電動汽車充電樁電能計量檢定新思路

朱曉鵬，王光旭，趙培雷，于洪喜，曹學儒，李東雪，程 飛

電動汽車充電樁電能計量檢定新思路

朱曉鵬，王光旭，趙培雷，于洪喜，曹學儒，李東雪，程 飛

(北京博電新力電氣股份有限公司，北京 100176)

隨著電動汽車保有量突飛猛進，充電安全、互聯互通及交易公平受到各界高度關注，迫切需要解決科學性、先進性和標準的兼容性問題。充電設施的電能計量檢定作為維護用戶與電能提供方交易公平、公正的重要的保障手段，是電動汽車健康、良性發展的基礎。當前現有電動汽車充電設施電能計量現場檢定裝置，普遍存在設備復雜、笨重、無法實現規定測試點等諸多問題，致使檢定工作無法便捷、高效的開展。針對當前問題，提出了一種新的思路和實現方法。通過本方法，彌補常規檢定裝置的缺點和不足，解決了現場電能計量檢定的問題，為電動汽車充電設施的年度強制檢定提供工具，使得檢定工作能夠高效、科學的開展。

電動汽車；充電設施；計量檢定；交直流充電樁

0 引言

隨著電動汽車保有量突飛猛進，充電安全、互聯互通及交易公平受到各界高度關注，迫切需要解決科學性、先進性和標準的兼容性問題。

充電設施的電能計量檢定作為維護用戶與電能提供方交易公平、公正的重要的保障手段，是電動汽車健康、良性發展的基礎。

當前現有電動汽車充電設施電能計量現場檢定裝置，普遍存在設備復雜、笨重、無法實現規定測試點的檢測等問題，致使檢定工作無法高效、便捷的開展。如圖1所示。

圖1 當前市場上現有充電樁檢定裝置示意

本文結合 JJG1149-2018《非車載充電機計量檢定規程》和 JJG1148-2018《交流充電樁計量檢定規程》分析現場計量檢定方法，運用電能脈沖法和最小電能變量法，算定可以在短時準確地獲取出各項誤差值的充電設施所耗最小電能值，提出了一種可以快速檢定的方法。

1 當前市場產品分析

本節從當前電動汽車充電設施電能計量檢定裝置的基本原理出發，探討其優缺點，并根據當前市場的需求，引出本文所要討論的重點。

1.1 原理分析

當前市場上電動汽車充電樁電能計量檢定產品的總體框架如圖2所示。

圖2 電動汽車充電樁電能計量檢定產品總體框架

其中：

被檢充電樁可為非車載直流充電設施或交流充電設施。

交直流充電接口模擬裝置，在系統中負責模擬電動汽車與充電設施的控制導引接口的連接，在非車載直流充電設施電能計量檢定中模擬車端BMS與直流充電設施通信，實現直流充電設施的啟動、工作狀態調整、停止等。

標準表及控制系統，是電能計量檢定系統的控制中心，負責檢定系統的整體資源控制及調配。

負載，是被檢充電設施電能的消納裝置。當前市場廣泛采用純阻性負載來實現。

1.2 優缺點分析

圖2中的負載可以采用純阻性負載、電子負載、電子回饋式負載、電動汽車等形式來實現。

考慮電子回饋式負載現場測試的復雜程度和危險系數，此處不列入探討之列。

根據交流充電設施和直流充電設施兩種不同的情況，將阻性負載、電子負載、電動汽車作為負載，在充電樁電能計量檢定中的電壓范圍、測試點、工作模式、可重復性、便捷性、諧波引入，這六方面做比較，統計表格如表1、表2。

表1 交流檢定-不同負載特性比較

表2 直流檢定-不同負載特性比較

電動汽車作為負載，在交流充電樁檢定時，其特性類似于電子負載，但其電流測試點的范圍往往沒有電子負載那么寬泛，如某型號電動汽車，其電流調節范圍為10~31.5 A之間；在直流充電樁檢定時，其特性類似于電容，對于充電機的諧波電流有很好的吸收作用，但是其電壓檢測點受限于車載電池自身的狀態，不能隨意改變。

但對于現場計量檢定而言，電動汽車作為負載有著獨特的優勢：

1) 便捷。電動汽車作為負載，無需配備龐大、笨重的電阻負載或電子負載，只需要輕便的檢定裝置，大大降低了現場的操作難度。

2) 與實際應用場景相符。電動汽車作為負載，電能計量檢定應用場景與實際工作場景一致，更具有說服力。

3) 節能。電動汽車作為負載，檢定過程中電能存儲，用于站點周轉之間，車需要的能量消耗掉，節能環保。

本文討論使用電動汽車作為負載，在電能計量檢定時的實現方法。

2 可行性

本節分析電動汽車作為負載的幾個關鍵點，驗證其可行性和合規性。

2.1 容量

電動汽車車載電池管理系統根據電池的容量采取不同的充電策略，如不同的充電模式(恒壓、恒流)和不同的充電電流，當電池容量在20%~80%之間時，充電模式多為恒流狀態，且充電電流可調范圍比較大，比較適合開展電能計量檢定工作。

根據JJG1149-2018《非車載充電機計量檢定規程》和 JJG1148-2018《交流充電樁計量檢定規程》檢測項目和檢測點的要求，示值誤差項目所要消納的電能最多，對于電能量示值分辨率為0.001度的樁而言，不同精度的電能表對應的需要消納的電能如表3所示，表達式為

表3 不同等級電能表所需消納的電能量

當前市場上，電動汽車電池容量普遍在60 kWh以上，電池容量范圍在20%~80%之間，對應的電能量為

對于當前市場上常用的1%的電能表而言的充電樁而言，單個充電場站，支持大約30個充電樁的電能計量檢定工作的開展。

而且國內主流車企，都有車型支持V2H的工作模式，即將電動車內電池的能量通過逆變裝置，變換為交流市電的形式輸出。

2.2 電壓檢測點

參考JJG1149-2018《非車載充電機計量檢定規程》和 JJG1148-2018《交流充電樁計量檢定規程》中所須測試點截圖如圖3、圖4。

由圖3和圖4可知，電壓檢測點可以說是不受限制的。特別是對直流充電樁的檢定而言，電動汽車單一的實時電壓也能滿足檢定規程的要求，這就

圖3 JJG1148工作誤差測試點

圖4 JJG1149工作誤差測試點

大大方便了現場使用電動汽車作為負載進行電能計量檢定的工作。

3 實現

對于計量檢定而言，關鍵的是調整電流檢測點。對應交流充電樁和直流充電樁的電能計量檢定，下面分別討論。

3.1 交流充電樁計量檢定

對于電動汽車車載充電機而言，需要根據CP信號PWM的占空比來調整充電電流。如圖5所示。

圖5 交流計量檢定系統框圖

對于此檢定系統而言，關鍵為樁端接口模擬電路和車端接口模擬電路的單獨設計。

對于車端接口模擬電路而言，負責模擬車端邏輯，使得樁能夠正常的啟動，并獲取樁端的基本信息(如額定電流的大小)。

對于樁端接口模擬電路而言，負責模擬樁端邏輯，通過CP信號的PWM占空比變化，調節電動汽車內部車載充電機充電電流的大小。

從而實現不同負載點進行交流充電樁工作誤差檢定的目的。

3.2 直流充電樁計量檢定

對于電動汽車BMS而言，直流充電樁實際充電電流小于BCL報文中電流需求值時，充電能夠繼續。如圖6所示。

圖6 直流計量檢定系統框圖

車端接口及CAN模擬電路模擬電動車，樁端接口及CAN模擬電路模擬充電樁。

車端接口及CAN模擬電路，截取直流充電樁的報文信息，不做更改，通過樁端接口及CAN模擬電路發送給電動汽車。

樁端接口及CAN模擬電路，截取電動汽車的報文信息，除去BCL外，其他不做修改，發送給直流充電樁。

當從電動汽車發出的BCL中電流的需求值大于等于實際時，通過樁端接口及CAN模擬電路發送給直流充電樁的BCL報文時，整個測試系統是安全的。

4 驗證

本節以交流充電設施檢定為例，驗證電動汽車作為負載的可行性。

4.1 控制導引電路

對于交流充電設施而言，無法直接控制用電端的功率，即車載充電機的充電功率，只能間接地通過控制導引信號CP的PWM占空比來傳達表征交流充電樁供電能力的信息給車載充電機，最終由車載充電機調節充電電流。

所以，設計中將充電樁端控制導引電路和車端充電控制導引信號單獨設計。如圖7所示。

圖7 交流檢定設備控制導引示意

如圖7所示，圖中左側部分模擬電動汽車的充電接口，與樁交互；圖中右側部分模擬充電樁控制導引部分，與車交互，通過調節此處PWM信號的占空比來傳達相應的調節電流的信息。

4.2 產品展示

產品名為電動汽車交流充電檢測裝置，型號為EVA100A。產品外觀示意如圖8所示。產品功能框架如圖9所示。

圖8 EVA100 A 外觀示意圖

圖9 EVA100 A內部功能框架圖

EVA100A采用手持式設計，針對電動汽車交流充電檢測、檢定而設計的裝置，可以滿足實驗室及現場多種場合下，充電功能、故障診斷、計量檢定等多項測試工作。

主要功能如下：

1) 支持電能計量檢定項目：工作誤差、顯示誤差、付費金額誤差等。

2) 充電功能檢測：通過充電接口模擬電路，實現交流充電樁互操作性、電氣性的簡單測試。

3) 內部溫度測量：內置溫度傳感器，用于設備內部的溫度，確保安全。

4) 交流充電接口模擬功能：內置電動汽車交流充電接口模擬單元，可模擬電動汽車和交流充電樁，從而具備負載與實車兩種檢測計量方式。

5) 充電過程監測：介于充電樁和電動汽車之前，通過電壓電流及控制導引信號的實時采集，實現對充電過程的全程監測。

6) 充電故障診斷：通過充電過程的監測，及對數據的分析，實現對交流充電的故障診斷。

7) 以車作為負載的計量：通過控制車端充電電流，完成交流充電樁所需的幾個電流計量點的需求，便捷地實現了交流充電樁的現場計量。

4.3 現場使用

使用EVA100A做電動汽車交流充電計量檢定時，現場使用示意如圖10所示。

通過光電采樣裝置，將被測充電設施的電能脈沖由光信號轉換為電信號，高效地進行工作誤差的檢定。

自動測試的結果如圖11所示。

圖11 實測效果示意

在自動測試流程中，步驟1—步驟7是為了驗證，在EVA100A處于旁路狀態(監聽模式)時，充電樁能夠為電動汽車正常啟動充電、并能夠正常停止。步驟9—步驟14是通過調節CP信號PWM占空比，使得充電電流為額定充電電流、0.5倍的額定充電電流和最小充電電流(6 A)。

如圖中所示，充電電流能夠根據控制導引信號CP的PWM占空比來調節，但是，最小充電電流無法實現6 A的最小充電電流。

5 結論

此使用電動汽車作為充電樁電能計量檢定的負載的方法，是可行的，合規的，能夠大大提高現場操作的便捷性，使得電動汽車充電樁的常規年檢成為可能。

[1] 非車載充電機計量檢定規程: JJG1149-2018[S].

[2] 交流充電樁計量檢定規程: JJG1148—2018[S].

[3] 電動汽車非車載充電機電能計量: GBT 29318—2012[S].

[4] 電動汽車傳導充電系統通用要求: GBT 18487.1—2015[S].

[5] 電動汽車傳導充電用連接裝置第2部分交流充電接口: GBT 20234.2—2015[S].

[6] 電動汽車傳導充電用連接裝置第3部分直流充電接口: GBT 20234.3—2015[S].

[7] 電力系統實時動態監測系統第2部分數據傳輸協議: GBT 26865.2—2011[S].

[8] 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: GBT 27930—2015[S].

[9] 電動汽車傳導充電互操作性測試規范第2部分車輛: GBT 34657.2—2017[S].

[10] 電動汽車充電設備檢驗試驗規范第1部分非車載充電機: NBT 33008.1—2013[S]

New idea of field measurement and verification of electric vehicle charging pile

ZHU Xiaopeng, WANG Guangxu, ZHAO Peilei, YU Hongxi, CAO Xueru, LI Dongxue, CHENG Fei

(PONOVO.CN, Beijing 100176, China)

With the rapid development of electric vehicle ownership, the safety of charging, interconnection and transaction fairness have attracted wide attention from all walks of life. It is urgent to solve the compatibility problems of science, advanced nature and standards. As an important guarantee means to maintain fair and fair transaction between users and power suppliers, the electric energy measurement and verification of charging facilities are the basis for the healthy and healthy development of electric vehicles. At present, there are many problems in the existing electric vehicle charging facilities electric energy measurement field verification device, such as complex equipment, cumbersome, unable to achieve the specified test point, which makes the verification work can not be carried out conveniently and efficiently. In view of the current problems, this paper puts forward a new idea and implementation method. Through this method, it makes up for the shortcomings and deficiencies of the conventional verification device, solves the problem of on-site electric energy measurement and verification, provides a tool for the annual compulsory verification of electric vehicle charging facilities, and enables the verification work to be carried out efficiently and scientifically.

electric vehicle; charging facilities; metrological verification; CECPT

2018-03-31；

2018-11-25

朱曉鵬(1983—)，男，碩士研究生，高級工程師，研究方向為電動汽車充電系統；E-mail: zhuxp@ponovo.cn

王光旭(1987—)，男，本科，iOS軟件工程師；E-mail: wanggx@ponovo.cn

趙培雷(1983—)，男，本科，高級工程師，研究方向為電動汽車充電過程安全性監控。E-mail: zhaopl@ponovo.cn