電動(dòng)汽車非車載充電機(jī)電能檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)

李賀龍

（中國(guó)電力科學(xué)研究院有限公司，北京100192）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展水平不斷提高，汽車保有量持續(xù)攀升。大力發(fā)展電動(dòng)汽車，能夠加快燃油替代，減少汽車尾氣排放，對(duì)保障能源安全、促進(jìn)節(jié)能減排、防治大氣污染、推動(dòng)我國(guó)從汽車大國(guó)邁向汽車強(qiáng)國(guó)具有重要意義。根據(jù)國(guó)家市場(chǎng)總局辦公廳于2018年7月發(fā)布的 《就實(shí)施強(qiáng)制管理的統(tǒng)一計(jì)量器具目錄研提修訂意見的通知》，已計(jì)劃將交流充電樁納入強(qiáng)制檢定目錄。因此，需要大量的充電樁電能檢測(cè)設(shè)備來保證檢定工作的開展，其電能溯源工作勢(shì)在必行。

目前電動(dòng)汽車充電樁檢定工作的發(fā)展現(xiàn)狀：①標(biāo)準(zhǔn)的不斷完善：2018年初，關(guān)于電動(dòng)汽車充電樁（機(jī)）的檢定規(guī)程JJG 1148-2018《電動(dòng)汽車交流充電樁檢定規(guī)程》和JJG 1149-2018《電動(dòng)汽車非車載充電機(jī)檢定規(guī)程》已頒布施行，關(guān)于充電樁（機(jī)）的能源局標(biāo)準(zhǔn)[1]、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)也在不斷完善中；②充電設(shè)施的更新：國(guó)內(nèi)大型的充電樁生產(chǎn)制造商如魯能集團(tuán)、奧特迅、平高等均在加大力度研制符合新標(biāo)準(zhǔn)的充電設(shè)施，也相繼推出了自己的產(chǎn)品[2]；③隨著充電樁數(shù)量的不斷增加，各省市電網(wǎng)公司和電動(dòng)汽車服務(wù)公司正陸續(xù)開展電動(dòng)汽車充電樁的現(xiàn)場(chǎng)檢定工作[3]。

國(guó)內(nèi)對(duì)于電動(dòng)汽車充電設(shè)施的檢定工作尚停留在現(xiàn)場(chǎng)檢定的階段，即需檢定人員攜帶現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀、測(cè)試負(fù)載等設(shè)備至現(xiàn)場(chǎng)，這將帶來極大的檢定工作量。大量的充電樁分散安裝于出租公交充電站、環(huán)衛(wèi)物流充電站、居民小區(qū)等多種應(yīng)用場(chǎng)景，測(cè)試工具的運(yùn)輸、操作等工作將急劇增加，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)成本也將隨之提升，這不利于公司降本增效和集約化管理。因此，亟需研究一種有效進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)電能校準(zhǔn)與數(shù)據(jù)評(píng)估、同時(shí)減少檢測(cè)工作量的設(shè)備與方法[4-5]。文中提出的適用于非車載充電機(jī)電能現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的裝置，電壓范圍100～1000 V，電流范圍1～300 A，電能測(cè)量不確定度（k=2）：0.05%*RD，設(shè)備可直接掛網(wǎng)運(yùn)行，并自動(dòng)上傳充電電能數(shù)據(jù)，用戶只需將電能檢測(cè)儀連接充電樁輸出線和電動(dòng)汽車充電線，便可完成電能檢測(cè)。與傳統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀和負(fù)載的測(cè)試方式相比，可大大減少搬運(yùn)和人力成本。

文中電動(dòng)汽車非車載充電機(jī)（樁）簡(jiǎn)稱充電機(jī)。

1 充電機(jī)電能檢測(cè)儀原理

電能檢測(cè)儀可通過CAN-BUS 通信讀取充電機(jī)電壓、電流、電能等數(shù)據(jù)，同時(shí)，實(shí)測(cè)的電能數(shù)據(jù)可通過RJ45 等通訊方式上傳至后臺(tái)上位機(jī)，并進(jìn)行相關(guān)存儲(chǔ)和分析工作；充電槍頭DC24V 與內(nèi)置鋰電池供電方式可保證充電機(jī)起動(dòng)前和停止后的測(cè)量及通訊正常[6-7]。電能檢測(cè)儀外觀示意圖如圖1所示。

圖1 檢測(cè)儀外觀示意圖Fig.1 Schematic diagram of the appearance of the detector

電能檢測(cè)儀整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。在本研究的原理架構(gòu)設(shè)計(jì)中，硬件結(jié)構(gòu)包括微處理器模塊、高速ACD 采樣模塊、供電電源模塊、FPGA 計(jì)算模塊以及上位機(jī)數(shù)據(jù)分析模塊。通過直流充電接口能夠?qū)崿F(xiàn)非車載充電機(jī)充電數(shù)據(jù)信息的充電與放電，通過供電電源模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息充電，電動(dòng)汽車直接通過充電接口實(shí)現(xiàn)直流充電接口的充電。本研究還應(yīng)用了校驗(yàn)儀實(shí)現(xiàn)接電信息的輸入與輸出。在具體應(yīng)用中，采用V/V 轉(zhuǎn)換器和I/V 轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)測(cè)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(fā)送至電能計(jì)量模塊，同時(shí)采集充電機(jī)電能脈沖數(shù)計(jì)算電能誤差[8]。下文對(duì)誤差計(jì)算進(jìn)行說明。

圖2 檢測(cè)儀原理框圖Fig.2 Block diagram of the detector

2 充電機(jī)電能誤差計(jì)算

在對(duì)充電機(jī)電能進(jìn)行誤差計(jì)算時(shí)，采用大電流測(cè)量電路實(shí)現(xiàn)充電機(jī)電能誤差計(jì)算，通過對(duì)充電機(jī)電能誤差信號(hào)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行采集，再進(jìn)一步分析充電機(jī)電能誤差[9-10]，圖3 為大電流測(cè)量電路的原理圖。

圖3 大電流測(cè)量電路Fig.3 Large current measurement circuit

在實(shí)現(xiàn)大電流測(cè)量時(shí)，假設(shè)即時(shí)時(shí)間為T，充電機(jī)電能在工作過程中，輸出的電能計(jì)量數(shù)據(jù)信息經(jīng)過兩路24 位A/D 采集后，輸出的電壓序列為｛u1（1），u1（2），…，u1（n）｝，電流序列為｛u2（1），u2（2），…，u（n）｝[4]，則電能數(shù)據(jù)信息為

式中：P為校驗(yàn)儀測(cè)量功率值；E為校驗(yàn)儀測(cè)量電能值；KI為電流采樣值與實(shí)際值間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，其大小由電流通道的硬件參數(shù)決定；KU為電壓采樣值與實(shí)際值間的轉(zhuǎn)換系數(shù)，其大小由電壓通道的硬件參數(shù)決定；T為選定的測(cè)量時(shí)間，單位為s；N為AD 對(duì)充電機(jī)輸出的電壓和電流采樣的次數(shù)；n為采樣序號(hào)[11]。則有以下關(guān)系式：

式中：m為實(shí)測(cè)脈沖數(shù)；m0為算定的脈沖數(shù)；C為校驗(yàn)儀電能脈沖常數(shù)，單位為imp/kWh，其值隨著電壓電流量程改變而改變；Ui為校驗(yàn)儀電壓測(cè)量量程；Ii為校驗(yàn)儀電流測(cè)量量程；f為標(biāo)準(zhǔn)電能脈沖頻率60 kHz（高頻）或6 Hz（低頻）[12]。

由于充電機(jī)集中建立在戶外，存在大量的電磁干擾源，這就需要比較儀有著良好的抗電磁干擾能力。文中的比較儀采用雙層屏蔽技術(shù)，由主屏蔽高磁通密度材料（FeSiAl）與內(nèi)屏蔽高磁導(dǎo)率材料（坡莫合金）組成[13-14]，將比較儀鐵芯安裝在坡莫合金屏蔽盒中進(jìn)行單獨(dú)屏蔽，再將其與測(cè)試電路一起放置在主屏蔽盒內(nèi)，可最大程度上減少測(cè)量誤差。

除了磁性誤差，由于繞組線匝之間、繞組與繞組之間以及繞組對(duì)地之間存在寄生電容和電位差，它們之間會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的漏電流，從而產(chǎn)生容性誤差。靜電屏蔽可以減少容性誤差。

3 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本研究的充電機(jī)電能檢測(cè)儀在應(yīng)用過程中，采用集成化設(shè)計(jì)的方式，這種方式體積小，重量輕。通過CAN-BUS 通信讀取充電機(jī)電壓、電流、電能等數(shù)據(jù)，同時(shí)，實(shí)測(cè)的電能數(shù)據(jù)可通過RJ45 等通訊方式上傳至后臺(tái)上位機(jī)[15-16]，并進(jìn)行相關(guān)存儲(chǔ)和分析工作；充電槍頭DC24V 與內(nèi)置鋰電池供電方式可保證充電機(jī)起動(dòng)前和停止后的測(cè)量及通訊正常。此外，儀器具有外供電部分的能耗測(cè)量功能，以便于對(duì)充電電能與標(biāo)準(zhǔn)器的電能精準(zhǔn)比較。

考慮到系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性強(qiáng)，采用最新架構(gòu)32 位嵌入式微處理器和FPGA 加外圍設(shè)計(jì)電路搭建的平臺(tái)進(jìn)行開發(fā)，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)[17]如圖4所示。

系統(tǒng)關(guān)鍵模塊包括FPGA 模塊、微處理器模塊與直流電流測(cè)量模塊。下文對(duì)本研究的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行說明。

3.1 FPGA 模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用FPGA 進(jìn)行功率測(cè)量、標(biāo)準(zhǔn)電能脈沖發(fā)生和量程切換等功能。FPGA 模塊示意圖如圖5所示。

圖5 FPGA 模塊示意圖Fig.5 Schematic diagram of FPGA module

在圖5 的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA 現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯陣列開發(fā)板由FPGA 芯片、SDRAM 存儲(chǔ)芯片、外設(shè)電路、時(shí)鐘模塊、外圍擴(kuò)展接口等組成，其中FPGA 具有配置簡(jiǎn)單、繼承性高、配置靈活的優(yōu)點(diǎn)。其安全的片上閃存可使器件在10 ms 內(nèi)完成配置，3 mm×3 mm的封裝內(nèi)集成了可編程邏輯器件（PLD）、RAM、閃存、數(shù)字信號(hào)處理、鎖相環(huán)和I/O 接口，保證了器件的靈活配置，并采用TSMC 的55 nm 工藝技術(shù)[18]，可保證20年的使用壽命。

3.2 微處理器模塊

微處理器以嵌入式32 微處理器作為主控制核心，控制核心采用ARM 結(jié)構(gòu)，Cortex-M3 內(nèi)核。內(nèi)部集成了高精度的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，GPIO 接口資源豐富。微處理器模塊示意圖如圖6所示。

圖6 微處理器模塊示意圖Fig.6 Schematic diagram of the microprocessor module

在圖6 的設(shè)計(jì)中，電路中的相關(guān)開關(guān)信號(hào)和控制信號(hào)以及相關(guān)數(shù)字信號(hào)都會(huì)發(fā)給FPGA，F(xiàn)PGA 做出相應(yīng)處理后“打包”發(fā)給微處理器模塊，再進(jìn)行配置與計(jì)算工作。同時(shí)RJ45 通訊模塊、CAN 通訊模塊等直接與微處理器連接，豐富了測(cè)試儀器的功能，也大大優(yōu)化了測(cè)試儀器的可操作性。在應(yīng)用直流電流測(cè)量模塊時(shí)，裝置采用直流比較儀測(cè)量大電流，比較儀采用雙鐵芯結(jié)構(gòu)，如圖7所示。

圖7 比較儀結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Comparator structure diagram

在本設(shè)計(jì)中，雙鐵芯結(jié)構(gòu)使鐵芯中感應(yīng)的奇次諧波分量能夠相互抵消，偶次諧波則會(huì)相互加強(qiáng)，就能提取有利于反應(yīng)信號(hào)大小的偶次諧波分量[19]。方波振蕩器連接激勵(lì)繞組，激勵(lì)繞組單獨(dú)繞制在鐵芯A 上，檢測(cè)繞組Ws和平衡繞組W2繞制在雙鐵芯上，待測(cè)繞組W1穿過雙鐵芯變大電流模塊，其中鐵芯A 由高導(dǎo)磁率軟磁材料制作，鐵芯B 由低導(dǎo)磁率鐵氧體材料制作。

4 案例應(yīng)用分析

本研究方法在應(yīng)用時(shí)，采用的軟件基于LabVIEW編寫。主要包括電能誤差實(shí)現(xiàn)算法、協(xié)議一致性測(cè)試、人機(jī)交互界面單元，應(yīng)用時(shí)，系統(tǒng)通過高速AD 通道采集兩路電壓u1（n），u2（n）。充電機(jī)輸出電壓u（n）與電流i（n）滿足關(guān)系式（5）、式（6）：

式中：u1（n）為電壓通道AD 采樣的電壓值；u（n）為充電機(jī)輸出電壓值；KU的值為1000。

式中：u2（n）為電流通道AD 采樣的電壓值；i（n）為充電機(jī)輸出電流；KI的值為300。

程序運(yùn)行邏輯如下：將測(cè)量的u（n）和i（n）代入式（2）中得到電能E，根據(jù)u（n）和i（n）設(shè)置電壓和電流量程計(jì)算C，將C、E代入式（1）算出m0，將測(cè)量的m和m0代入式（4）計(jì)算電能誤差。邏輯圖如圖8所示。

圖8 程序邏輯圖Fig.8 Program logic diagram

協(xié)議一致性測(cè)試是檢測(cè)充電樁是否完全按規(guī)程GB/T 27930-2015 《電動(dòng)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》制造[20]。對(duì)充電機(jī)充電流程的檢測(cè)流程如圖9所示。

圖9 協(xié)議一致性測(cè)試流程Fig.9 Protocol conformance test flow chart

在上述應(yīng)用中，再采用人機(jī)交互界面實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息檢定交互，項(xiàng)目主要包括檢定項(xiàng)目、檢定結(jié)果顯示、充電機(jī)狀態(tài)等內(nèi)容。可在測(cè)試過程實(shí)時(shí)顯示測(cè)試結(jié)果及充電機(jī)當(dāng)前狀態(tài)，在突發(fā)情況下自動(dòng)斷開測(cè)試。測(cè)試結(jié)束后可選擇將數(shù)據(jù)自動(dòng)導(dǎo)出至Excel 或者Word 文件。界面如圖10所示。

圖10 人機(jī)交互界面Fig.10 Human-computer interaction interface

通過24 h 不停應(yīng)用，將本研究的方法與文獻(xiàn)[1]、文獻(xiàn)[2]的方法進(jìn)行對(duì)比分析，則檢測(cè)效率如圖11所示。

圖11 被解密數(shù)據(jù)所占比重對(duì)比圖Fig.11 Comparison of the proportion of decrypted data

通過圖11 可以看到，本研究的檢測(cè)儀經(jīng)過多次測(cè)量，與文獻(xiàn)[1]和文獻(xiàn)[2]相比，表現(xiàn)出較為突出的正確率，本研究方法具有突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)語

針對(duì)電動(dòng)汽車非車載充電機(jī)電能檢測(cè)技術(shù)的必要，本研究設(shè)計(jì)出一種新型的電能檢測(cè)儀器，采用的硬件設(shè)計(jì)模塊包括高速ACD 采樣模塊、供電電源模塊、FPGA 計(jì)算模塊以及上位機(jī)數(shù)據(jù)分析模塊等。在具體應(yīng)用中提高了充電機(jī)電能檢測(cè)效率，為電動(dòng)汽車非車載充電提供了技術(shù)依據(jù)，本研究在一定程度上提高了電能檢測(cè)能力，為電動(dòng)汽車非車載充電機(jī)應(yīng)用提供技術(shù)支持。