面向充電樁實驗室應用的計量檢定系統設計研究

周文斌,靳 陽,劉士峰,解進軍,趙 磊

(國網北京市電力公司電力科學研究院,北京 100000)

0 引言

隨著社會經濟的快速發展,化石能源的使用和消耗越來越多,導致碳排放量不斷提高。能源問題和環境污染問題日益嚴峻。世界各國開始大力發展新能源汽車產業,并建設大量充電樁等基礎充電設備為新能源汽車充電。當前,充電樁計量檢定系統大多數使用人工檢測或半自動測試,存在充電性能不理想、計量測試效率不高的問題。

針對上述問題,文獻[1]對充電樁檢測計量參數過程中應注意的問題進行了描述,對直流和交流充電樁計量參數的檢測具體方法進行了論述,也對適用的測量范圍進行了說明和計量。這種方法通過構建測量誤差和不確定度實現充電樁檢測計量參數的計算與分析,進而提高了檢測能力。但該方法沒有對充電樁計量檢定的具體方案進行說明。文獻[2]根據電動汽車充電設備的數據輸入情況實現了數據信息的分析與參數計算。這種方法可按照充電設備輸入電量特性,將充電設備分為電動汽車交流充電樁和直流充電樁。該方法分別對充電參數數據信息進行了說明和計算,大大提高了電動汽車充電設備的技術參數描述,對電動汽車交流充電樁現場檢測中出現的主要問題及措施進行了分析。但是該方法仍沒有具體說明實現計量檢定的設計方案。文獻[3]開發出充電樁自動測試系統。該系統集成了交流電源供應器、電子負載、示波器等測試設備,對充電樁的能源標準和互操作性進行了測試。但該系統配置設備體型較大、便攜性較差、擴展性不強。文獻[4]開發了便攜式直流充電樁測試儀,其直流電壓和直流電流測量精度可達到0.05%。但該測試儀軟件系統耦合度高,不支持后期功能擴展,且生成報表功能單一。

因此,本文設計了面向充電樁實驗室應用的計量檢定系統,實現對大功率充電樁的電壓、電流及電能等參數的高精度測量。該系統高度集成化和智能化,可根據用戶需求進行功能擴展,并具有良好的容錯能力。

1 計量檢定系統總體架構設計

計量檢定系統主要的硬件結構包含供電插座、 電動汽車充電插座、分流器、直流電能采集電路、掃頻實時校準電路、BF533主板、無分頻校驗光電頭、液晶顯示屏(liquid crystal display,LCD)、鍵盤、電源模塊、分壓電阻R1、分壓電阻R2、電源轉換芯片 REG1117F3.3 等。通過這些硬件組建成的計量檢定系統架構如圖1所示。

圖1 計量檢定系統架構圖

硬件結構還包括精密交直流電流傳感器、接線式精密交流電流傳感器、直流測試單元、高精密直流電流分流器、汽車電能計量檢定裝置等。在具體研究設計中,電流傳感器作為檢測裝置,對采集到的電流數據信息進行大電流與小電流的轉換。在轉換過程中,電流傳感器能夠將檢測到的信息通過一定的變換規律,轉換為其他裝置工作需要的電流大小,進而滿足不同數據信息的處理、存儲與計算,以提高電流數據信息轉換能力。在直流測試單元,可以選擇模擬集成電路(intergrated circuit,IC)自動測試系統中的直流參數測試單元,以實現電路中電壓值或者電流值的輸出,進而直接測量電流或者電壓。本文通過精密恒流技術和線性溫度補償技術,實現電流信息的處理與隔離;通過采用24 V或12 V數據信息,實現安全電壓供電。直流參數單元具有強過載能力、高精度、高隔離、高安全性、低功耗等特點。

2 計量檢定系統數據采集設計

數據的采集原理為:先通過ADSP-BF533處理器處理充電樁的數據信息,再對該數據信息進行計算。為了提高數據處理能力,本文采用Blackfin系列的計算芯片對采集到的數據信息進行計算。在應用過程中,通過引入嵌入式技術實現所采集數據信息的采集、通信與交互,最終滿足16位嵌入式處理器工作的需要。通過在硬件設計中引入32位精簡指令集計算機(reduced instruction set computer,RISC)和雙16位乘法累加號處理模塊,大大提高了數據計算能力。本文系統還設置通用異步收發傳輸器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)接口、串行外設接口(serial peripheral interface,SPI)、串行接口等多種數據接口,以實現各種形式的數據傳遞。BF533芯片電路如圖2所示。

圖2 BF533芯片電路示意圖

在數據采集時,系統設置了Blackfin533系列的同步串口SPORT0和SPORT1模塊。由于數據應用條件的限制,為了提高輸入、輸出數據信號,還可以在系統中引入可編程增益放大器(programmable gain ampilifer,PGA)放大電路。其放大比例通?？梢詾樵夹盘柕? 000倍,線性度能夠滿足±0.1%的精度。模數轉換器(analog-to-digital convert,ADC)用于實現模擬數據信息與數字信號的轉換。在采用ADC時,本文選擇的型號為AD738058。該ADC具有兩個不同的數據采樣信號,提高了數據交互能力, 在經過快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)計算后,輸出的電壓向量為:

U=Ure+jUim

(1)

式中:Ure為電壓向量實部;j為虛數符號;Uim為電壓向量虛部。

經過FFT計算后,數據信號的掃頻頻率電流向量可以記作:

I=Ire+jIim

(2)

式中:Ire為電流向量實部;Iim為電流向量虛部。

分流器的阻抗可以記作:

(3)

通過式(3)可得:

(4)

通過BF533主板計算直流有功功率為:

(5)

式中:UV為采集電壓變換二次直流電壓;UI為電流變換后的直流電壓;KV為電壓分壓系數。

UDC=KV×UV

(6)

式中:UDC為轉換電壓。

(7)

式中:IDC為轉換電流。

本文假設:數據信息的采樣率為256 kS/ms;每個周波采樣256點;每1 ms計算一次分流器的實時電阻值R。通過BF533處理器芯片上的定時器Timer1采集被檢表的脈沖數,并實時計算本機電能,最終顯示有功電能基本誤差。

3 直流測試單元設計

本文的研究關鍵是在直流測試單元中設計控制模塊電路,以抑制大功率高噪聲環境下的共模干擾。本文根據各通道采集信號的帶寬,設計相應的低通濾波電路,以濾除不必要的高頻信號分量。在衰減采樣電路中,本文使用多個分壓電阻組成分壓網絡。直流測試單元使用了24 V直流固態繼電器,中間加入1組電氣隔離器件。常開觸點與常閉觸點切換時不會發出噪聲。繼電器將光耦的5 V輸出電壓放大到了24 V。在具體應用過程中,通過繼電器和交流接觸器線圈串聯250 V的陶瓷電容和300 Ω的電阻,進而減小線圈的感應電流。

本文研究的直流測試單元能檢測到充電樁工作誤差、充電量顯示誤差等試驗項目。直流電壓范圍的設計參數為30～1 150 V;電壓精度小于0.02%;電壓量程為300 V、750 V、1 000 V;電壓分辨力為0.1 mV;直流電流范圍為0.5～300 A、100 A、250 A;電流分辨力為0.1 mA;工作溫度范圍為-30～+55 ℃;存儲溫度范圍為-30～+70 ℃;負載能力大于20 mA;標準電能脈沖輸入為最高頻率100 kHz。

本文研究的直流測試單元在功能上由模擬采樣部分和數字處理部分組成。模擬采樣部分主要對充電樁的充電參數進行信號采樣、信號調理和數模轉換。數字處理部分設計有電氣隔離電路,以防止模擬信號與數字信號之間發生串擾[4]。直流測試單元采用基于現場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)+ARM的數據處理方式,完成充電參數的功率運算、電能運算、數據存儲和接口封裝等功能。直流測試單元結構如圖3所示。

在直流測試單元設計中,其內置的ADC芯片為高精度芯片ADS8556。該芯片的分辨率為 16 位,能夠實現不同數據信息、不同通路的交互。在具體應用中,直流測試單元為6路并行數據通道;采樣率為630 kS/s;輸入范圍為-10～+10 V;采集精度為小于0.02%[5]。這種形式的直流測試單元能夠滿足不同數據信息通道的同步采樣和測量。在具體計算過程中,直流測試單元還加入了FPGA模塊。通過FPGA模塊能夠實現不同形式脈沖數據信息的計數、采樣、數據預處理、實時運算和記錄等各種功能[5]。在具體工作時,直流測試單元的精度達到0.02%[6-7]。直流測試單元使用阻容分壓法電路。

阻容分壓器的傳遞函數可表示為:

(8)

式中:R1、R2為高精度分壓電阻。

阻容分壓法電路如圖4所示。

圖4 阻容分壓法電路

本文采用阻容分壓法的目的主要是提高分壓精度。通過將多個不同的高精度電阻串聯起來,以各種不同的電阻構成分壓網絡,可以提高電路分壓精度。研究模塊的直流電壓信號分壓比為1 000 V∶10 V,檢測點電壓和輔助電壓比為12 V∶10 V[8]。為了提高信號抗干擾能力,在應用過程中還設計了控制模塊電路以提高數據信號的共模抑制比。本文在直流測試單元電路中引入了信號調理電路,以提高抗干擾能力,并通過乘法器將原始信號放大2倍[9]。減法器可將信號幅度下降10 V,使ADC的最佳輸入范圍為-10～+10 V。

直流測試單元的充電控制模塊電路如圖5所示。

圖5 充電控制模塊電路

充電控制模塊電路由5 V光耦合器、24 V繼電器組成,實現了直流測試單元的控制器輸入/輸出(input/output,I/O)端口控制充電樁充電的功能;并使用24 V直流固態繼電器(繼電器中間是一組電氣隔離器件),利用輸入端的低電壓控制輸出端的高電壓開關[10]。

直流測試單元通過主控制器實現光耦二極管的陰極控制。光耦合器輸出端通過24 V直流繼電器實現數據信號的控制。工作過程中,當PA0端口為低電平數據信息時,K1閉合[11-12]。直流測試單元的主控制器在工作過程中,能夠采用RS-485總線電路實現計量模塊的數據通信。計量模塊的控制器接口電路如圖6所示。

圖6 控制器接口電路

光耦合電路控制器UART2的TXD口和RXD口為數據通信接口。數據通信接口進行電氣隔離后連接RO端和DI端,使用上拉電阻將PA3口鉗制為高電平。

4 應用測試

為驗證本文研究的計量檢定系統性能,本文分別使用文獻[3]系統、文獻[4]系統和本文系統進行試驗,對比三種系統的計量檢定精度和示值誤差。測試使用三相功率校準源、待測直流充電樁和大功率模組化負載等設備搭建試驗環境,以完成高精度計量檢測和系統功能指標檢測。測試儀器設備的參數中:三相功率校準源的數量為1個,型號為FLUKE6003A;直流電壓為1～280 V;直流電流為0～30 A;功率為0～18 kW。直流充電樁型號為NRZS9302,電壓為0～750 V、電流為0～40 A。大功率模組化負載型號為WS-66066M,額定功率為60 KW。本文測試綜合設備的量程范圍,累計選取5個測試點,分別為1#(150 V,5 A)、2#(150 V,15 A)、3#(150 V,25 A)、4#(200 V,15 A)和5#(250 V,25 A)。每個測試點的測量數據點均為1 000。每個測試點均接入待測計量檢定系統的電能脈沖輸出信號。試驗通過配置電能誤差測試的參考功率,以驗證電能誤差。測量點電壓輸出結果如表1所示。

三種系統對測量點進行測量的測量點電壓值如表2所示。

表2 測量點電壓值

本文根據采集到的測點電壓值,計算電能誤差。本文系統的平均電能誤差為0.01%。文獻[3]系統的平均電能誤差為0.36%。文獻[4]系統的平均電能誤差為0.85%。本文系統滿足0.1級的精度指標要求,檢測到的充電樁電流、電壓、功率等參數更加準確,精度更高。檢測結果為:測點3的輸出功率為3.75 kW;測點5的電壓高達250.02 V;此時的輸出功率達到6.25 kW。文獻[3]系統檢測到測點2的電壓值為149.48 V、電流值為24.56 A。當電壓上升到200 V時,檢測到的輸出功率達到4.82 kW。文獻[4]系統平均電能誤差高達0.50%以上,檢測到測點1的電壓值為152.36 V;測點3的電壓值為151.78 V。上述結果與實際輸出值相差較大。

試驗綜合設備的每個測量點的測量數據均為1 000。示值誤差測試需要最大負載運行。測試結束后,需要手動從充電樁界面讀取顯示的充電電能。測量點電能輸出結果如表3所示。

表3 測量點電能輸出結果

示值測試結果如表4所示。

表4 示值測試結果

示值測試時,請求電壓為750 V,請求電流為40 A。本文系統檢測到的累計標準能量為5.017 kWh、充電樁顯示電能為5 kWh、示值誤差為0.34%。上述結果滿足充電樁精度等級要求。本文系統檢測到的電能值變化穩定,示值誤差最小。文獻[3]系統檢測到1～2 s時間段內的電能值高于實際值,隨后快速下降。電能值波動幅度較大,示值誤差大于2%。文獻[4]系統前3 s的電能值始終高于5 kWh,在3.5 s時與實際電能值接近,示值誤差較大。

5 結論

針對提高電能計量值的問題,本文設計了1套計量檢定系統,以提取充電樁的工作誤差、示值誤差等數據信息。該系統實現了電能計量檢定誤差計算,大大提高了計量檢定效率。本文還設計了直流測試單元,將連接線一端連接到充電樁的充電線插座,另一端連接到電動汽車的充電插座,并將連接線內部所有的連接信號直通,進而保證充電樁和電動汽車在工作過程中檢定工作的順利進行。試驗結果表明,該系統檢定效率、精度高,為后續研究奠定了技術基礎。