溫濕度對交流充電樁示值誤差的影響

張黎輝

(陜西省計量科學研究院，陜西 西安 710065)

0 引言

近年來，隨著我國新能源汽車的大力推廣，新能源電動汽車保有量逐年增加，截止2017年底，我國電動汽車保有量近160萬輛，位居世界首位[1]。同時，在各級政府的政策引導下，與之配套的充電基礎設施在全國范圍內大量布局，保有量居世界前列[2]。根據國家發改委《電動汽車充電基礎設施發展指南(2015-2020)》規劃，到2020年我國將建成分散式充電樁480萬個，以滿足全國500萬輛電動汽車的充電需求，這對充電產業快速發展與充電設施大量建設提供了最直接、最有力的政策保障。

電動汽車充電設施按功能分為交流充電樁和直流充電機，本文僅討論交流充電樁(以下簡稱充電樁)，其功能類似加油機，安裝于公共建筑(公共樓宇、商場、公共停車場等)和居民小區停車場或充電站內，面向社會提供充電服務，也存在電能消耗、充電費用結算等問題。充電樁充電電量示值是充電結束后進行費用結算的主要依據，示值誤差為充電樁人機交互界面或者結算軟件上顯示的充電電能量的計量誤差[3]，是評價充電樁計量性能的關鍵指標，也是充電樁生產企業、運營公司及使用者等利益相關群體最關注指標之一。本文以充電樁運行環境溫濕度為研究切入點，運用實驗手段，測量在不同運行環境溫濕度下的充電樁示值誤差，分析環境溫濕度對誤差的影響并簡述了原因。

1 實驗系統及方案

1.1 實驗系統介紹

參照電動汽車交流充電樁檢定規程[3]所述，本實驗系統采用可編程交流阻性負載和專用交流充電樁測試儀作為充電樁示值誤差的測量標準裝置。為研究充電樁在不同環境溫濕度下的示值誤差的變化情況，同時排除溫濕度變化對充電樁測試裝置和可編程交流阻性負載對測量結果的影響，僅將待測充電樁置入恒溫恒濕實驗裝置，實驗系統原理如圖1所示。

圖1 實驗系統原理框圖

實驗中待測充電樁的基本出廠參數如表1所示，實物如圖2(a)所示，該充電樁為最大輸出功率為21 kW，額定輸出電壓下最大輸出3×32 A的三相交流充電樁。

圖2(b)為恒溫恒濕實驗裝置，溫度范圍控制范圍為-40～180 ℃，穩定度為±0.1 ℃，濕度范圍控制范圍為10%～98%RH，穩定度±2%RH，容積200 L。圖2(c)為交流充電樁測試儀，設備參數為：電壓測量范圍3×0.1 V～3×400 V，電流測量范圍3×0.1 A～3×100 A)，功率/電能測量最大誤差為±0.05%。圖2(d)為可編程交流阻性負載，額定電壓250 V，最大輸入功率為30 kW。

表1 待測充電樁基本參數

圖2 實驗系統所用主要實驗設備

1.2 實驗方案

充電樁計量檢定條件中對溫度條件的規定為：一般范圍為-10～40 ℃，擴展范圍為-20～50 ℃，對濕度的規定為：不大于90%RH[3]，參照電工電子產品環境試驗國家標準[4-7]中關于溫度和濕度環境試驗的規定，本文溫度影響實驗方案中，待測充電樁恒溫時間4 h，每個溫度點持續時間為72 h；濕度影響實驗時，考慮到待測充電樁良好的防水性能，恒濕時間為3 h，每個濕度點持續時間為72 h。

參照電動汽車交流充電樁檢定規程[3]對充電樁現場檢定負載點的規定，考慮實驗方案的時效性，分別在待測充電樁輸出為220 V/3×2 A，220 V/3×16 A，220 V/3×32 A時，分別以溫度和濕度為實驗變量，測量待測充電樁示值誤差。

圖3(a)所示為恒定濕度環境下，以溫度為變量的實驗方案：設定濕度為50%RH，溫度選取點為-20，0，25，50 ℃，測試中VC4060每個溫度點從起始溫度到設定值之間的調節過程，待測充電樁始終通電置入。在溫度達到設定值時，待測充電樁在實驗環境中需恒溫4 h。通過調節負載改變充電樁輸出電流，運用交流充電樁測試儀對示值誤差進行6次重復測量，取測量結果平均值作為設定溫度下該負載點的示值誤差測量結果，結果記錄并保存在PC中。

圖3 溫、濕度影響測試方案示意圖

同理，圖3(b)為恒定溫度環境下，以濕度為變量的實驗方案。分別設定溫度為25 ℃和50 ℃，濕度選取點為20%RH，40%RH，60%RH以及90%RH，測試時VC4060每個濕度點從起始值到設定值之間的調節過程，待測充電樁亦始終通電置入。在濕度達到設定值時，待測充電樁在測試環境中靜置3 h。參照溫度影響實驗方案，記錄、處理不同負載點，相同溫度時的充電樁示值誤差測量結果，并將其保存在PC中。

2 結果與分析

2.1 溫度影響實驗結果與分析

圖4是環境濕度相同溫度不同的情況下，被測充電樁示值誤差隨溫度變化的實驗測量結果。從圖4可知：①環境溫度不同，被測充電樁示值誤差不同；②不同負載時，充電樁示值誤差一致性好，即示值誤差不因充電電流的大小不同而有明顯差異；③環境溫度變化時，不同負載下，充電樁充電示值誤差隨溫度變化而變化，并呈現一定線性相關性。由此可見，充電樁充電示值誤差變化與環境溫度變化相關，分析原因主要有以下幾方面：①充電樁內部元器件，在不同溫度下產生了不同的溫度漂移[8-9]，內部計量芯片的基準電壓、基準穩壓管、金屬膜電阻器等受溫度影響的元器件都會有對應的溫度系數，其量值會隨溫度的變化而變化，這就造成在測量時得到的系統累積誤差不同，從而導致示值誤差的不同；②充電電量是功率和時間的累積量。實時功率由充電樁計量單元的電壓采樣器和電流采樣器通過乘法器而得，工作溫度條件下，電壓、電流采樣器的準確度受采樣位數和內部晶振的影響。不同工作溫度時采樣器會產生的非線性誤差，同時，內部晶振頻率是溫度的敏感量[10]，因此在不同溫度下，上述各部分誤差對充電電量累積值的示值誤差是有一定影響的。

圖4 實驗濕度50%RH時不同溫度不同負載充電樁示值誤差

2.2 濕度影響實驗結果與分析

圖5是環境溫度在25 ℃和50 ℃時，不同環境濕度不同負載時，被測充電樁示值誤差隨濕度變化的實驗測量結果。從圖5可知：①環境溫度分別在25 ℃和50 ℃下，環境濕度變化與被測充電樁充電示值誤差變化無顯著相關性；②不同負載時，充電樁示值誤差亦表現出良好的一致性。由此可見，充電樁示值誤差變化與環境濕度變化無關，分析原因主要為：被測充電樁整機外殼防水性好，實驗環境中濕度大小無法有效影響被測充電樁機械外殼內濕度，使得充電樁內部時鐘晶振電路不受實驗環境中濕度大小的影響，這保證了時鐘晶振電路電氣參數的相對穩定，體現在實驗結果上就是充電樁充電示值誤差變化不受環境濕度變化影響。

圖5 不同濕度不同負載充電樁示值誤差

3 結論

對于電動汽車的“加電機”，充電樁最重要的計量性能指標就是示值誤差。通過實驗研究發現：充電樁示值誤差的變化與環境溫度變化相關，與環境濕度的變化無關。此結論對充電樁設計制造企業有實際利用價值。在充電樁設計時，就可以對不同溫度下，充電樁示值進行補償，以便示值誤差符合計量檢定規程的要求，進而生產出計量性能更加優異的產品。在充分保障充電樁運營商和使用方權益的同時，也維護了社會的公平與正義。