郭曉丹1 ，李曉輝1 ，李磊1 ，梁彬1 ，趙慶來1 ，鄧文2
( 1．國網天津市電力公司電力科學研究院，天津 300384; 2．長沙天恒測控技術有限公司，長沙 410100)
摘要: 隨著電動汽車 VEG 模式的提出，大功率非車載充電機以其快速安全充電的特點得到廣泛的應用。文中提出的 300 kW檢定系統解決了大功率充電機現場實負荷檢定的難題。系統中直流比較儀采用多種屏蔽技術，在充電機集中建站強電磁干擾下，精度仍保持在 10 ppm 的水平，為大電流測量提供可靠測試數據; 采用 LabVIEW 軟件進行軟件設計和數據處理，為非車載充電機電能計量量值溯源和檢測提供依據。通過測試數據對比分析，最后提出將充電機計量單元放置充電機直流側進行公平結算的建議。
關鍵詞: 大功率非車載充電機; 實負荷檢定; 直流比較儀; 屏蔽技術; LabVIEW; 電能計量量值溯源
中圖分類號: TM933 文獻標識碼: B 文章編號: 1001-1390( 2017) 08-0123-06
Design of on- site verification system for 300 kW off -board vehicle charger
Guo Xiaodan1 ，Li Xiaohui1 ，Li Lei1 ，Liang Bin1 ，Zhao Qinglai1 ，Deng Wen2
( 1． Electric Power Ｒesearch Institute of State Grid Tianjin Electric Power Company，Tianjin 300384，China．2． Changsha Tunkia Co，．Ltd，．Changsha 410100，China)
Abstract: With the proposal of VEG mode of electric vehicles，the large power off-board charge has been widely used owing to its safe and fast charging features． The 300 kW verification system is figured out to cover full range calibra-tion of large power vehicle charger in real-load． DC comparators which provide reliable test data for large current measurement through adopting a variety of shielding techniques to maintain the accuracy still at 10 ppm level under strong electromagnetic interference in centralized station． LabVIEW is applied for software design and data processing． The verification system provides the foundation for energy metering traceability of off-board charger． Finally，through the contrast data and statistical analysis，the proposal that energy meteorology unit should be placed in charger DC side is put forward to achieve a fair settlement．
Keywords: large power off-board charger，verification in real-load，DC comparator，shielding technology，Lab-VIEW，energy metering traceability
0. 引 言
隨著世界產業轉型升級，新能源電動汽車成為了世界關注的焦點。各國推廣新能源汽車和加強充電基礎設施建設，以應對氣候變化，增加清潔能源使用并減少對石油的依賴。未來發展電動汽車 VEG 模式具有很大的市場潛力，安全快速的充電才能獲得更多消費人群[1-2] 。隨之而來的技術瓶頸亟待突破如大倍率充電 ( 50 kW ) 相關的關鍵技術: 充電機 (樁) 計量檢定、新型鋰電池技術、供能系統等。其中，消費者對于充電機(樁) 計費準確性尤其關注。目前， IEC和 ISO 都在加速制定充電基礎設施方面的國際標準，但是由于各國的電力基礎不一樣，所以各國所應用的標準也不同，充電樁檢定方案無法統一。而在國內的電動汽車電能計量標準并不完善，尤其在實負荷電能計量方面幾乎是空白。充電機固定安裝以及戶外集中建站使用，對后續檢定和使用中檢定帶來了相當大的困難。若將充電機內置的計量單元取出送往實驗室檢定，又無法模擬外部環境以及實負荷測量對充電機電能計量的影響。
因此，充電機現場檢定變得尤其重要，同時這對現場校驗系統提出了更高技術要求: 連接電網進行實負荷測試時，校驗儀的電流回路中不能出現瞬時斷路( 如保護、一次換檔等引起) ，同時儀器應具有強大的抗電流沖擊能力; 充電樁戶外集中建站對設備的抗電磁干擾、適應溫度變化等可靠性要求高。提出的 300 kW 電動汽車直流充電樁現場檢定方案很好的解決了這些難題，為大功率電動汽車充電機現場檢定提供了有效的測量方案。文中電動汽車非車載充電機(樁) 簡稱充電機。
1. 充電機現場檢定系統原理
在充電機、現場校驗儀和電子負載握手成功后，電網交流量經過充電機的 AC /DC、DC /DC、濾波等處理后輸出直流高電壓和大電流至現場校驗儀再連接電子負載形成一個檢測回路，如圖 1 所示。
校驗儀使用 V/V 轉換器和 I/V 轉換器實時測量直流電壓和直流電流，再通過兩路高速 AD 采樣將電壓和電流值發送至電能計量模塊，同時采集充電機電。能脈沖數計算電能誤差［3］。
1.1 電能誤差計算
在計時時間 T 內，兩路 24 位 AD 采集的電壓序列為{ u1 (1) ，u1 (2) …u1 (n) } ，電流序列為{ u2 ( 1) ，u2( 2) … u2 ( n) } ［4］，有:
式中 m 為實測脈沖數; m0 為算定的脈沖數; C 為校驗儀電能脈沖常數，imp /kWh; 其值隨著電壓電流量程改變而改變。Ui 為校驗儀電壓測量量程; Ii 為校驗儀電流測量量程; f 為標準電能脈沖頻率 60 kHz(高頻) 或 6 Hz(低頻) 。
1.2 關鍵技術
現階段直流大電壓測量精度一般可達到 0.02% 技術水平。直流大電流測量精度一般為千分之幾。大電流測量方法包括四線電阻法、直流互感器、直流比較儀、霍爾效應傳感器法等。四端電阻法、霍爾效應傳感器法、直流互感器測量精度一般在 0.2% ～0.5% 達不到檢定要求，比較儀測量可達到 5 ppm /年的精度。本文中采用磁調制比較儀“掛”在充電機和負載間測量直流電流且無需換擋，抗電流沖擊能力強，可靠性高。
直流大電流經過磁調制比較儀后轉換為小電流經過 Ｒ 進行差分采樣輸出直流小電壓至程控放大器，進行信號放大 再經 24 位 AD 采樣芯片和電氣隔離輸送至 FPGA 進行數字處理［6］進而測量得到充電機電流。大電流測量模擬部分如圖 2 所示。
而磁調制比較儀準確性決定了電流測量的精度，其誤差主要包括磁性誤差和容性誤差。由于充電機戶外集中建站，存在大量的電磁干擾源，對比較儀抗電磁干擾能力是一個很大的挑戰。本文中采用雙層屏蔽技術，主屏蔽采用高磁通密度材料( FeSiAl) ，內屏蔽采用高磁導率材料( 坡莫合金) 進行屏蔽。先將比較儀鐵芯安裝在坡莫合金屏蔽盒中進行單獨屏蔽后，再將內屏蔽盒和測試電路放置在主屏蔽盒內( 見圖 3) ，可將誤差減小至 1 × 10-8 。容性誤差是由于繞組線匝之間、繞組與繞組之間以及繞組對地之間存在寄生電容和電位差使得它們之間產生相應的漏電流，可以采用靜電屏蔽減小誤差[5-6]。
考慮到系統的實時性強采用架構 32 位嵌入式微處理器和 FPGA 加外圍設計電路搭建的平臺進行開發，系統硬件結構[7]如圖 4 所示。
2.1 電源模塊
電源模塊采用線性電源分別為數字部分和模擬部分供電，數字部分和模擬部分進行光耦隔離。模擬部分中電壓和電流測量供電部分也相互隔離，減少系統之間各部分相互干擾，保證系統的高穩定性和精度。
2.2 數字部分
系統采用 32 位具有新架構的微處理器，具有強大的處理能力及豐富的接口，內置實時操作系統。微處理器有 3 個獨立的 USART 接口，一個連接 TFT LCD，提供人機交互界面，工作時顯示出整個系統的運行情況并通過 LCD 上的觸摸屏與用戶進行實時交互; 一個通過 RS232 電平轉換芯片與上位機提供連接接口; 1 個 I2 C 接口，連接存儲芯片來增加存儲空間; 2 個 SPI 接口，分別同 FPGA 和 DDS 進行通信。 FPGA 實時測量功率并計數標準電能脈沖和被檢電能脈沖，且控制電壓電流量程切換和保護電路等。DDS 模塊產生標準電能脈沖。數字部分實現流程如下［8］:微處理器通過控制引導電路[9]確認連接與電子鎖，識別充電連接裝置載流能力和供電設備供電功率，監測充電過程等。在充電時，FPGA 實時測量充電機功率，將測量值傳遞至微處理器。微處理器根據《電動汽車非車載充電機檢定規程》的相關規定，將直流功率計算出校驗儀的電能脈沖，再由 DDS 模塊( 直接數字式頻率合成)產生并輸入至 FPGA。每個電壓和電流當前量程的滿量程值對應的標準電能脈沖為 60 kHz( 高頻) 或 6 Hz( 低頻) 。測量開始后，在檢測到充電機個電能脈沖開始計時并計數校驗儀電能脈沖，當充電時間達到 T 后結束計數。FPGA 將測量的標準脈沖數發至微處理器，由微處理器計算電能誤差并顯示。
2.3 模擬部分
系統實時測量充電機電流和電壓并有可靠的保護控制電路模擬部分。保護電路: 保護系統，當充電機產生的大電流和電壓超過系統所能承受的范圍時，產生報警信號通過微處理器控制蜂鳴器給用戶發出報警，并自動斷開測試回路; 直流比較儀: 將充電機產生的大電流按一定比例轉換成小電流進行測試，測量 300 A，轉換比例 300 A /1 V; 分壓器: 將充電機兩端的大電壓轉換為小電壓進行測試測量 1 000 V，轉換比例 1 000 /1; 差分采樣: 與精密電阻 R 一起將小電流信號轉換成電壓信號; 信號調理: 將兩路電壓進行信號調理; ADC 轉換器: 將兩路電壓信號轉換成數字信號通過隔離送到 FPGA，校驗儀采用溫漂系數為 0.5 ppm / 的 Ref，0.05 ppm / 的 ADC，以保證溫差較大時設備的長期穩定性。
2.4 電子負載
由于電動汽車蓄電池為容性負荷在充電過程中易產生諧波對電網造成污染，文中選用線性電阻箱作為電子負載進行檢定。現場校驗儀通過 CAN-BUS 總線控制輸出功率負載如 300 kW、150 kW、30 kW(10% Imax ) 進行測試。
3. 軟件設計
軟件基于 LabVIEW 編寫。本文詳細介紹電能誤差實現算法、協議一致性測試、人機交互界面單元 [10]。
3.1 電能計量算法實現
檢定系統通過高速 AD 通道采集兩路電壓 u1 ( n) 、u2 ( n) 。充電樁輸出的電壓 u( n) 、電流 i( n) 滿足關系式( 5) 、式( 6) :
協議一致性測試是檢測充電樁是否按規程 GB /T 27930-2015 《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》制造，對充電機的整個充電流程進行檢測檢定流程見圖 6。
人機交互單元操作界面及數據顯示見圖 7，設計界面主要包括檢定項目、檢定結果顯示、充電機狀態顯示。在測試過程實時顯示測試結果及充電機當前狀態，在突發情況下自動斷開測試并報警安全可靠。測試結束后數據自動導出至 EXCEL 文件。
如圖 8 所示，這套系統檢定電動汽車一體式整車。直流充電機的參數為: (1) 電 源 類 型: TN-S; 執 行 標 準: NBT 33001-2010; (2) 輸出電壓: DC 500 V; 輸出電流: DC 120 A; (3) 測試環境: 溫度: 40 ; 濕度: 93% 。
測試數據見表 1 所示。
從上表數據分析可知，充電機測量的電能值較現場校驗儀測量值均偏大，特別是在小功率輸出時電能誤差。原因是充電機計費單元安裝在交流側而非直流側，將充電機的本身的電能損耗算在了用戶側，增加用戶充電費用，不利于公平結算。在小功率輸出時，充電機效率低，損耗大導致測量的誤差大。充電機電能計量單元應放置在圖 9 所示的直流電能計量位置測試，才能建立一個公正的電能計量的系統對電動汽車的推廣具有積極作用[10]。
提出的 300 kW 非車載電動汽車充電機檢定系統，檢定范圍基本覆蓋了當前市面的所有大功率充電機。文章對當前主流的充電機計量公平性提出了可行性建議，為突破大功率充電機關鍵技術提供了技術手段。該檢定系統的應用為電動汽車充電設備的檢定、電能量值傳遞體系的建立提供依據，保障了貿易結算的公正，推動了新能源電動汽車的發展。
參 考 文 獻
[1] 張一萌，劉宇，等． 電動汽車充電樁實施檢定的必要性［J］． 中國計量，2014，( 11) : 21-22．Zhang Yimeng，Liu Yu，et al． The necessity of carrying out the verifi-cation of electric vehicle charging piles［J］． China Metrology，2014，(11) : 21-22．
[2] 劉亮，周羽生，等． 電動汽車充電站選址規劃評價體系研究［J］．電測與儀表，2016，53( 18) : 1-5．
Liu Liang，Zhou Yusheng，et al． Ｒesearch on sitting planning evaluation system of electric vehicle charging station［J］． Electrical Measurement ＆ Instrumentation 2016，53( 18) : 1-5．
[3] JJG 842-1993，直流電能表檢定規程［S］．
[4] 李輝． 直流充電機監控系統的研究與實現［D］．成都: 電子科技大學，2012，5．
[5] 花，何劍平，曹銘． 電動汽車電池管理系統抗工頻磁場設計［J］．電測與儀表，2016，42 ( 7) : 80-82．
Huang Juhua，He Jianping，Cao Ming． Anti-power frequency magnet-ic field design for battery management system on electrical vehicle ［J］． Electrical Measurement ＆ Instrumentation，2016，42 ( 7 ) :80-82．
[6] 李雪，劉泰康，姜云． 電磁屏蔽技術分析［J］．電子工藝技術，2007，28( 1) : 49-51．
Li Xue，Liu Taikang，Jiang Yun． Analysis of the Electromagnetic Shielding Technology［J］． Electronic Process Technology，2007，28(1) : 49-51．
[7] 陳昕，周哲玲，劉高． 多功能電阻測試儀校準系統設計［J］． 自動化與儀表，2015，21( 5) : 21-26．
Chen Xin，Zhou Zheling，Liu Gao． Design of Multifunction Ｒesist-ance Tester Calibration［J］．Automation ＆ Instrumentation，2015，21(5) : 21-26．
[8] 張建偉，楊芳，等． 電動汽車交流充電控制導引系統設計［J］．電測與儀表，2014，51( 5) : 71-82．
Zhang Jianwei，Yang Fang，et al．Design of Control Pilot System for Electric Vehicle AC Charging［J］．Automation ＆ Instrumentation，2014，51( 5) : 71-82．
[9] GB /T 18487． 1-2015，電動汽車傳導充電系統第 1 部分: 通用要求［S］．
[10] 徐子立，李前，等．電動汽車充電樁直流電能表檢定裝置的研制［J］．電測與儀表，2011，48( 12) : 65-69．
Xu Zili，Li Qian，et al． Ｒesearch on Verification Equipment of DC E-lectrical Energy Meter for Electric［J］． Automation ＆ Instrumenta-tion，2011，48( 12) : 65-69．
