電樁的實際計量情況。

3.1 檢定方法

檢定充電樁的系統組成部分包括功率負載、功率源以及標準電能表，聯系化可調節式電子負載與電動汽車，實現對交流充電的有效模擬。將交流充電槍插入到電動汽車上，充電樁借助電池BMS與充電接口實現握手通信，電池BMS依照充電樁具有的特性與動力電池情況將發電請求發出，交流式充電樁自動調節參數，形成最合適的充電電流。進行充電時，計量模塊對實際輸出的電能進行計量，計量模塊還會將電池狀態、充電時間以及電參數等信息借助系統的通信模塊向采集交互模塊與計費模塊傳遞，電池被充滿之后，BMS會通知充電樁將電源切斷，完成一次充電。在充電期間，充電樁產生的輸出參數會因時間變化而產生波動。啟動充電樁之后與充滿電池之前形成的充電功率并不是恒定的，如果利用瓦秒法進行測量，容易產生誤差。充電樁必須連續地開展數據交換、采集以及通訊活動，在此過程中會增加耗電量。如果選擇對電子負荷進行模擬來檢定，當發熱量增加后，阻值將會降低。因此在這種充電樁應用情況下，通過脈沖檢定法能夠形成最佳檢定結果。

3.2 環境溫濕度

當溫度出現變化后，交流充電樁形成的具體示值誤差也隨之產生變化。在同一個充電樁中，當輸出電流產生變化后，示值誤差并不會隨之產生變化;當濕度變化時，示值誤差同樣不會出現明顯變化。交流充電樁中設置的內部元件在所處的環境出現溫度變化時，會出現溫度漂移的情況，金屬膜電阻器、穩壓管以及計量芯片等元器件均存在這種情況;充電樁內部產生的晶振頻率屬于溫度敏感量，當系統疊加過多誤差后，示值誤差產生波動，電壓和電流的累積量構成充電電量。當形成不同溫度條件后，電流、電壓將產生非線性誤差;環境濕度變化并不會給被安裝到充電樁的晶振電路構成影響，因此只需要關注溫度因素，不需要關注濕度因素。

4? 結論

直流與交流電表都可以滿足當前充電樁的電能計量應用需求，精準地計量電能數值，使電能交易以公正公平的方式展開，進而給新基建活動提供支持，滿足電動汽車的充電需求。電動汽車獲得更好的充電條件后，可以被推廣到更多區域，進而推動其所在新能源汽車產業的快速發展，響應建設綠色經濟的號召，滿足現代人低碳出行的環保需求，減輕汽車行業給環境的污染。相關技術人員需繼續優化改進充電樁，提升充電效率與安全性。

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