實(shí)現(xiàn)一種交流充電樁自動(dòng)檢測(cè)裝置的研究

鐘偉俊

（廣州計(jì)量檢測(cè)技術(shù)研究院，廣東 廣州 510000）

國內(nèi)現(xiàn)有的交流充電樁檢測(cè)裝置存在操作流程復(fù)雜、檢測(cè)效率低、自動(dòng)化水平不足、功能單一等問題，工作人員需要現(xiàn)場(chǎng)操作設(shè)備完成充電樁準(zhǔn)確度相關(guān)參數(shù)檢測(cè)工作，所檢測(cè)的數(shù)據(jù)結(jié)果只能本地存儲(chǔ)，通常需要耗費(fèi)較多時(shí)間用于數(shù)據(jù)整理、檢定評(píng)估等工作。針對(duì)這一問題，本文計(jì)劃開發(fā)一種自動(dòng)化的檢測(cè)裝置，該裝置能夠滿足充電樁檢測(cè)準(zhǔn)確度保證要求，具有符合市場(chǎng)需求的交流電量檢測(cè)功能，能夠通過內(nèi)置芯片完成數(shù)據(jù)的計(jì)量檢定與遠(yuǎn)程傳輸?shù)裙ぷ?，解決市場(chǎng)難題。

1 交流充電樁簡介

交流充電樁多用于滿足電動(dòng)汽車的充電需求，應(yīng)用場(chǎng)所多為居民小區(qū)、停車場(chǎng)等公共區(qū)域，能夠?qū)⒔涣麟娋W(wǎng)中的電能傳輸給電動(dòng)汽車，具備充電接口、操作界面等硬件結(jié)構(gòu)，能夠完成電能計(jì)量、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等較多工作，其工作頻率為50Hz，電壓通常為220V或380V（波動(dòng)范圍在±15%內(nèi)），輸出電流多為32A。相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，交流充電樁的計(jì)量準(zhǔn)確度等級(jí)需達(dá)到1.0級(jí)，為滿足工作需求，本文特研發(fā)一款具有0.05級(jí)準(zhǔn)確度標(biāo)準(zhǔn)的自動(dòng)檢測(cè)裝置，下面進(jìn)行詳細(xì)論述。

2 交流充電樁電能檢定原理

電能誤差是交流充電樁計(jì)量檢測(cè)的關(guān)鍵項(xiàng)目，將充電樁的電量數(shù)據(jù)結(jié)果與檢測(cè)裝置的檢定結(jié)果對(duì)比分析，能夠確定電能誤差的具體數(shù)值。一般而言，檢測(cè)充電樁電量可以通過脈沖法以及瓦秒法開展，實(shí)際操作時(shí)，需要考慮充電樁的電量數(shù)值。

其中，脈沖法能夠以脈沖的形式將電能轉(zhuǎn)化，通過將檢測(cè)裝置轉(zhuǎn)化的脈沖與相同時(shí)段讀取自充電樁的電脈沖數(shù)值對(duì)比來確定檢測(cè)誤差的數(shù)值；瓦秒法主要依靠功率確定檢測(cè)誤差，依靠標(biāo)準(zhǔn)計(jì)時(shí)器對(duì)恒定功率狀態(tài)下充電樁的電能累積時(shí)間檢測(cè)，將檢測(cè)時(shí)間與功率相乘可得電能數(shù)值，檢測(cè)裝置檢測(cè)得到的電能與充電樁顯示的電能消耗數(shù)值對(duì)比，可以確定計(jì)量誤差的具有數(shù)據(jù)。

對(duì)比兩種檢定方法，瓦秒法需要在無時(shí)延的情況下不間斷地對(duì)設(shè)定的充電樁電能數(shù)值檢測(cè)，測(cè)量期間還需要確保功率數(shù)值恒定；脈沖法能夠在任意時(shí)段對(duì)電能誤差進(jìn)行檢測(cè)，不會(huì)對(duì)充電樁的運(yùn)行造成影響，但脈沖來源于內(nèi)置電能表，數(shù)據(jù)的讀取需要通過拆卸設(shè)備外殼來開展，在操作方面相對(duì)復(fù)雜。

一方面，為提升檢測(cè)便捷性，本文設(shè)計(jì)的裝置能夠依靠瓦秒法檢測(cè)充電樁電能誤差，通過測(cè)量電壓、電流信號(hào)計(jì)算功率并計(jì)量時(shí)間的方式檢測(cè)充電樁電量數(shù)值，完成檢定工作；另一方面，檢測(cè)裝置也具備脈沖檢測(cè)功能，在應(yīng)用時(shí)也可以借助脈沖法對(duì)電能誤差進(jìn)行檢測(cè)。

3 交流充電樁自動(dòng)檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)分析

3.1 自動(dòng)檢測(cè)裝置基本要求

為了滿足市場(chǎng)計(jì)量工作需求，本文設(shè)計(jì)的充電樁檢測(cè)裝置體積相對(duì)較小，具有便攜性特點(diǎn)，檢測(cè)裝置與程控負(fù)載通過底部裝設(shè)的耐磨靜音滾輪運(yùn)輸，有效提升現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的便捷性。在接口方面，檢測(cè)裝置根據(jù)2015年修訂的0234.2推薦性國標(biāo)設(shè)計(jì)了輸入與輸出接口，滿足市場(chǎng)上現(xiàn)行的各類充電樁檢測(cè)接口要求；該檢測(cè)裝置配置了信號(hào)監(jiān)測(cè)端子，能夠?yàn)橄嚓P(guān)單位人員對(duì)充電樁的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。在外部結(jié)構(gòu)方面，檢測(cè)裝置外包HPX輕質(zhì)、強(qiáng)韌樹脂材料構(gòu)成的箱體，箱體具有防塵、防水、耐高低溫、防撞等特性，溫度耐受最低為零下40℃，最高為99℃，防水等級(jí)可達(dá)IP67，內(nèi)襯為EVA材質(zhì)，具有緩沖震動(dòng)等設(shè)備防護(hù)效果。

在準(zhǔn)確度等級(jí)方面，該自動(dòng)檢測(cè)裝置達(dá)到了0.05級(jí)，在測(cè)試充電樁期間可以自由切換使用程控負(fù)載或電動(dòng)車負(fù)載，在操作方面能夠依靠工業(yè)級(jí)8寸觸摸屏操作，不僅操作極其簡單，還具有較強(qiáng)的抗干擾性、豐富的接口以及較高的運(yùn)行穩(wěn)定性。

3.2 檢測(cè)裝置硬件結(jié)構(gòu)

檢測(cè)裝置硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括顯示操作界面、電源、誤差計(jì)量模塊、測(cè)量模塊、負(fù)載接口、充電樁監(jiān)測(cè)接口、充電樁輸入接口等功能模塊。檢測(cè)裝置所采集的信號(hào)主要包括充電樁的電流電壓輸出信號(hào)，還包括充電樁電能表中的脈沖信號(hào)、CP信號(hào)以及CC信號(hào)；測(cè)量主控單元能夠根據(jù)脈沖信號(hào)對(duì)充電樁誤差進(jìn)行檢測(cè)；測(cè)量主控單元能夠?qū)Τ潆姌兜碾妷弘娏餍盘?hào)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，通過處理器對(duì)檢測(cè)信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)電能誤差的檢定；顯示操控單元能夠?qū)z測(cè)的數(shù)據(jù)結(jié)果在屏幕中顯示出來，還可以對(duì)程控負(fù)載進(jìn)行切換控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電流的模擬。

圖1 檢測(cè)系統(tǒng)流程框圖

充電樁檢測(cè)裝置工作原理詳見圖2，該裝置能夠檢測(cè)模塊主要涉及3條電壓檢測(cè)回路、3條電流檢測(cè)回路以及2條脈沖輸入輸出回路。其中，6路電壓、電流檢測(cè)回路主要包括A-D轉(zhuǎn)換器、濾波電流以及信號(hào)運(yùn)輸處理回路；脈沖回路由DDS輸出、FPGA計(jì)數(shù)。檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)有測(cè)溫接口，能夠?qū)ω?fù)載溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)，針對(duì)負(fù)載過熱問題發(fā)出報(bào)警控制。

圖2 檢測(cè)裝置原理框圖

為滿足設(shè)計(jì)接口運(yùn)行需求，在微型處理器CPU選型過程中，本自動(dòng)檢測(cè)裝置選擇了STM32F407芯片，該芯片具有接口數(shù)量多、兼容性能優(yōu)異、主頻高、應(yīng)用十分廣泛等優(yōu)勢(shì)特點(diǎn)；為確保電壓、電流相關(guān)充電樁信號(hào)的檢測(cè)精度，在檢測(cè)過程中應(yīng)用具有較強(qiáng)抗干擾能力和較高分辨率的AD采樣芯片開展信號(hào)采集工作；在實(shí)際運(yùn)行過程中，電流與電壓模擬信號(hào)經(jīng)抗混疊濾波電路濾波后，經(jīng)AD模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，信號(hào)與運(yùn)算處理單元以及STM32F407之間設(shè)有隔離模塊，避免檢測(cè)裝置的運(yùn)行受到干擾。

3.3 檢測(cè)裝置軟件功能

充電樁檢測(cè)裝置的軟件架構(gòu)為開放性設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)各種測(cè)試接口資源的整合處理，能夠?qū)Ω髟O(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制等管理工作，科學(xué)有序地對(duì)測(cè)試流程、信息、數(shù)據(jù)、報(bào)告、規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)等進(jìn)行管控，確保充電樁計(jì)量檢測(cè)結(jié)果的可靠性和檢測(cè)過程數(shù)據(jù)的完整性。在系統(tǒng)接口方面，檢測(cè)裝置具有二次編程優(yōu)化設(shè)計(jì)接口，用戶能夠結(jié)合自身需求對(duì)測(cè)試流程、業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)處理等各模塊進(jìn)行改進(jìn)，同時(shí)，也可以進(jìn)行新功能的增設(shè)工作。在人機(jī)交互界面方面，用戶可以通過檢測(cè)裝置的觸控屏對(duì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的各種充電樁電流電壓、負(fù)載溫度等數(shù)據(jù)參數(shù)或狀態(tài)進(jìn)行查看，能夠自由選擇需查看的測(cè)試報(bào)告，可以自由設(shè)置系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)并控制檢測(cè)過程，還具有風(fēng)格、色彩、效果等外觀節(jié)目編輯優(yōu)化功能。

用戶可以通過系統(tǒng)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、報(bào)告打印等各項(xiàng)工作。在通過觸控屏界面完成檢定點(diǎn)設(shè)置后，軟件系統(tǒng)能夠要RS232串口線向STM32F407傳遞命令，CPU根據(jù)命令對(duì)測(cè)量量程進(jìn)行切換，控制充電樁輸出電能的同時(shí)開展計(jì)時(shí)測(cè)量工作；系統(tǒng)通過AD模塊對(duì)電壓電流信號(hào)進(jìn)行采集運(yùn)輸，通過計(jì)算模塊完成電能數(shù)值運(yùn)算與誤差對(duì)比分析工作，并將數(shù)據(jù)結(jié)果傳輸給觸控屏界面顯示；系統(tǒng)還可以借助DDS模塊將功率轉(zhuǎn)化為電能脈沖，與充電樁電能表脈沖同步依靠FPGA計(jì)數(shù)，通過CPU計(jì)算模塊完成誤差檢定工作。

3.4 自動(dòng)檢測(cè)裝置的技術(shù)難點(diǎn)及解決方案

雖然充電樁自動(dòng)檢測(cè)裝置能夠通過脈沖測(cè)量的方式對(duì)充電樁電能誤差進(jìn)行測(cè)量，但實(shí)際操作時(shí)工作人員需要耗費(fèi)較多時(shí)間進(jìn)行外殼拆卸，便于將檢測(cè)裝置與電能表連接。為此，計(jì)量檢測(cè)人員可以通過瓦秒法檢定充電樁準(zhǔn)確度。

在實(shí)際操作時(shí)，裝置使用人員接入的負(fù)載主要為電動(dòng)汽車，而充電樁給出的電壓主要為電網(wǎng)電壓，由于功率無法維持恒定，單純依靠瓦秒法中恒定功率的計(jì)算方式將存在較大誤差。為此，在檢查過程中，裝置能夠?qū)⒊潆姌兜膶?shí)時(shí)電壓與電流檢測(cè)，通過將兩者相乘得到功率數(shù)值，根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)數(shù)據(jù)獲取功率隨時(shí)間變化曲線，通過積分的方式可以求得準(zhǔn)確的電能數(shù)值，具體計(jì)算工作可以借助CPU軟件程序進(jìn)行。

4 交流充電樁檢測(cè)裝置的校驗(yàn)

本文主要對(duì)檢測(cè)裝置的電壓電流檢測(cè)精度進(jìn)行了校驗(yàn)，通過三相電能表測(cè)量數(shù)據(jù)與充電樁檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比，得到校驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。測(cè)試結(jié)果表明，該檢測(cè)裝置的計(jì)量準(zhǔn)確度達(dá)到0.05級(jí)，滿足充電樁自動(dòng)檢測(cè)功能要求。

表1 計(jì)量校準(zhǔn)結(jié)果

5 結(jié)語

綜上所述，本文提出了一種交流充電樁自動(dòng)檢測(cè)裝置，該裝置不僅可以通過脈沖法對(duì)充電樁電能誤差進(jìn)行檢測(cè)，還可以通過實(shí)時(shí)電壓、電流檢測(cè)的方法對(duì)實(shí)時(shí)功率和電能數(shù)值進(jìn)行測(cè)定，測(cè)試結(jié)果表明，該裝置的準(zhǔn)確度等級(jí)達(dá)到了0.05級(jí)，滿足計(jì)量工作需求。