實現一種交流充電樁自動檢測裝置的研究

鐘偉俊

（廣州計量檢測技術研究院，廣東 廣州 510000）

國內現有的交流充電樁檢測裝置存在操作流程復雜、檢測效率低、自動化水平不足、功能單一等問題，工作人員需要現場操作設備完成充電樁準確度相關參數檢測工作，所檢測的數據結果只能本地存儲，通常需要耗費較多時間用于數據整理、檢定評估等工作。針對這一問題，本文計劃開發一種自動化的檢測裝置，該裝置能夠滿足充電樁檢測準確度保證要求，具有符合市場需求的交流電量檢測功能，能夠通過內置芯片完成數據的計量檢定與遠程傳輸等工作，解決市場難題。

1 交流充電樁簡介

交流充電樁多用于滿足電動汽車的充電需求，應用場所多為居民小區、停車場等公共區域，能夠將交流電網中的電能傳輸給電動汽車，具備充電接口、操作界面等硬件結構，能夠完成電能計量、狀態監測、數據存儲等較多工作，其工作頻率為50Hz，電壓通常為220V或380V（波動范圍在±15%內），輸出電流多為32A。相關標準規定，交流充電樁的計量準確度等級需達到1.0級，為滿足工作需求，本文特研發一款具有0.05級準確度標準的自動檢測裝置，下面進行詳細論述。

2 交流充電樁電能檢定原理

電能誤差是交流充電樁計量檢測的關鍵項目，將充電樁的電量數據結果與檢測裝置的檢定結果對比分析，能夠確定電能誤差的具體數值。一般而言，檢測充電樁電量可以通過脈沖法以及瓦秒法開展，實際操作時，需要考慮充電樁的電量數值。

其中，脈沖法能夠以脈沖的形式將電能轉化，通過將檢測裝置轉化的脈沖與相同時段讀取自充電樁的電脈沖數值對比來確定檢測誤差的數值；瓦秒法主要依靠功率確定檢測誤差，依靠標準計時器對恒定功率狀態下充電樁的電能累積時間檢測，將檢測時間與功率相乘可得電能數值，檢測裝置檢測得到的電能與充電樁顯示的電能消耗數值對比，可以確定計量誤差的具有數據。

對比兩種檢定方法，瓦秒法需要在無時延的情況下不間斷地對設定的充電樁電能數值檢測，測量期間還需要確保功率數值恒定；脈沖法能夠在任意時段對電能誤差進行檢測，不會對充電樁的運行造成影響，但脈沖來源于內置電能表，數據的讀取需要通過拆卸設備外殼來開展，在操作方面相對復雜。

一方面，為提升檢測便捷性，本文設計的裝置能夠依靠瓦秒法檢測充電樁電能誤差，通過測量電壓、電流信號計算功率并計量時間的方式檢測充電樁電量數值，完成檢定工作；另一方面，檢測裝置也具備脈沖檢測功能，在應用時也可以借助脈沖法對電能誤差進行檢測。

3 交流充電樁自動檢測裝置設計分析

3.1 自動檢測裝置基本要求

為了滿足市場計量工作需求，本文設計的充電樁檢測裝置體積相對較小，具有便攜性特點，檢測裝置與程控負載通過底部裝設的耐磨靜音滾輪運輸，有效提升現場測試的便捷性。在接口方面，檢測裝置根據2015年修訂的0234.2推薦性國標設計了輸入與輸出接口，滿足市場上現行的各類充電樁檢測接口要求；該檢測裝置配置了信號監測端子，能夠為相關單位人員對充電樁的實時狀態進行監測。在外部結構方面，檢測裝置外包HPX輕質、強韌樹脂材料構成的箱體，箱體具有防塵、防水、耐高低溫、防撞等特性，溫度耐受最低為零下40℃，最高為99℃，防水等級可達IP67，內襯為EVA材質，具有緩沖震動等設備防護效果。

在準確度等級方面，該自動檢測裝置達到了0.05級，在測試充電樁期間可以自由切換使用程控負載或電動車負載，在操作方面能夠依靠工業級8寸觸摸屏操作，不僅操作極其簡單，還具有較強的抗干擾性、豐富的接口以及較高的運行穩定性。

3.2 檢測裝置硬件結構

檢測裝置硬件結構如圖1所示，主要包括顯示操作界面、電源、誤差計量模塊、測量模塊、負載接口、充電樁監測接口、充電樁輸入接口等功能模塊。檢測裝置所采集的信號主要包括充電樁的電流電壓輸出信號，還包括充電樁電能表中的脈沖信號、CP信號以及CC信號；測量主控單元能夠根據脈沖信號對充電樁誤差進行檢測；測量主控單元能夠對充電樁的電壓電流信號進行監測，通過處理器對檢測信號進行運算分析，實現對電能誤差的檢定；顯示操控單元能夠將檢測的數據結果在屏幕中顯示出來，還可以對程控負載進行切換控制，實現對輸出電流的模擬。

圖1 檢測系統流程框圖

充電樁檢測裝置工作原理詳見圖2，該裝置能夠檢測模塊主要涉及3條電壓檢測回路、3條電流檢測回路以及2條脈沖輸入輸出回路。其中，6路電壓、電流檢測回路主要包括A-D轉換器、濾波電流以及信號運輸處理回路；脈沖回路由DDS輸出、FPGA計數。檢測裝置設計有測溫接口，能夠對負載溫度進行監測，針對負載過熱問題發出報警控制。

圖2 檢測裝置原理框圖

為滿足設計接口運行需求，在微型處理器CPU選型過程中，本自動檢測裝置選擇了STM32F407芯片，該芯片具有接口數量多、兼容性能優異、主頻高、應用十分廣泛等優勢特點；為確保電壓、電流相關充電樁信號的檢測精度，在檢測過程中應用具有較強抗干擾能力和較高分辨率的AD采樣芯片開展信號采集工作；在實際運行過程中，電流與電壓模擬信號經抗混疊濾波電路濾波后，經AD模塊轉化為數字信號，信號與運算處理單元以及STM32F407之間設有隔離模塊，避免檢測裝置的運行受到干擾。

3.3 檢測裝置軟件功能

充電樁檢測裝置的軟件架構為開放性設計，實現了對各種測試接口資源的整合處理，能夠對各設備狀態進行監測、控制等管理工作，科學有序地對測試流程、信息、數據、報告、規范標準等進行管控，確保充電樁計量檢測結果的可靠性和檢測過程數據的完整性。在系統接口方面，檢測裝置具有二次編程優化設計接口，用戶能夠結合自身需求對測試流程、業務、數據處理等各模塊進行改進，同時，也可以進行新功能的增設工作。在人機交互界面方面，用戶可以通過檢測裝置的觸控屏對實時監測的各種充電樁電流電壓、負載溫度等數據參數或狀態進行查看，能夠自由選擇需查看的測試報告，可以自由設置系統運行參數并控制檢測過程，還具有風格、色彩、效果等外觀節目編輯優化功能。

用戶可以通過系統軟件進行數據存儲、報告打印等各項工作。在通過觸控屏界面完成檢定點設置后，軟件系統能夠要RS232串口線向STM32F407傳遞命令，CPU根據命令對測量量程進行切換，控制充電樁輸出電能的同時開展計時測量工作；系統通過AD模塊對電壓電流信號進行采集運輸，通過計算模塊完成電能數值運算與誤差對比分析工作，并將數據結果傳輸給觸控屏界面顯示；系統還可以借助DDS模塊將功率轉化為電能脈沖，與充電樁電能表脈沖同步依靠FPGA計數，通過CPU計算模塊完成誤差檢定工作。

3.4 自動檢測裝置的技術難點及解決方案

雖然充電樁自動檢測裝置能夠通過脈沖測量的方式對充電樁電能誤差進行測量，但實際操作時工作人員需要耗費較多時間進行外殼拆卸，便于將檢測裝置與電能表連接。為此，計量檢測人員可以通過瓦秒法檢定充電樁準確度。

在實際操作時，裝置使用人員接入的負載主要為電動汽車，而充電樁給出的電壓主要為電網電壓，由于功率無法維持恒定，單純依靠瓦秒法中恒定功率的計算方式將存在較大誤差。為此，在檢查過程中，裝置能夠將充電樁的實時電壓與電流檢測，通過將兩者相乘得到功率數值，根據實時檢測數據獲取功率隨時間變化曲線，通過積分的方式可以求得準確的電能數值，具體計算工作可以借助CPU軟件程序進行。

4 交流充電樁檢測裝置的校驗

本文主要對檢測裝置的電壓電流檢測精度進行了校驗，通過三相電能表測量數據與充電樁檢測數據對比，得到校驗數據如表1所示。測試結果表明，該檢測裝置的計量準確度達到0.05級，滿足充電樁自動檢測功能要求。

表1 計量校準結果

5 結語

綜上所述，本文提出了一種交流充電樁自動檢測裝置，該裝置不僅可以通過脈沖法對充電樁電能誤差進行檢測，還可以通過實時電壓、電流檢測的方法對實時功率和電能數值進行測定，測試結果表明，該裝置的準確度等級達到了0.05級，滿足計量工作需求。