基于磁調(diào)制器原理的大功率直流充電計(jì)量裝置現(xiàn)場檢測裝置的設(shè)計(jì)

張建民 程昱舒 劉佳易

（國網(wǎng)山西省電力公司計(jì)量中心，太原 030032）

隨著新能源汽車的快速推廣，電動(dòng)汽車充電配套設(shè)施的建設(shè)也進(jìn)入了快速發(fā)展階段[1-2]，但同時(shí)，國內(nèi)對(duì)于電動(dòng)汽車充電計(jì)量設(shè)備的現(xiàn)場檢測技術(shù)還停留在實(shí)驗(yàn)室對(duì)充電計(jì)量設(shè)備進(jìn)行校驗(yàn)的階段[3]，且進(jìn)行研究的企業(yè)不多，研發(fā)深度不足，缺少適用于計(jì)量機(jī)構(gòu)和電力單位進(jìn)行測量的設(shè)備。另外，對(duì)于電動(dòng)車充電樁的現(xiàn)場校驗(yàn)，國內(nèi)還沒有出現(xiàn)此類產(chǎn)品，而隨著充電設(shè)備的增多，越來越多的充電計(jì)量設(shè)備必須在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行校驗(yàn)，又因?yàn)槌潆姌兜牟豢梢苿?dòng)性，所以現(xiàn)場校驗(yàn)充電計(jì)量設(shè)備就變的非常必要。

直流充電樁因其快速充電的特性更適用于社會(huì)車輛充電，具有較高的實(shí)用價(jià)值，使用更加普及的同時(shí)也帶來了無法高精度檢測直流電流的問題。

現(xiàn)場環(huán)境下需檢測的電流范圍為 0.2～300A，測量精度為0.05級(jí)，傳統(tǒng)的霍爾傳感器、分流器都不符合測量要求。

本文基于磁調(diào)制器原理[4-11]設(shè)計(jì)了一套大功率直流充電樁計(jì)量裝置現(xiàn)場檢測裝置，磁調(diào)制器的測量精度最高可達(dá) 10?6，符合測量要求，該裝置能夠廣泛應(yīng)用于計(jì)量機(jī)構(gòu)和電力單位。

1 檢測裝置設(shè)計(jì)方案與工作原理

1.1 檢測裝置設(shè)計(jì)方案

大功率直流充電計(jì)量裝置現(xiàn)場檢測裝置的檢測方法如圖1所示。將檢測裝置作為標(biāo)準(zhǔn)直流電能表串連到充電樁和充電汽車（負(fù)載）中間，通過充電槍接口模塊對(duì)電流、電壓信號(hào)進(jìn)行采樣并與脈沖模塊接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)，從而計(jì)算出直流電能表的誤差。

圖1 大功率直流充電計(jì)量裝置現(xiàn)場檢測裝置校驗(yàn)方法

1.2 檢測裝置工作原理

數(shù)據(jù)采樣與傳輸示意圖如圖2所示。電壓、電流采樣模塊將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給電能計(jì)量模塊，該模塊將數(shù)據(jù)處理后發(fā)送給脈沖比較模塊和 MCU主控模塊。電能脈沖比較模塊通過脈沖接口與直流充電樁電能表數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而計(jì)算出直流充電樁電能表的誤差。

圖2 數(shù)據(jù)采樣與傳輸示意圖

2 電流測量原理與信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

2.1 基于磁調(diào)制器原理的電流互感器設(shè)計(jì)

直流電流采用基于磁調(diào)制器原理的高精度直流電流互感器進(jìn)行測量，磁調(diào)制器是利用軟磁材料磁化曲線對(duì)稱非線性特征所構(gòu)成的一種飽和電抗器裝置[9]。

其原理如圖3所示，在閉合鐵心上有3個(gè)繞組，WS為交流勵(lì)磁繞組，W1為一次被測電流繞組，W2為二次平衡繞組，其電流已知或者是比較容易測量[5]。

當(dāng)一次側(cè)電流繞組中無電流時(shí)，閉合鐵心中僅含有奇次諧波，二次平衡繞組中亦僅含有奇次諧波；當(dāng)一次側(cè)電流繞組中有電流時(shí)，閉合鐵心中不單含有奇次諧波，還新產(chǎn)生了偶次諧波，二次繞組也同樣如此。即一次側(cè)電流繞組中有無電流信號(hào)對(duì)奇次諧波影響不大，而與偶次諧波的相位關(guān)系密切，所以，可用任一偶次諧波來測量電流信號(hào)的強(qiáng)度。

圖3 高精度直流電流互感器原理圖

當(dāng)一次側(cè)電流繞組在鐵心中產(chǎn)生的磁勢(shì)與二次平衡繞組產(chǎn)生的相等時(shí)有

利用磁調(diào)制器原理制作的直流電流互感器準(zhǔn)確度很高，電流準(zhǔn)確度可以達(dá)到10?6[6]。

2.2 直流電流信號(hào)調(diào)理原理設(shè)計(jì)

直流電流信號(hào)調(diào)理原理設(shè)計(jì)如圖4所示。除電流互感器外還采用低溫漂精密電阻作為采樣電阻，在其兩側(cè)并聯(lián)一個(gè)放電管，放電電壓設(shè)置為小于等于低壓側(cè)允許的最大電壓，其目的是防止出現(xiàn)的過電壓對(duì)后續(xù)ADC電路產(chǎn)生影響。

圖4 直流電流信號(hào)調(diào)理原理圖設(shè)計(jì)

3 電壓測量設(shè)計(jì)

直流電壓采用精密電阻分壓傳感器進(jìn)行測量，其信號(hào)調(diào)理原理如圖5所示，分壓電阻選擇相同材料的高精度低溫漂電阻，在該電阻兩側(cè)并聯(lián)一個(gè)放電管，放電電壓設(shè)置為小于等于低壓側(cè)允許的最大電壓，其目的是防止出現(xiàn)的過電壓對(duì)后續(xù)ADC電路的影響。

圖5 直流電壓信號(hào)調(diào)理原理圖設(shè)計(jì)

由于該裝置的工作環(huán)境為直流充電站，使用環(huán)境惡劣、電磁輻射干擾大，所以在計(jì)算直流電流和直流電壓時(shí)采用脈沖抗干擾平均數(shù)字濾波的方法，即在采樣周期T內(nèi)，等時(shí)間間隔的取N個(gè)采樣點(diǎn)，按大小將這N個(gè)點(diǎn)排列后，去掉其中最大和最小各2個(gè)數(shù)據(jù)，將剩下的N?4個(gè)采樣值求得的平均值作為電流或電壓的有效值Grms，其計(jì)算公式如下：

4 模塊設(shè)計(jì)

4.1 MCU主控模塊

MCU主控模塊選擇ADI公司研制的SHARC系列處理器ADSP-21483。該DSP采用LQFP封裝，外形尺寸更小的同時(shí)引腳數(shù)量更多，豐富的外設(shè)接口使使用更加便捷，且其強(qiáng)大的計(jì)算能力能夠保證實(shí)時(shí)測量的電參量準(zhǔn)確度達(dá)到0.05級(jí)。

4.2 脈沖模塊設(shè)計(jì)

脈沖輸入信號(hào)原理設(shè)計(jì)如圖6所示。輸入信號(hào)線上串聯(lián)正溫度系數(shù)熱敏電阻作為一級(jí)保護(hù)，兩個(gè)二極管并聯(lián)在電源端和地端，作為二級(jí)保護(hù)，保證輸入信號(hào)不會(huì)超過后續(xù)電路的電壓輸入范圍。上拉100kΩ電阻使得在沒有信號(hào)輸入時(shí)有一個(gè)可靠的電平，用1nF電容對(duì)信號(hào)進(jìn)行濾波，后續(xù)的施密特觸發(fā)電路用來調(diào)整信號(hào)整形，防止信號(hào)線路上的干擾引起的誤觸發(fā)。

圖6 脈沖輸入信號(hào)原理圖

4.3 通信模塊設(shè)計(jì)

CAN通信接口原理設(shè)計(jì)如圖7所示。為了裝置系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，CAN通信接口和MCU主控模塊之間采用光電耦合器進(jìn)行電氣隔離。

圖7 CAN通信接口原理圖

RS232通信接口原理設(shè)計(jì)如圖 8所示。RS232通信接口和MCU主控模塊之間同樣采用光電耦合器進(jìn)行電氣隔離。TTL電平端直接通過光電耦合器和MCU主控模塊進(jìn)行連接，RS232電平端線路上通過串聯(lián)100Ω電阻進(jìn)行限流保護(hù)，通過串聯(lián)磁珠濾除高頻干擾，通過并聯(lián)TVS管進(jìn)行接口保護(hù)。

圖8 RS232通信接口原理圖

5 電氣安全設(shè)計(jì)

本裝置工作在直流充電站，最高可測量 1000V電壓和300A電流，電壓、電流均超過人體安全值，因此需使用有效措施保證設(shè)備使用的電氣安全。

被檢電壓、電流接入本裝置時(shí)采用標(biāo)準(zhǔn)直流充電機(jī)充電接口，符合GB/T 20234.3—2015標(biāo)準(zhǔn)，保證了電壓、電流接入時(shí)的電氣安全；操作部分與測量部分采用隔離設(shè)計(jì)，隔離電壓為1500V DC，保證了在高電壓測量時(shí)的電氣安全；采用非接觸式穿心互感器測量電流，無接觸器等機(jī)械觸點(diǎn)，安全性高；CAN通信接口、RS232接口與主控模塊之間采用光耦進(jìn)行電氣隔離以確保設(shè)備內(nèi)部的電氣安全。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的現(xiàn)場檢測裝置的電壓、電流、電能準(zhǔn)確度均為0.05級(jí)，為驗(yàn)證其準(zhǔn)確度是否符合設(shè)計(jì)要求，在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)其進(jìn)行檢測。檢測結(jié)果見表1，記錄了多個(gè)計(jì)量點(diǎn)的電能誤差。

表1 標(biāo)準(zhǔn)電能表誤差

檢測結(jié)果表明，該現(xiàn)場檢測裝置的準(zhǔn)確度等級(jí)符合0.05級(jí)設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套基于磁調(diào)制器原理的大功率直流充電計(jì)量裝置現(xiàn)場檢測裝置，介紹了磁調(diào)制器的物理原理以及電流、電壓的檢測原理與電路設(shè)計(jì)，最后介紹了主控模塊、脈沖模塊、通信模塊的設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，該裝置準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)到了0.05級(jí)的設(shè)計(jì)要求。利用該現(xiàn)場檢測裝置能夠在現(xiàn)場快速檢測直流充電樁電能表電流、電壓、電能及計(jì)費(fèi)功能的準(zhǔn)確度，保證了電費(fèi)計(jì)算的公正性，可廣泛應(yīng)用于各級(jí)計(jì)量部門和充電機(jī)使用或制造部門。

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