電動汽車充電樁電能計(jì)量檢定新思路

朱曉鵬，王光旭，趙培雷，于洪喜，曹學(xué)儒，李東雪，程 飛

電動汽車充電樁電能計(jì)量檢定新思路

朱曉鵬，王光旭，趙培雷，于洪喜，曹學(xué)儒，李東雪，程 飛

(北京博電新力電氣股份有限公司，北京 100176)

隨著電動汽車保有量突飛猛進(jìn)，充電安全、互聯(lián)互通及交易公平受到各界高度關(guān)注，迫切需要解決科學(xué)性、先進(jìn)性和標(biāo)準(zhǔn)的兼容性問題。充電設(shè)施的電能計(jì)量檢定作為維護(hù)用戶與電能提供方交易公平、公正的重要的保障手段，是電動汽車健康、良性發(fā)展的基礎(chǔ)。當(dāng)前現(xiàn)有電動汽車充電設(shè)施電能計(jì)量現(xiàn)場檢定裝置，普遍存在設(shè)備復(fù)雜、笨重、無法實(shí)現(xiàn)規(guī)定測試點(diǎn)等諸多問題，致使檢定工作無法便捷、高效的開展。針對當(dāng)前問題，提出了一種新的思路和實(shí)現(xiàn)方法。通過本方法，彌補(bǔ)常規(guī)檢定裝置的缺點(diǎn)和不足，解決了現(xiàn)場電能計(jì)量檢定的問題，為電動汽車充電設(shè)施的年度強(qiáng)制檢定提供工具，使得檢定工作能夠高效、科學(xué)的開展。

電動汽車；充電設(shè)施；計(jì)量檢定；交直流充電樁

0 引言

隨著電動汽車保有量突飛猛進(jìn)，充電安全、互聯(lián)互通及交易公平受到各界高度關(guān)注，迫切需要解決科學(xué)性、先進(jìn)性和標(biāo)準(zhǔn)的兼容性問題。

充電設(shè)施的電能計(jì)量檢定作為維護(hù)用戶與電能提供方交易公平、公正的重要的保障手段，是電動汽車健康、良性發(fā)展的基礎(chǔ)。

當(dāng)前現(xiàn)有電動汽車充電設(shè)施電能計(jì)量現(xiàn)場檢定裝置，普遍存在設(shè)備復(fù)雜、笨重、無法實(shí)現(xiàn)規(guī)定測試點(diǎn)的檢測等問題，致使檢定工作無法高效、便捷的開展。如圖1所示。

圖1 當(dāng)前市場上現(xiàn)有充電樁檢定裝置示意

本文結(jié)合 JJG1149-2018《非車載充電機(jī)計(jì)量檢定規(guī)程》和 JJG1148-2018《交流充電樁計(jì)量檢定規(guī)程》分析現(xiàn)場計(jì)量檢定方法，運(yùn)用電能脈沖法和最小電能變量法，算定可以在短時準(zhǔn)確地獲取出各項(xiàng)誤差值的充電設(shè)施所耗最小電能值，提出了一種可以快速檢定的方法。

1 當(dāng)前市場產(chǎn)品分析

本節(jié)從當(dāng)前電動汽車充電設(shè)施電能計(jì)量檢定裝置的基本原理出發(fā)，探討其優(yōu)缺點(diǎn)，并根據(jù)當(dāng)前市場的需求，引出本文所要討論的重點(diǎn)。

1.1 原理分析

當(dāng)前市場上電動汽車充電樁電能計(jì)量檢定產(chǎn)品的總體框架如圖2所示。

圖2 電動汽車充電樁電能計(jì)量檢定產(chǎn)品總體框架

其中：

被檢充電樁可為非車載直流充電設(shè)施或交流充電設(shè)施。

交直流充電接口模擬裝置，在系統(tǒng)中負(fù)責(zé)模擬電動汽車與充電設(shè)施的控制導(dǎo)引接口的連接，在非車載直流充電設(shè)施電能計(jì)量檢定中模擬車端BMS與直流充電設(shè)施通信，實(shí)現(xiàn)直流充電設(shè)施的啟動、工作狀態(tài)調(diào)整、停止等。

標(biāo)準(zhǔn)表及控制系統(tǒng)，是電能計(jì)量檢定系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)檢定系統(tǒng)的整體資源控制及調(diào)配。

負(fù)載，是被檢充電設(shè)施電能的消納裝置。當(dāng)前市場廣泛采用純阻性負(fù)載來實(shí)現(xiàn)。

1.2 優(yōu)缺點(diǎn)分析

圖2中的負(fù)載可以采用純阻性負(fù)載、電子負(fù)載、電子回饋式負(fù)載、電動汽車等形式來實(shí)現(xiàn)。

考慮電子回饋式負(fù)載現(xiàn)場測試的復(fù)雜程度和危險(xiǎn)系數(shù)，此處不列入探討之列。

根據(jù)交流充電設(shè)施和直流充電設(shè)施兩種不同的情況，將阻性負(fù)載、電子負(fù)載、電動汽車作為負(fù)載，在充電樁電能計(jì)量檢定中的電壓范圍、測試點(diǎn)、工作模式、可重復(fù)性、便捷性、諧波引入，這六方面做比較，統(tǒng)計(jì)表格如表1、表2。

表1 交流檢定-不同負(fù)載特性比較

表2 直流檢定-不同負(fù)載特性比較

電動汽車作為負(fù)載，在交流充電樁檢定時，其特性類似于電子負(fù)載，但其電流測試點(diǎn)的范圍往往沒有電子負(fù)載那么寬泛，如某型號電動汽車，其電流調(diào)節(jié)范圍為10~31.5 A之間；在直流充電樁檢定時，其特性類似于電容，對于充電機(jī)的諧波電流有很好的吸收作用，但是其電壓檢測點(diǎn)受限于車載電池自身的狀態(tài)，不能隨意改變。

但對于現(xiàn)場計(jì)量檢定而言，電動汽車作為負(fù)載有著獨(dú)特的優(yōu)勢：

1) 便捷。電動汽車作為負(fù)載，無需配備龐大、笨重的電阻負(fù)載或電子負(fù)載，只需要輕便的檢定裝置，大大降低了現(xiàn)場的操作難度。

2) 與實(shí)際應(yīng)用場景相符。電動汽車作為負(fù)載，電能計(jì)量檢定應(yīng)用場景與實(shí)際工作場景一致，更具有說服力。

3) 節(jié)能。電動汽車作為負(fù)載，檢定過程中電能存儲，用于站點(diǎn)周轉(zhuǎn)之間，車需要的能量消耗掉，節(jié)能環(huán)保。

本文討論使用電動汽車作為負(fù)載，在電能計(jì)量檢定時的實(shí)現(xiàn)方法。

2 可行性

本節(jié)分析電動汽車作為負(fù)載的幾個關(guān)鍵點(diǎn)，驗(yàn)證其可行性和合規(guī)性。

2.1 容量

電動汽車車載電池管理系統(tǒng)根據(jù)電池的容量采取不同的充電策略，如不同的充電模式(恒壓、恒流)和不同的充電電流，當(dāng)電池容量在20%~80%之間時，充電模式多為恒流狀態(tài)，且充電電流可調(diào)范圍比較大，比較適合開展電能計(jì)量檢定工作。

根據(jù)JJG1149-2018《非車載充電機(jī)計(jì)量檢定規(guī)程》和 JJG1148-2018《交流充電樁計(jì)量檢定規(guī)程》檢測項(xiàng)目和檢測點(diǎn)的要求，示值誤差項(xiàng)目所要消納的電能最多，對于電能量示值分辨率為0.001度的樁而言，不同精度的電能表對應(yīng)的需要消納的電能如表3所示，表達(dá)式為

表3 不同等級電能表所需消納的電能量

當(dāng)前市場上，電動汽車電池容量普遍在60 kWh以上，電池容量范圍在20%~80%之間，對應(yīng)的電能量為

對于當(dāng)前市場上常用的1%的電能表而言的充電樁而言，單個充電場站，支持大約30個充電樁的電能計(jì)量檢定工作的開展。

而且國內(nèi)主流車企，都有車型支持V2H的工作模式，即將電動車內(nèi)電池的能量通過逆變裝置，變換為交流市電的形式輸出。

2.2 電壓檢測點(diǎn)

參考JJG1149-2018《非車載充電機(jī)計(jì)量檢定規(guī)程》和 JJG1148-2018《交流充電樁計(jì)量檢定規(guī)程》中所須測試點(diǎn)截圖如圖3、圖4。

由圖3和圖4可知，電壓檢測點(diǎn)可以說是不受限制的。特別是對直流充電樁的檢定而言，電動汽車單一的實(shí)時電壓也能滿足檢定規(guī)程的要求，這就

圖3 JJG1148工作誤差測試點(diǎn)

圖4 JJG1149工作誤差測試點(diǎn)

大大方便了現(xiàn)場使用電動汽車作為負(fù)載進(jìn)行電能計(jì)量檢定的工作。

3 實(shí)現(xiàn)

對于計(jì)量檢定而言，關(guān)鍵的是調(diào)整電流檢測點(diǎn)。對應(yīng)交流充電樁和直流充電樁的電能計(jì)量檢定，下面分別討論。

3.1 交流充電樁計(jì)量檢定

對于電動汽車車載充電機(jī)而言，需要根據(jù)CP信號PWM的占空比來調(diào)整充電電流。如圖5所示。

圖5 交流計(jì)量檢定系統(tǒng)框圖

對于此檢定系統(tǒng)而言，關(guān)鍵為樁端接口模擬電路和車端接口模擬電路的單獨(dú)設(shè)計(jì)。

對于車端接口模擬電路而言，負(fù)責(zé)模擬車端邏輯，使得樁能夠正常的啟動，并獲取樁端的基本信息(如額定電流的大小)。

對于樁端接口模擬電路而言，負(fù)責(zé)模擬樁端邏輯，通過CP信號的PWM占空比變化，調(diào)節(jié)電動汽車內(nèi)部車載充電機(jī)充電電流的大小。

從而實(shí)現(xiàn)不同負(fù)載點(diǎn)進(jìn)行交流充電樁工作誤差檢定的目的。

3.2 直流充電樁計(jì)量檢定

對于電動汽車BMS而言，直流充電樁實(shí)際充電電流小于BCL報(bào)文中電流需求值時，充電能夠繼續(xù)。如圖6所示。

圖6 直流計(jì)量檢定系統(tǒng)框圖

車端接口及CAN模擬電路模擬電動車，樁端接口及CAN模擬電路模擬充電樁。

車端接口及CAN模擬電路，截取直流充電樁的報(bào)文信息，不做更改，通過樁端接口及CAN模擬電路發(fā)送給電動汽車。

樁端接口及CAN模擬電路，截取電動汽車的報(bào)文信息，除去BCL外，其他不做修改，發(fā)送給直流充電樁。

當(dāng)從電動汽車發(fā)出的BCL中電流的需求值大于等于實(shí)際時，通過樁端接口及CAN模擬電路發(fā)送給直流充電樁的BCL報(bào)文時，整個測試系統(tǒng)是安全的。

4 驗(yàn)證

本節(jié)以交流充電設(shè)施檢定為例，驗(yàn)證電動汽車作為負(fù)載的可行性。

4.1 控制導(dǎo)引電路

對于交流充電設(shè)施而言，無法直接控制用電端的功率，即車載充電機(jī)的充電功率，只能間接地通過控制導(dǎo)引信號CP的PWM占空比來傳達(dá)表征交流充電樁供電能力的信息給車載充電機(jī)，最終由車載充電機(jī)調(diào)節(jié)充電電流。

所以，設(shè)計(jì)中將充電樁端控制導(dǎo)引電路和車端充電控制導(dǎo)引信號單獨(dú)設(shè)計(jì)。如圖7所示。

圖7 交流檢定設(shè)備控制導(dǎo)引示意

如圖7所示，圖中左側(cè)部分模擬電動汽車的充電接口，與樁交互；圖中右側(cè)部分模擬充電樁控制導(dǎo)引部分，與車交互，通過調(diào)節(jié)此處PWM信號的占空比來傳達(dá)相應(yīng)的調(diào)節(jié)電流的信息。

4.2 產(chǎn)品展示

產(chǎn)品名為電動汽車交流充電檢測裝置，型號為EVA100A。產(chǎn)品外觀示意如圖8所示。產(chǎn)品功能框架如圖9所示。

圖8 EVA100 A 外觀示意圖

圖9 EVA100 A內(nèi)部功能框架圖

EVA100A采用手持式設(shè)計(jì)，針對電動汽車交流充電檢測、檢定而設(shè)計(jì)的裝置，可以滿足實(shí)驗(yàn)室及現(xiàn)場多種場合下，充電功能、故障診斷、計(jì)量檢定等多項(xiàng)測試工作。

主要功能如下：

1) 支持電能計(jì)量檢定項(xiàng)目：工作誤差、顯示誤差、付費(fèi)金額誤差等。

2) 充電功能檢測：通過充電接口模擬電路，實(shí)現(xiàn)交流充電樁互操作性、電氣性的簡單測試。

3) 內(nèi)部溫度測量：內(nèi)置溫度傳感器，用于設(shè)備內(nèi)部的溫度，確保安全。

4) 交流充電接口模擬功能：內(nèi)置電動汽車交流充電接口模擬單元，可模擬電動汽車和交流充電樁，從而具備負(fù)載與實(shí)車兩種檢測計(jì)量方式。

5) 充電過程監(jiān)測：介于充電樁和電動汽車之前，通過電壓電流及控制導(dǎo)引信號的實(shí)時采集，實(shí)現(xiàn)對充電過程的全程監(jiān)測。

6) 充電故障診斷：通過充電過程的監(jiān)測，及對數(shù)據(jù)的分析，實(shí)現(xiàn)對交流充電的故障診斷。

7) 以車作為負(fù)載的計(jì)量：通過控制車端充電電流，完成交流充電樁所需的幾個電流計(jì)量點(diǎn)的需求，便捷地實(shí)現(xiàn)了交流充電樁的現(xiàn)場計(jì)量。

4.3 現(xiàn)場使用

使用EVA100A做電動汽車交流充電計(jì)量檢定時，現(xiàn)場使用示意如圖10所示。

通過光電采樣裝置，將被測充電設(shè)施的電能脈沖由光信號轉(zhuǎn)換為電信號，高效地進(jìn)行工作誤差的檢定。

自動測試的結(jié)果如圖11所示。

圖11 實(shí)測效果示意

在自動測試流程中，步驟1—步驟7是為了驗(yàn)證，在EVA100A處于旁路狀態(tài)(監(jiān)聽模式)時，充電樁能夠?yàn)殡妱悠囌映潆姟⒉⒛軌蛘ＭＶ?。步驟9—步驟14是通過調(diào)節(jié)CP信號PWM占空比，使得充電電流為額定充電電流、0.5倍的額定充電電流和最小充電電流(6 A)。

如圖中所示，充電電流能夠根據(jù)控制導(dǎo)引信號CP的PWM占空比來調(diào)節(jié)，但是，最小充電電流無法實(shí)現(xiàn)6 A的最小充電電流。

5 結(jié)論

此使用電動汽車作為充電樁電能計(jì)量檢定的負(fù)載的方法，是可行的，合規(guī)的，能夠大大提高現(xiàn)場操作的便捷性，使得電動汽車充電樁的常規(guī)年檢成為可能。

[1] 非車載充電機(jī)計(jì)量檢定規(guī)程: JJG1149-2018[S].

[2] 交流充電樁計(jì)量檢定規(guī)程: JJG1148—2018[S].

[3] 電動汽車非車載充電機(jī)電能計(jì)量: GBT 29318—2012[S].

[4] 電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)通用要求: GBT 18487.1—2015[S].

[5] 電動汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置第2部分交流充電接口: GBT 20234.2—2015[S].

[6] 電動汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置第3部分直流充電接口: GBT 20234.3—2015[S].

[7] 電力系統(tǒng)實(shí)時動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)第2部分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸協(xié)議: GBT 26865.2—2011[S].

[8] 電動汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議: GBT 27930—2015[S].

[9] 電動汽車傳導(dǎo)充電互操作性測試規(guī)范第2部分車輛: GBT 34657.2—2017[S].

[10] 電動汽車充電設(shè)備檢驗(yàn)試驗(yàn)規(guī)范第1部分非車載充電機(jī): NBT 33008.1—2013[S]

New idea of field measurement and verification of electric vehicle charging pile

ZHU Xiaopeng, WANG Guangxu, ZHAO Peilei, YU Hongxi, CAO Xueru, LI Dongxue, CHENG Fei

(PONOVO.CN, Beijing 100176, China)

With the rapid development of electric vehicle ownership, the safety of charging, interconnection and transaction fairness have attracted wide attention from all walks of life. It is urgent to solve the compatibility problems of science, advanced nature and standards. As an important guarantee means to maintain fair and fair transaction between users and power suppliers, the electric energy measurement and verification of charging facilities are the basis for the healthy and healthy development of electric vehicles. At present, there are many problems in the existing electric vehicle charging facilities electric energy measurement field verification device, such as complex equipment, cumbersome, unable to achieve the specified test point, which makes the verification work can not be carried out conveniently and efficiently. In view of the current problems, this paper puts forward a new idea and implementation method. Through this method, it makes up for the shortcomings and deficiencies of the conventional verification device, solves the problem of on-site electric energy measurement and verification, provides a tool for the annual compulsory verification of electric vehicle charging facilities, and enables the verification work to be carried out efficiently and scientifically.

electric vehicle; charging facilities; metrological verification; CECPT

2018-03-31；

2018-11-25

朱曉鵬(1983—)，男，碩士研究生，高級工程師，研究方向?yàn)殡妱悠嚦潆娤到y(tǒng)；E-mail: zhuxp@ponovo.cn

王光旭(1987—)，男，本科，iOS軟件工程師；E-mail: wanggx@ponovo.cn

趙培雷(1983—)，男，本科，高級工程師，研究方向?yàn)殡妱悠嚦潆娺^程安全性監(jiān)控。E-mail: zhaopl@ponovo.cn