電動汽車交直流充電樁檢測裝置探索與設(shè)計

劉浩宇，何澤昊，呂偉嘉，孫 虹，張兆杰

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

0 引 言

降低交通領(lǐng)域溫室氣體排放是解決全球氣候變化的重要手段，是建設(shè)可持續(xù)發(fā)展電動汽車行業(yè)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(lǐng)域?qū)θ驓夂蚝铜h(huán)境造成的影響。我國的汽車產(chǎn)業(yè)也正在積極推動交通能源的轉(zhuǎn)型，把發(fā)展電動汽車提升到國家戰(zhàn)略的高度。因此，充電樁的計量準確性關(guān)系民生，顯得愈發(fā)重要。近年來電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的國家技術(shù)規(guī)范、產(chǎn)品標準、檢定規(guī)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(guī)程發(fā)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(guī)程發(fā)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(shè)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(tǒng)設(shè)計如圖1所示。交流充電樁電氣系統(tǒng)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(tǒng)二次回路由控制繼電器、急停按鈕、運行狀態(tài)指示燈、充電樁智能控制器和人機交互設(shè)備(顯示、輸入與刷卡)五部分組成。交流充電樁電氣系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)指示、交流充電計量、刷卡、充電方式設(shè)置與啟停控制操作。

圖1 交流充電樁電氣系統(tǒng)設(shè)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(xiàn)快速充電。所以筆者經(jīng)過研究，采用了直流充電樁的方式來實現(xiàn)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(wǎng)連接。筆者將直流充電樁的輸入電壓設(shè)計為三相四線AC380 V±15%，頻率50 Hz,輸出設(shè)計為可調(diào)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(diào)整范圍，從而滿足了快充的要求。

根據(jù)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(shè)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(shè)計中采用電壓并聯(lián)、電流串聯(lián)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(shè)備設(shè)計時應(yīng)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(shè)備的脈沖端相聯(lián)，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(zhuǎn)換線路設(shè)計

轉(zhuǎn)換線路的設(shè)計是為了提高設(shè)備的檢測準確度與更廣的設(shè)備同用性而設(shè)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(chǎn)技術(shù)已經(jīng)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(shè)備生產(chǎn)企業(yè)都已經(jīng)開始進行這方面的研制，根據(jù)一些生產(chǎn)企業(yè)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(shè)備實現(xiàn)對交直流充電樁的檢測，需要設(shè)計轉(zhuǎn)換線路來滿足檢測要求。

連接與轉(zhuǎn)換線路設(shè)計的示意圖如圖2所示。

圖2 交直流采樣轉(zhuǎn)換線路

檢測設(shè)備兩端設(shè)有可插拔的充電插座，檢測時可根據(jù)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(yīng)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(shè)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(xiàn)場有可能外接電能表現(xiàn)場校驗儀，我們在這個連接器上設(shè)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(xiàn)檢測模式的轉(zhuǎn)換。

3 交直流誤差處理器的設(shè)計

交直流充電樁檢測設(shè)備的研制，主要依據(jù)充電樁檢定規(guī)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(jié)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(yīng)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(jié)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(yīng)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(shù)1.0作為檢定點，現(xiàn)場檢定按現(xiàn)場實際電壓、電流、功率因數(shù)選取檢定點。

應(yīng)付金額計算公式：

A=kW

式中，A為應(yīng)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(yīng)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(nèi)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(shè)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(shù)的方式：標準表檔位脈沖常數(shù)÷被檢表脈沖常數(shù)×圈數(shù)=理論脈沖個數(shù)。

誤差處理器的設(shè)計主要使檢測結(jié)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(jié)果，提高檢測效率、減少讀數(shù)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(jié)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(guī)程后，切入實際設(shè)計了一款綜合型的電動汽車充電樁檢測裝置，旨在服務(wù)民生，規(guī)范電動汽車充電服務(wù)行業(yè)，使貿(mào)易結(jié)算的充電設(shè)備檢測更準確，使用戶在充電樁安裝后的調(diào)試驗收更加便捷，具有良好的經(jīng)濟效益與社會效益。