溫濕度對交流充電樁示值誤差的影響

張黎輝

(陜西省計(jì)量科學(xué)研究院，陜西 西安 710065)

0 引言

近年來，隨著我國新能源汽車的大力推廣，新能源電動(dòng)汽車保有量逐年增加，截止2017年底，我國電動(dòng)汽車保有量近160萬輛，位居世界首位[1]。同時(shí)，在各級政府的政策引導(dǎo)下，與之配套的充電基礎(chǔ)設(shè)施在全國范圍內(nèi)大量布局，保有量居世界前列[2]。根據(jù)國家發(fā)改委《電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南(2015-2020)》規(guī)劃，到2020年我國將建成分散式充電樁480萬個(gè)，以滿足全國500萬輛電動(dòng)汽車的充電需求，這對充電產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展與充電設(shè)施大量建設(shè)提供了最直接、最有力的政策保障。

電動(dòng)汽車充電設(shè)施按功能分為交流充電樁和直流充電機(jī)，本文僅討論交流充電樁(以下簡稱充電樁)，其功能類似加油機(jī)，安裝于公共建筑(公共樓宇、商場、公共停車場等)和居民小區(qū)停車場或充電站內(nèi)，面向社會(huì)提供充電服務(wù)，也存在電能消耗、充電費(fèi)用結(jié)算等問題。充電樁充電電量示值是充電結(jié)束后進(jìn)行費(fèi)用結(jié)算的主要依據(jù)，示值誤差為充電樁人機(jī)交互界面或者結(jié)算軟件上顯示的充電電能量的計(jì)量誤差[3]，是評價(jià)充電樁計(jì)量性能的關(guān)鍵指標(biāo)，也是充電樁生產(chǎn)企業(yè)、運(yùn)營公司及使用者等利益相關(guān)群體最關(guān)注指標(biāo)之一。本文以充電樁運(yùn)行環(huán)境溫濕度為研究切入點(diǎn)，運(yùn)用實(shí)驗(yàn)手段，測量在不同運(yùn)行環(huán)境溫濕度下的充電樁示值誤差，分析環(huán)境溫濕度對誤差的影響并簡述了原因。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及方案

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹

參照電動(dòng)汽車交流充電樁檢定規(guī)程[3]所述，本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用可編程交流阻性負(fù)載和專用交流充電樁測試儀作為充電樁示值誤差的測量標(biāo)準(zhǔn)裝置。為研究充電樁在不同環(huán)境溫濕度下的示值誤差的變化情況，同時(shí)排除溫濕度變化對充電樁測試裝置和可編程交流阻性負(fù)載對測量結(jié)果的影響，僅將待測充電樁置入恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)裝置，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖

實(shí)驗(yàn)中待測充電樁的基本出廠參數(shù)如表1所示，實(shí)物如圖2(a)所示，該充電樁為最大輸出功率為21 kW，額定輸出電壓下最大輸出3×32 A的三相交流充電樁。

圖2(b)為恒溫恒濕實(shí)驗(yàn)裝置，溫度范圍控制范圍為-40～180 ℃，穩(wěn)定度為±0.1 ℃，濕度范圍控制范圍為10%～98%RH，穩(wěn)定度±2%RH，容積200 L。圖2(c)為交流充電樁測試儀，設(shè)備參數(shù)為：電壓測量范圍3×0.1 V～3×400 V，電流測量范圍3×0.1 A～3×100 A)，功率/電能測量最大誤差為±0.05%。圖2(d)為可編程交流阻性負(fù)載，額定電壓250 V，最大輸入功率為30 kW。

表1 待測充電樁基本參數(shù)

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所用主要實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.2 實(shí)驗(yàn)方案

充電樁計(jì)量檢定條件中對溫度條件的規(guī)定為：一般范圍為-10～40 ℃，擴(kuò)展范圍為-20～50 ℃，對濕度的規(guī)定為：不大于90%RH[3]，參照電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗(yàn)國家標(biāo)準(zhǔn)[4-7]中關(guān)于溫度和濕度環(huán)境試驗(yàn)的規(guī)定，本文溫度影響實(shí)驗(yàn)方案中，待測充電樁恒溫時(shí)間4 h，每個(gè)溫度點(diǎn)持續(xù)時(shí)間為72 h；濕度影響實(shí)驗(yàn)時(shí)，考慮到待測充電樁良好的防水性能，恒濕時(shí)間為3 h，每個(gè)濕度點(diǎn)持續(xù)時(shí)間為72 h。

參照電動(dòng)汽車交流充電樁檢定規(guī)程[3]對充電樁現(xiàn)場檢定負(fù)載點(diǎn)的規(guī)定，考慮實(shí)驗(yàn)方案的時(shí)效性，分別在待測充電樁輸出為220 V/3×2 A，220 V/3×16 A，220 V/3×32 A時(shí)，分別以溫度和濕度為實(shí)驗(yàn)變量，測量待測充電樁示值誤差。

圖3(a)所示為恒定濕度環(huán)境下，以溫度為變量的實(shí)驗(yàn)方案：設(shè)定濕度為50%RH，溫度選取點(diǎn)為-20，0，25，50 ℃，測試中VC4060每個(gè)溫度點(diǎn)從起始溫度到設(shè)定值之間的調(diào)節(jié)過程，待測充電樁始終通電置入。在溫度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，待測充電樁在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中需恒溫4 h。通過調(diào)節(jié)負(fù)載改變充電樁輸出電流，運(yùn)用交流充電樁測試儀對示值誤差進(jìn)行6次重復(fù)測量，取測量結(jié)果平均值作為設(shè)定溫度下該負(fù)載點(diǎn)的示值誤差測量結(jié)果，結(jié)果記錄并保存在PC中。

圖3 溫、濕度影響測試方案示意圖

同理，圖3(b)為恒定溫度環(huán)境下，以濕度為變量的實(shí)驗(yàn)方案。分別設(shè)定溫度為25 ℃和50 ℃，濕度選取點(diǎn)為20%RH，40%RH，60%RH以及90%RH，測試時(shí)VC4060每個(gè)濕度點(diǎn)從起始值到設(shè)定值之間的調(diào)節(jié)過程，待測充電樁亦始終通電置入。在濕度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，待測充電樁在測試環(huán)境中靜置3 h。參照溫度影響實(shí)驗(yàn)方案，記錄、處理不同負(fù)載點(diǎn)，相同溫度時(shí)的充電樁示值誤差測量結(jié)果，并將其保存在PC中。

2 結(jié)果與分析

2.1 溫度影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖4是環(huán)境濕度相同溫度不同的情況下，被測充電樁示值誤差隨溫度變化的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果。從圖4可知：①環(huán)境溫度不同，被測充電樁示值誤差不同；②不同負(fù)載時(shí)，充電樁示值誤差一致性好，即示值誤差不因充電電流的大小不同而有明顯差異；③環(huán)境溫度變化時(shí)，不同負(fù)載下，充電樁充電示值誤差隨溫度變化而變化，并呈現(xiàn)一定線性相關(guān)性。由此可見，充電樁充電示值誤差變化與環(huán)境溫度變化相關(guān)，分析原因主要有以下幾方面：①充電樁內(nèi)部元器件，在不同溫度下產(chǎn)生了不同的溫度漂移[8-9]，內(nèi)部計(jì)量芯片的基準(zhǔn)電壓、基準(zhǔn)穩(wěn)壓管、金屬膜電阻器等受溫度影響的元器件都會(huì)有對應(yīng)的溫度系數(shù)，其量值會(huì)隨溫度的變化而變化，這就造成在測量時(shí)得到的系統(tǒng)累積誤差不同，從而導(dǎo)致示值誤差的不同；②充電電量是功率和時(shí)間的累積量。實(shí)時(shí)功率由充電樁計(jì)量單元的電壓采樣器和電流采樣器通過乘法器而得，工作溫度條件下，電壓、電流采樣器的準(zhǔn)確度受采樣位數(shù)和內(nèi)部晶振的影響。不同工作溫度時(shí)采樣器會(huì)產(chǎn)生的非線性誤差，同時(shí)，內(nèi)部晶振頻率是溫度的敏感量[10]，因此在不同溫度下，上述各部分誤差對充電電量累積值的示值誤差是有一定影響的。

圖4 實(shí)驗(yàn)濕度50%RH時(shí)不同溫度不同負(fù)載充電樁示值誤差

2.2 濕度影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖5是環(huán)境溫度在25 ℃和50 ℃時(shí)，不同環(huán)境濕度不同負(fù)載時(shí)，被測充電樁示值誤差隨濕度變化的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果。從圖5可知：①環(huán)境溫度分別在25 ℃和50 ℃下，環(huán)境濕度變化與被測充電樁充電示值誤差變化無顯著相關(guān)性；②不同負(fù)載時(shí)，充電樁示值誤差亦表現(xiàn)出良好的一致性。由此可見，充電樁示值誤差變化與環(huán)境濕度變化無關(guān)，分析原因主要為：被測充電樁整機(jī)外殼防水性好，實(shí)驗(yàn)環(huán)境中濕度大小無法有效影響被測充電樁機(jī)械外殼內(nèi)濕度，使得充電樁內(nèi)部時(shí)鐘晶振電路不受實(shí)驗(yàn)環(huán)境中濕度大小的影響，這保證了時(shí)鐘晶振電路電氣參數(shù)的相對穩(wěn)定，體現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)結(jié)果上就是充電樁充電示值誤差變化不受環(huán)境濕度變化影響。

圖5 不同濕度不同負(fù)載充電樁示值誤差

3 結(jié)論

對于電動(dòng)汽車的“加電機(jī)”，充電樁最重要的計(jì)量性能指標(biāo)就是示值誤差。通過實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)：充電樁示值誤差的變化與環(huán)境溫度變化相關(guān)，與環(huán)境濕度的變化無關(guān)。此結(jié)論對充電樁設(shè)計(jì)制造企業(yè)有實(shí)際利用價(jià)值。在充電樁設(shè)計(jì)時(shí)，就可以對不同溫度下，充電樁示值進(jìn)行補(bǔ)償，以便示值誤差符合計(jì)量檢定規(guī)程的要求，進(jìn)而生產(chǎn)出計(jì)量性能更加優(yōu)異的產(chǎn)品。在充分保障充電樁運(yùn)營商和使用方權(quán)益的同時(shí)，也維護(hù)了社會(huì)的公平與正義。