電動汽車充電樁的電能計量研究綜述

鄭麗輝 鄭禮民

摘 要：隨著能源、環(huán)保、節(jié)能等理念的提出，電動汽車市場發(fā)生了快速的發(fā)展，呈爆發(fā)性增長。充電樁作為電動汽車的續(xù)航設備，其發(fā)展速度將限制電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本文主要針對電動汽車充電樁的電能計量問題展開探討，首先介紹了國內(nèi)外充電樁的發(fā)展現(xiàn)狀，研究不同充電樁的分類和充電原理，最后對直流充電樁和交流充電樁的計量原理進行論述，為后續(xù)電動汽車充電樁的計量系統(tǒng)研究提供了大量的參考。

1 電動汽車的充電樁分類與原理

電動汽車根據(jù)充電模式的不同，可以將充電方式分為充電樁與換電池兩個方式，換電池主要在換電站提供電池更換和服務功能，電池的更換時間短、占地面積較充電站小，但現(xiàn)受限于各電池的標準規(guī)范不同，行業(yè)交流不夠緊密等因素，導致?lián)Q電站的實現(xiàn)主要存在與電動公交車和出租車等大批量組織市場。充電樁可根據(jù)電流種類的不同，分為交流充電樁和直流充電樁[1]。

1.1 交流慢充充電樁

交流充電方式，即“慢充”。通過采用交流充電樁充電口直接連接汽車的慢充口，無需外部專門交直流轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，主要經(jīng)過汽車內(nèi)部充電機實施交直流轉(zhuǎn)換，為電動汽車電池進行充電。因此交流充電樁主要功能是相應的控制、計費和通信等功能，計算充電過程中的電能，控制系統(tǒng)對充電樁進行電壓電流和溫度的檢測，并實施通信反饋，監(jiān)測用電過程的安全性和穩(wěn)定性。交流充電樁采用小電流小功率慢充的方式，提供單路或者雙路220V AC/380V AC輸出，功率一般在5kW/20kW，因此延長了電池的使用壽命，一般需要6-8小時才可完成充電。

1.2 直流快充充電樁

直流充電方式，即“快充”。直流充電樁需要與非車載充電機配合使用，利用非車載充電機將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電，輸送至電動汽車的快充口。直流充電樁主要由控制模塊、計量模塊、通信模塊、電源模塊等。主控制器對整個充電樁進行控制，主要控制充電樁的電流轉(zhuǎn)換、電流監(jiān)控、數(shù)據(jù)讀取、通信系統(tǒng)的管理等，協(xié)調(diào)各個模塊之間的工作。直流充電輸入電壓頻率為50Hz的三相四線AC380V±15%，輸出直流為電池充電。直流充電的電流大，是常規(guī)交流充電電流的十倍甚至幾十倍，半小時即可充滿電池的80%容量。

1.3 充電樁充電原理

電動汽車的充電原理主要有恒流充電法、恒壓充電法和兩段式充電法。恒流充電通過穩(wěn)定充電的電流，但充電過程中電池接收電流的減小，會導致電池的析出。恒壓充電法在充電初期的電壓快速升高后趨于穩(wěn)定，但電流減小，主要問題是充電初期的大電流會嚴重影響電池的壽命。兩段式充電法集合了恒流充電法和恒壓充電法，如圖1所示。首先是恒流充電，其次是恒壓充電，隨著充電的開始，電壓較小，隨電流較大但相對穩(wěn)定，隨著充電的進行，電壓上升至電池的額定電壓后，進入恒壓環(huán)節(jié)，電池電動勢逐步增大，電流持續(xù)下降，直至降為零。

2 充電樁電能計量的研究

在汽車充電過程中，電池充電電壓和電流隨時間而不斷變化，信號中會出現(xiàn)很多的損耗和諧波，導致充電電能的計量準確度下降，產(chǎn)生微量的誤差，引起對電能的計量問題和計費錯誤。日本三菱電機公司的Miyama Y， Hazcyama M， Hanioka S等對永磁同步電動機上提出一種新的載波諧波損耗抑制技術，采用二維有限法降低了充電機的損耗。意大利的Cataliotti A，Cosentino V，Di Cara D等提出一種頻率響應的RCCT補償方法，減小了諧波功率誤差。武漢大學和國網(wǎng)江蘇電力楊金濤，樂健等針對諧波誤差及影響因素，搭建新型電能計量模型，降低了諧波條件下的計量誤差。廣東電網(wǎng)電力研究所趙偉孟，金嶺陳等采用ip-iq算法和快速傅里葉變換和準同步采用線性插值的補償算法，解決了充電設施的電源檢定溯源問題[2，3]。

2.1 交流充電樁計量原理

交流電能計量方法[4]主要分為兩種：一種是頻域法，通過頻率特性研究系統(tǒng)的方法，分別計算出基波電能和諧波電能，從而準確地對用電電能計量。常采用加窗傅里葉變換、形態(tài)小波變換算法、廣義瞬時無功功率等算法，有效地解決非線性接入后所產(chǎn)生的電能計量問題。

一種是時域法，即以時間函數(shù)描述系統(tǒng)并加以分析研究的一種方法。常采用的方法由瞬時積分法，通過測量交流電的相角和頻率，計算用電電能，公式如下：

u（t）=U_m ?sin?wt=√2 U sin?wt ? ? ? ? ? i（t）=I_m ?sin?〖（wt-φ）=√2 I sin?（wt-φ） 〗

K_p=K_m K_i K_u ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?W_p=∫_0^T?〖u（t）i（t）dt〗=TK_p UI cos?φ

式中，U_m 、I_m分別為電壓與電流峰值;K_u 、K_i分別為電壓、電流轉(zhuǎn)換系數(shù)。

2.2 直流充電樁計量原理

直流電的大小和方向不會隨時間變化而變化，通過把交流電進行整流和濾波之后，即變成平穩(wěn)的直流電。但在交流電與直流電的轉(zhuǎn)換過程時，充電設備與計量系統(tǒng)中存在著非線性特性，將會引起電網(wǎng)電壓電流產(chǎn)生諧波、波動、三相不平衡、有功功率線損高等一系列問題，降低了對電能計量的準確計量?，F(xiàn)今主要的直流電能計量方法主要有：平均值法、有效值法、瞬時功率積分法[5]。

平均值法通過采樣時間間隔，獲取各個采樣點的電流、電壓的平均值，從而得到個點瞬時功率的平均值，再把單位周期內(nèi)的所有值累加形成電能值。

P=1/n ∑_（k=1）^n?u（t_k ）i（t_k ） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?W=?t/n ∑_（k=1）^n?u（t_k ）i（t_k ）

有效值法通過計算周期內(nèi)的電壓、電流有效值，將電壓與電流有效值通過計算得到功率和總電能。

U=√（1/T ∫_0^T?〖u^2 dt〗） ? ? ? ? ? ? ? ? ? I=√（1/T ∫_0^T?〖t^2 dt〗） ? ? ? ? ? ? ? ? ? W=P??t≈UI??t

瞬時功率積分法通過對一個周期內(nèi)，每個采樣點計算瞬時值，再將瞬時功率平均值累加得到功率，再將功率相加取平均值得到電能。

P（t_k）=u（t_k ）i（t_k ）

P=1/N[u（t_1 ）i（t_1 ）+u（t_2 ）i（t_2 ）+…+u（t_n ）i（t_n ）]=1/N ∑_（k=1）^n?u（t_k ）i（t_k ）

W=[1/N ∑_（k=1）^n?u（t_k ）i（t_k ） ]?t

結(jié)論

電動汽車的發(fā)展離不開充電樁計量系統(tǒng)的提升，充電樁的直流與交流中存在的損耗和諧波影響導致計量存在誤差。本文分析了電動汽車的交流/直流充電樁的優(yōu)劣勢和計量原理，后期將深入研究交流/直流充電樁的計量誤差分析和算法進行改進研究。

參考文獻

[1]袁航.電動汽車充電樁的日常維護[J].南方農(nóng)機，2019，50（17）：114.

[2]韓迪，姜振宇，劉科學，譚志強，巨漢基，郭皎.電動汽車充電樁電能計量相關問題研究[J].交通節(jié)能與環(huán)保，2021，17（01）：14-17.

[3]宋紅賀. 電動汽車直流充電樁監(jiān)測與管理系統(tǒng)研究與設計[D].山東科技大學，2018.

[4]咸凱耀. 計及紋波影響的電動汽車直流計量誤差分析與改進算法研究[D].山東科技大學，2019.

[5]吳曉萌. 電動汽車交流充電樁及智能充電控制策略研究[D].杭州電子科技大學，2019.

2021年度衢州市科技局指導性科研項目（2021070）：基于Rogowski線圈的充電樁電能計量系統(tǒng)設計