電動汽車充電樁的電能計量研究綜述

鄭麗輝 鄭禮民

摘 要：隨著能源、環保、節能等理念的提出，電動汽車市場發生了快速的發展，呈爆發性增長。充電樁作為電動汽車的續航設備，其發展速度將限制電動汽車產業的發展。本文主要針對電動汽車充電樁的電能計量問題展開探討，首先介紹了國內外充電樁的發展現狀，研究不同充電樁的分類和充電原理，最后對直流充電樁和交流充電樁的計量原理進行論述，為后續電動汽車充電樁的計量系統研究提供了大量的參考。

1 電動汽車的充電樁分類與原理

電動汽車根據充電模式的不同，可以將充電方式分為充電樁與換電池兩個方式，換電池主要在換電站提供電池更換和服務功能，電池的更換時間短、占地面積較充電站小，但現受限于各電池的標準規范不同，行業交流不夠緊密等因素，導致換電站的實現主要存在與電動公交車和出租車等大批量組織市場。充電樁可根據電流種類的不同，分為交流充電樁和直流充電樁[1]。

1.1 交流慢充充電樁

交流充電方式，即“慢充”。通過采用交流充電樁充電口直接連接汽車的慢充口，無需外部專門交直流轉換系統，主要經過汽車內部充電機實施交直流轉換，為電動汽車電池進行充電。因此交流充電樁主要功能是相應的控制、計費和通信等功能，計算充電過程中的電能，控制系統對充電樁進行電壓電流和溫度的檢測，并實施通信反饋，監測用電過程的安全性和穩定性。交流充電樁采用小電流小功率慢充的方式，提供單路或者雙路220V AC/380V AC輸出，功率一般在5kW/20kW，因此延長了電池的使用壽命，一般需要6-8小時才可完成充電。

1.2 直流快充充電樁

直流充電方式，即“快充”。直流充電樁需要與非車載充電機配合使用，利用非車載充電機將電網的交流電轉換為直流電，輸送至電動汽車的快充口。直流充電樁主要由控制模塊、計量模塊、通信模塊、電源模塊等。主控制器對整個充電樁進行控制，主要控制充電樁的電流轉換、電流監控、數據讀取、通信系統的管理等，協調各個模塊之間的工作。直流充電輸入電壓頻率為50Hz的三相四線AC380V±15%，輸出直流為電池充電。直流充電的電流大，是常規交流充電電流的十倍甚至幾十倍，半小時即可充滿電池的80%容量。

1.3 充電樁充電原理

電動汽車的充電原理主要有恒流充電法、恒壓充電法和兩段式充電法。恒流充電通過穩定充電的電流，但充電過程中電池接收電流的減小，會導致電池的析出。恒壓充電法在充電初期的電壓快速升高后趨于穩定，但電流減小，主要問題是充電初期的大電流會嚴重影響電池的壽命。兩段式充電法集合了恒流充電法和恒壓充電法，如圖1所示。首先是恒流充電，其次是恒壓充電，隨著充電的開始，電壓較小，隨電流較大但相對穩定，隨著充電的進行，電壓上升至電池的額定電壓后，進入恒壓環節，電池電動勢逐步增大，電流持續下降，直至降為零。

2 充電樁電能計量的研究

在汽車充電過程中，電池充電電壓和電流隨時間而不斷變化，信號中會出現很多的損耗和諧波，導致充電電能的計量準確度下降，產生微量的誤差，引起對電能的計量問題和計費錯誤。日本三菱電機公司的Miyama Y， Hazcyama M， Hanioka S等對永磁同步電動機上提出一種新的載波諧波損耗抑制技術，采用二維有限法降低了充電機的損耗。意大利的Cataliotti A，Cosentino V，Di Cara D等提出一種頻率響應的RCCT補償方法，減小了諧波功率誤差。武漢大學和國網江蘇電力楊金濤，樂健等針對諧波誤差及影響因素，搭建新型電能計量模型，降低了諧波條件下的計量誤差。廣東電網電力研究所趙偉孟，金嶺陳等采用ip-iq算法和快速傅里葉變換和準同步采用線性插值的補償算法，解決了充電設施的電源檢定溯源問題[2，3]。

2.1 交流充電樁計量原理

交流電能計量方法[4]主要分為兩種：一種是頻域法，通過頻率特性研究系統的方法，分別計算出基波電能和諧波電能，從而準確地對用電電能計量。常采用加窗傅里葉變換、形態小波變換算法、廣義瞬時無功功率等算法，有效地解決非線性接入后所產生的電能計量問題。

一種是時域法，即以時間函數描述系統并加以分析研究的一種方法。常采用的方法由瞬時積分法，通過測量交流電的相角和頻率，計算用電電能，公式如下：

u（t）=U_m ?sin?wt=√2 U sin?wt ? ? ? ? ? i（t）=I_m ?sin?〖（wt-φ）=√2 I sin?（wt-φ） 〗

K_p=K_m K_i K_u ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?W_p=∫_0^T?〖u（t）i（t）dt〗=TK_p UI cos?φ

式中，U_m 、I_m分別為電壓與電流峰值;K_u 、K_i分別為電壓、電流轉換系數。

2.2 直流充電樁計量原理

直流電的大小和方向不會隨時間變化而變化，通過把交流電進行整流和濾波之后，即變成平穩的直流電。但在交流電與直流電的轉換過程時，充電設備與計量系統中存在著非線性特性，將會引起電網電壓電流產生諧波、波動、三相不平衡、有功功率線損高等一系列問題，降低了對電能計量的準確計量。現今主要的直流電能計量方法主要有：平均值法、有效值法、瞬時功率積分法[5]。

平均值法通過采樣時間間隔，獲取各個采樣點的電流、電壓的平均值，從而得到個點瞬時功率的平均值，再把單位周期內的所有值累加形成電能值。

P=1/n ∑_（k=1）^n?u（t_k ）i（t_k ） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?W=?t/n ∑_（k=1）^n?u（t_k ）i（t_k ）

有效值法通過計算周期內的電壓、電流有效值，將電壓與電流有效值通過計算得到功率和總電能。

U=√（1/T ∫_0^T?〖u^2 dt〗） ? ? ? ? ? ? ? ? ? I=√（1/T ∫_0^T?〖t^2 dt〗） ? ? ? ? ? ? ? ? ? W=P??t≈UI??t

瞬時功率積分法通過對一個周期內，每個采樣點計算瞬時值，再將瞬時功率平均值累加得到功率，再將功率相加取平均值得到電能。

P（t_k）=u（t_k ）i（t_k ）

P=1/N[u（t_1 ）i（t_1 ）+u（t_2 ）i（t_2 ）+…+u（t_n ）i（t_n ）]=1/N ∑_（k=1）^n?u（t_k ）i（t_k ）

W=[1/N ∑_（k=1）^n?u（t_k ）i（t_k ） ]?t

結論

電動汽車的發展離不開充電樁計量系統的提升，充電樁的直流與交流中存在的損耗和諧波影響導致計量存在誤差。本文分析了電動汽車的交流/直流充電樁的優劣勢和計量原理，后期將深入研究交流/直流充電樁的計量誤差分析和算法進行改進研究。

參考文獻

[1]袁航.電動汽車充電樁的日常維護[J].南方農機，2019，50（17）：114.

[2]韓迪，姜振宇，劉科學，譚志強，巨漢基，郭皎.電動汽車充電樁電能計量相關問題研究[J].交通節能與環保，2021，17（01）：14-17.

[3]宋紅賀. 電動汽車直流充電樁監測與管理系統研究與設計[D].山東科技大學，2018.

[4]咸凱耀. 計及紋波影響的電動汽車直流計量誤差分析與改進算法研究[D].山東科技大學，2019.

[5]吳曉萌. 電動汽車交流充電樁及智能充電控制策略研究[D].杭州電子科技大學，2019.

2021年度衢州市科技局指導性科研項目（2021070）：基于Rogowski線圈的充電樁電能計量系統設計