電動汽車非車載充電機電能檢測儀的設計

李賀龍

（中國電力科學研究院有限公司，北京100192）

隨著我國經濟社會發展水平不斷提高，汽車保有量持續攀升。大力發展電動汽車，能夠加快燃油替代，減少汽車尾氣排放，對保障能源安全、促進節能減排、防治大氣污染、推動我國從汽車大國邁向汽車強國具有重要意義。根據國家市場總局辦公廳于2018年7月發布的 《就實施強制管理的統一計量器具目錄研提修訂意見的通知》，已計劃將交流充電樁納入強制檢定目錄。因此，需要大量的充電樁電能檢測設備來保證檢定工作的開展，其電能溯源工作勢在必行。

目前電動汽車充電樁檢定工作的發展現狀：①標準的不斷完善：2018年初，關于電動汽車充電樁（機）的檢定規程JJG 1148-2018《電動汽車交流充電樁檢定規程》和JJG 1149-2018《電動汽車非車載充電機檢定規程》已頒布施行，關于充電樁（機）的能源局標準[1]、產品標準也在不斷完善中；②充電設施的更新：國內大型的充電樁生產制造商如魯能集團、奧特迅、平高等均在加大力度研制符合新標準的充電設施，也相繼推出了自己的產品[2]；③隨著充電樁數量的不斷增加，各省市電網公司和電動汽車服務公司正陸續開展電動汽車充電樁的現場檢定工作[3]。

國內對于電動汽車充電設施的檢定工作尚停留在現場檢定的階段，即需檢定人員攜帶現場測試儀、測試負載等設備至現場，這將帶來極大的檢定工作量。大量的充電樁分散安裝于出租公交充電站、環衛物流充電站、居民小區等多種應用場景，測試工具的運輸、操作等工作將急劇增加，現場檢測成本也將隨之提升，這不利于公司降本增效和集約化管理。因此，亟需研究一種有效進行現場電能校準與數據評估、同時減少檢測工作量的設備與方法[4-5]。文中提出的適用于非車載充電機電能現場測試的裝置，電壓范圍100～1000 V，電流范圍1～300 A，電能測量不確定度（k=2）：0.05%*RD，設備可直接掛網運行，并自動上傳充電電能數據，用戶只需將電能檢測儀連接充電樁輸出線和電動汽車充電線，便可完成電能檢測。與傳統的現場校驗儀和負載的測試方式相比，可大大減少搬運和人力成本。

文中電動汽車非車載充電機（樁）簡稱充電機。

1 充電機電能檢測儀原理

電能檢測儀可通過CAN-BUS 通信讀取充電機電壓、電流、電能等數據，同時，實測的電能數據可通過RJ45 等通訊方式上傳至后臺上位機，并進行相關存儲和分析工作；充電槍頭DC24V 與內置鋰電池供電方式可保證充電機起動前和停止后的測量及通訊正常[6-7]。電能檢測儀外觀示意圖如圖1所示。

圖1 檢測儀外觀示意圖Fig.1 Schematic diagram of the appearance of the detector

電能檢測儀整體結構示意圖如圖2所示。在本研究的原理架構設計中，硬件結構包括微處理器模塊、高速ACD 采樣模塊、供電電源模塊、FPGA 計算模塊以及上位機數據分析模塊。通過直流充電接口能夠實現非車載充電機充電數據信息的充電與放電，通過供電電源模塊實現數據信息充電，電動汽車直接通過充電接口實現直流充電接口的充電。本研究還應用了校驗儀實現接電信息的輸入與輸出。在具體應用中，采用V/V 轉換器和I/V 轉換器實時測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送至電能計量模塊，同時采集充電機電能脈沖數計算電能誤差[8]。下文對誤差計算進行說明。

圖2 檢測儀原理框圖Fig.2 Block diagram of the detector

2 充電機電能誤差計算

在對充電機電能進行誤差計算時，采用大電流測量電路實現充電機電能誤差計算，通過對充電機電能誤差信號數據信息進行采集，再進一步分析充電機電能誤差[9-10]，圖3 為大電流測量電路的原理圖。

圖3 大電流測量電路Fig.3 Large current measurement circuit

在實現大電流測量時，假設即時時間為T，充電機電能在工作過程中，輸出的電能計量數據信息經過兩路24 位A/D 采集后，輸出的電壓序列為｛u1（1），u1（2），…，u1（n）｝，電流序列為｛u2（1），u2（2），…，u（n）｝[4]，則電能數據信息為

式中：P為校驗儀測量功率值；E為校驗儀測量電能值；KI為電流采樣值與實際值間的轉換系數，其大小由電流通道的硬件參數決定；KU為電壓采樣值與實際值間的轉換系數，其大小由電壓通道的硬件參數決定；T為選定的測量時間，單位為s；N為AD 對充電機輸出的電壓和電流采樣的次數；n為采樣序號[11]。則有以下關系式：

式中：m為實測脈沖數；m0為算定的脈沖數；C為校驗儀電能脈沖常數，單位為imp/kWh，其值隨著電壓電流量程改變而改變；Ui為校驗儀電壓測量量程；Ii為校驗儀電流測量量程；f為標準電能脈沖頻率60 kHz（高頻）或6 Hz（低頻）[12]。

由于充電機集中建立在戶外，存在大量的電磁干擾源，這就需要比較儀有著良好的抗電磁干擾能力。文中的比較儀采用雙層屏蔽技術，由主屏蔽高磁通密度材料（FeSiAl）與內屏蔽高磁導率材料（坡莫合金）組成[13-14]，將比較儀鐵芯安裝在坡莫合金屏蔽盒中進行單獨屏蔽，再將其與測試電路一起放置在主屏蔽盒內，可最大程度上減少測量誤差。

除了磁性誤差，由于繞組線匝之間、繞組與繞組之間以及繞組對地之間存在寄生電容和電位差，它們之間會產生相應的漏電流，從而產生容性誤差。靜電屏蔽可以減少容性誤差。

3 硬件結構設計

本研究的充電機電能檢測儀在應用過程中，采用集成化設計的方式，這種方式體積小，重量輕。通過CAN-BUS 通信讀取充電機電壓、電流、電能等數據，同時，實測的電能數據可通過RJ45 等通訊方式上傳至后臺上位機[15-16]，并進行相關存儲和分析工作；充電槍頭DC24V 與內置鋰電池供電方式可保證充電機起動前和停止后的測量及通訊正常。此外，儀器具有外供電部分的能耗測量功能，以便于對充電電能與標準器的電能精準比較。

考慮到系統的實時性強，采用最新架構32 位嵌入式微處理器和FPGA 加外圍設計電路搭建的平臺進行開發，系統硬件結構[17]如圖4所示。

系統關鍵模塊包括FPGA 模塊、微處理器模塊與直流電流測量模塊。下文對本研究的關鍵技術進行說明。

3.1 FPGA 模塊設計

系統采用FPGA 進行功率測量、標準電能脈沖發生和量程切換等功能。FPGA 模塊示意圖如圖5所示。

圖5 FPGA 模塊示意圖Fig.5 Schematic diagram of FPGA module

在圖5 的結構設計中，FPGA 現場可編程邏輯陣列開發板由FPGA 芯片、SDRAM 存儲芯片、外設電路、時鐘模塊、外圍擴展接口等組成，其中FPGA 具有配置簡單、繼承性高、配置靈活的優點。其安全的片上閃存可使器件在10 ms 內完成配置，3 mm×3 mm的封裝內集成了可編程邏輯器件（PLD）、RAM、閃存、數字信號處理、鎖相環和I/O 接口，保證了器件的靈活配置，并采用TSMC 的55 nm 工藝技術[18]，可保證20年的使用壽命。

3.2 微處理器模塊

微處理器以嵌入式32 微處理器作為主控制核心，控制核心采用ARM 結構，Cortex-M3 內核。內部集成了高精度的數模轉換器，GPIO 接口資源豐富。微處理器模塊示意圖如圖6所示。

圖6 微處理器模塊示意圖Fig.6 Schematic diagram of the microprocessor module

在圖6 的設計中，電路中的相關開關信號和控制信號以及相關數字信號都會發給FPGA，FPGA 做出相應處理后“打包”發給微處理器模塊，再進行配置與計算工作。同時RJ45 通訊模塊、CAN 通訊模塊等直接與微處理器連接，豐富了測試儀器的功能，也大大優化了測試儀器的可操作性。在應用直流電流測量模塊時，裝置采用直流比較儀測量大電流，比較儀采用雙鐵芯結構，如圖7所示。

圖7 比較儀結構圖Fig.7 Comparator structure diagram

在本設計中，雙鐵芯結構使鐵芯中感應的奇次諧波分量能夠相互抵消，偶次諧波則會相互加強，就能提取有利于反應信號大小的偶次諧波分量[19]。方波振蕩器連接激勵繞組，激勵繞組單獨繞制在鐵芯A 上，檢測繞組Ws和平衡繞組W2繞制在雙鐵芯上，待測繞組W1穿過雙鐵芯變大電流模塊，其中鐵芯A 由高導磁率軟磁材料制作，鐵芯B 由低導磁率鐵氧體材料制作。

4 案例應用分析

本研究方法在應用時，采用的軟件基于LabVIEW編寫。主要包括電能誤差實現算法、協議一致性測試、人機交互界面單元，應用時，系統通過高速AD 通道采集兩路電壓u1（n），u2（n）。充電機輸出電壓u（n）與電流i（n）滿足關系式（5）、式（6）：

式中：u1（n）為電壓通道AD 采樣的電壓值；u（n）為充電機輸出電壓值；KU的值為1000。

式中：u2（n）為電流通道AD 采樣的電壓值；i（n）為充電機輸出電流；KI的值為300。

程序運行邏輯如下：將測量的u（n）和i（n）代入式（2）中得到電能E，根據u（n）和i（n）設置電壓和電流量程計算C，將C、E代入式（1）算出m0，將測量的m和m0代入式（4）計算電能誤差。邏輯圖如圖8所示。

圖8 程序邏輯圖Fig.8 Program logic diagram

協議一致性測試是檢測充電樁是否完全按規程GB/T 27930-2015 《電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統之間的通信協議》制造[20]。對充電機充電流程的檢測流程如圖9所示。

圖9 協議一致性測試流程Fig.9 Protocol conformance test flow chart

在上述應用中，再采用人機交互界面實現數據信息檢定交互，項目主要包括檢定項目、檢定結果顯示、充電機狀態等內容?？稍跍y試過程實時顯示測試結果及充電機當前狀態，在突發情況下自動斷開測試。測試結束后可選擇將數據自動導出至Excel 或者Word 文件。界面如圖10所示。

圖10 人機交互界面Fig.10 Human-computer interaction interface

通過24 h 不停應用，將本研究的方法與文獻[1]、文獻[2]的方法進行對比分析，則檢測效率如圖11所示。

圖11 被解密數據所占比重對比圖Fig.11 Comparison of the proportion of decrypted data

通過圖11 可以看到，本研究的檢測儀經過多次測量，與文獻[1]和文獻[2]相比，表現出較為突出的正確率，本研究方法具有突出的技術優勢。

5 結語

針對電動汽車非車載充電機電能檢測技術的必要，本研究設計出一種新型的電能檢測儀器，采用的硬件設計模塊包括高速ACD 采樣模塊、供電電源模塊、FPGA 計算模塊以及上位機數據分析模塊等。在具體應用中提高了充電機電能檢測效率，為電動汽車非車載充電提供了技術依據，本研究在一定程度上提高了電能檢測能力，為電動汽車非車載充電機應用提供技術支持。