電動(dòng)汽車(chē)充電樁/機(jī)校驗(yàn)儀國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀及溯源研究

楊梅，李文強(qiáng)，劉建波，馬雪鋒，閆紅蕊，劉曉

(山東省計(jì)量科學(xué)研究院，濟(jì)南 250014)

0 引 言

電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁校驗(yàn)儀、電動(dòng)汽車(chē)直流充電機(jī)校驗(yàn)儀是電動(dòng)汽車(chē)充電樁/機(jī)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)器，它們的準(zhǔn)確、可靠可為強(qiáng)檢計(jì)量器具電動(dòng)汽車(chē)充電樁/機(jī)的量值提供保證。

2018年，本文作者作為《電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁校驗(yàn)儀》和《電動(dòng)汽車(chē)直流充電機(jī)校驗(yàn)儀》國(guó)家檢定規(guī)程編寫(xiě)組，在全國(guó)范圍內(nèi)征集電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁校驗(yàn)儀、電動(dòng)汽車(chē)直流充電機(jī)校驗(yàn)儀進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)。通過(guò)9個(gè)月的各項(xiàng)試驗(yàn)，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電樁/機(jī)校驗(yàn)儀國(guó)內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀有了全面了解，為校驗(yàn)儀國(guó)家檢定規(guī)程編寫(xiě)的研究提供大量數(shù)據(jù)和方法。

1 試驗(yàn)情況

在全國(guó)范圍內(nèi)征集到7款電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁校驗(yàn)儀、6款電動(dòng)汽車(chē)直流充電機(jī)校驗(yàn)儀(各校驗(yàn)儀以交1-7/直1-6號(hào)代碼表示)，使其進(jìn)入了檢測(cè)環(huán)節(jié)。覆蓋了國(guó)內(nèi)主流生產(chǎn)企業(yè)的產(chǎn)品，代表了國(guó)內(nèi)技術(shù)水平和現(xiàn)狀。測(cè)試項(xiàng)目按表1、表2進(jìn)行。

表1 電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁校驗(yàn)儀測(cè)試項(xiàng)目[1]Tab.1 Electric vehicle AC charging pile calibrator test project

表2 電動(dòng)汽車(chē)直流充電機(jī)校驗(yàn)儀測(cè)試項(xiàng)目[2]Tab.2 Electric vehicle DC charging machine calibratortest project

1.1 功能

校驗(yàn)儀檢測(cè)根據(jù)JJG1148-2018《電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁》、JJG1149-2018《電動(dòng)汽車(chē)非車(chē)載充電機(jī)》國(guó)家計(jì)量檢定規(guī)程中要求的檢定項(xiàng)目的溯源要求進(jìn)行，即表3所列。

表3 國(guó)家檢定規(guī)程中要求的充電樁檢定項(xiàng)目Tab.3 Required charging pile test in national verification regulation project

除這些必需功能外，大部分校驗(yàn)儀還具有表4所列與計(jì)量相關(guān)的功能項(xiàng)目，這些要求來(lái)自國(guó)標(biāo)、行標(biāo)中相關(guān)要求。

表4 校驗(yàn)儀計(jì)量相關(guān)功能項(xiàng)目Tab.4 Calibrator instrument measurement related projects

1.2 工作原理

電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁校驗(yàn)儀電壓是用精密電阻對(duì)各相電壓進(jìn)行采樣[3]，并使用四階低通濾波電路對(duì)其濾波，三相電流信號(hào)使用霍爾電流傳感器將一次大電流轉(zhuǎn)換為二次小電流，使用精密采樣電阻對(duì)此小電流進(jìn)行采樣，通過(guò)四階低通濾波電路濾波,經(jīng)多通道同步采樣模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片對(duì)這六路信號(hào)進(jìn)行采樣，控制器為ARM芯片，對(duì)模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)FFT運(yùn)算，獲取幅值、相位、頻率等信息[4]。

電動(dòng)汽車(chē)直流充電機(jī)校驗(yàn)儀首先要通過(guò)CAN總線和充電樁進(jìn)行通信，建立通信后，進(jìn)行絕緣測(cè)試，充電樁輸出絕緣測(cè)試電壓，并設(shè)置充電樁輸出的工作電壓和工作電流，接下來(lái)進(jìn)行電流電壓采樣及轉(zhuǎn)換[5]。

1.3 測(cè)試結(jié)果

檢測(cè)過(guò)程歷時(shí)9個(gè)月陸續(xù)進(jìn)行，結(jié)果匯成如下誤差曲線表述。

圖1～圖3是交流充電樁校驗(yàn)儀測(cè)試結(jié)果；圖4～圖6是直流充電機(jī)校驗(yàn)儀測(cè)試結(jié)果。

圖1 交1號(hào)交流充電樁校驗(yàn)儀220V 5A 1.0誤差Fig.1 No.1 AC charging pile calibrator 220V 5A 1.0 error

圖2 交1號(hào)交流充電樁校驗(yàn)儀A元220V 5A 1.0誤差Fig.2 No.1 AC charging pile calibrator A 220V 5A 1.0 error

圖3 交2號(hào)交流充電樁校驗(yàn)儀220V 5A相位誤差Fig.3 No.2 AC charging pile calibrator 220V 5A phase error

圖4 直4號(hào)直流充電樁校驗(yàn)儀不同電壓下誤差Fig.4 No.4 DC charging pile calibrator under different voltage errors

圖5 -10℃直5號(hào)直流充電樁校驗(yàn)儀不同電壓下誤差Fig.5 -10℃ No.5 DC charging pile calibrator under different voltage errors

圖6 +40℃直5號(hào)直流充電樁校驗(yàn)儀不同電壓下誤差Fig.6 +40℃ No.5 DC charging pile calibrator under different voltage errors

小結(jié)：交流充電樁校驗(yàn)儀測(cè)試出現(xiàn)的普遍現(xiàn)象是，小電流(0.1 A)以下誤差變大；大部分40℃開(kāi)始出現(xiàn)花屏，不能正常測(cè)量，重啟后無(wú)法正常運(yùn)行；-20℃，校驗(yàn)儀自動(dòng)重啟，整個(gè)過(guò)程無(wú)法檢測(cè)。

個(gè)別校驗(yàn)儀：0.5 A及以下直接輸出校驗(yàn)儀無(wú)顯示，0.6 A以上開(kāi)始顯示，在測(cè)量過(guò)程中若不降源，電流變小,可以在0.1 A時(shí)顯示并計(jì)量。

小結(jié)：直流充電樁校驗(yàn)儀測(cè)試出現(xiàn)的普遍現(xiàn)象是，5 A以下誤差急劇增大；大部分40 ℃開(kāi)始出現(xiàn)花屏，不能正常測(cè)量，重啟后無(wú)法正常運(yùn)行；-20 ℃以下同樣校驗(yàn)儀自動(dòng)重啟，整個(gè)過(guò)程無(wú)法檢測(cè)。

2 溯源研究

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果和對(duì)產(chǎn)品相關(guān)技術(shù)研究，結(jié)合大量檢測(cè)數(shù)據(jù)，作者對(duì)于校驗(yàn)儀溯源做了詳實(shí)的研究。

2.1 溯源依據(jù)

電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁校驗(yàn)儀的溯源研究主要依據(jù)計(jì)量檢定規(guī)程JJG1148-2018 《電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁》的要求，兼顧標(biāo)準(zhǔn)NB/T 33002-2018《電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁技術(shù)條件》、標(biāo)準(zhǔn)NB/T 33008.1-2018 《電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)備檢驗(yàn)試驗(yàn)規(guī)范 第二部分：交流充電樁》 、標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18487.1-2015《電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電系統(tǒng)第一部分：通用要求》、標(biāo)準(zhǔn)T/CIMA 0004—2018 《電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀》中對(duì)充電樁輸出參數(shù)的檢測(cè)要求、環(huán)境條件要求和檢驗(yàn)儀計(jì)量性能的要求。

電動(dòng)汽車(chē)直流充電機(jī)校驗(yàn)儀溯源研究主要依據(jù)計(jì)量檢定規(guī)程JJG1149-2018 《電動(dòng)汽車(chē)非車(chē)載充電機(jī)》的要求，兼顧計(jì)量檢定規(guī)程JJG842-2017《電子式直流電能表》、標(biāo)準(zhǔn)NB/T 33001-2018 《電動(dòng)汽車(chē)非車(chē)載傳導(dǎo)式充電機(jī)技術(shù)條件》 、標(biāo)準(zhǔn)NB/T 33008.1-2018《電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)備檢驗(yàn)試驗(yàn)規(guī)范 第一部分:非車(chē)載充電機(jī)》 、標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18487.1-2015《電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第一部分：通用要求》 、標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34657.1-2017《電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電互操作性測(cè)試規(guī)范 第1部分：供電設(shè)備》、標(biāo)準(zhǔn)GB/T 33708-2017 《靜止式直流電能表》 、標(biāo)準(zhǔn)T/CIMA 0003—2018 《電動(dòng)汽車(chē)非車(chē)載充電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)儀》等中對(duì)充電機(jī)輸出參數(shù)的檢測(cè)要求、環(huán)境條件要求和校驗(yàn)儀計(jì)量性能的要求[6-7]。

2.2 溯源項(xiàng)目

綜合考慮，在交流充電樁校驗(yàn)儀、直流充電機(jī)校驗(yàn)儀溯源上應(yīng)對(duì)表5項(xiàng)目進(jìn)行研究。

表5 電動(dòng)汽車(chē)充電樁/機(jī)校驗(yàn)儀溯源項(xiàng)目Tab.5 Electric vehicle charging pile/machine calibrator instrument traceability project

這些項(xiàng)目有很多關(guān)鍵問(wèn)題和測(cè)量方法值得研究。

2.3 溯源關(guān)鍵技術(shù)

2.3.1 電流輸出最小值[8]：

電動(dòng)汽車(chē)充電樁/機(jī)計(jì)量檢定規(guī)程JJG1148、JJG1149要求銘牌標(biāo)注最小電流，并將最小電流作為檢定點(diǎn)，這就要求校驗(yàn)儀至少能對(duì)充電樁/機(jī)的最小電流進(jìn)行溯源。

當(dāng)前現(xiàn)狀是電動(dòng)汽車(chē)充電樁/機(jī)銘牌沒(méi)有標(biāo)注最小電流，這就給溯源值的確定帶來(lái)困難[9]。

電動(dòng)汽車(chē)充電樁是慢充、電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)是快充的充電情況；電動(dòng)汽車(chē)充電樁沒(méi)有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)定義其最小電流值，但考慮到作為慢充設(shè)備，通常涓流狀態(tài)下也可以充電，即累計(jì)電能；電動(dòng)汽車(chē)充電機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)GB/T 34657.1的6.3.5.4 中有“充電輸出為5 A達(dá)到充滿條件即可停止充電”的明確說(shuō)法[10]。

以此考量，電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁校驗(yàn)儀、電動(dòng)汽車(chē)直流充電機(jī)校驗(yàn)儀的溯源最小電流可以不同[11]，交流充電樁校驗(yàn)儀參考電動(dòng)汽車(chē)充電樁內(nèi)部安裝的交流電能表要求計(jì)量檢定規(guī)程JJG596-2012中的0.05Ib值作為交流最小電流，直流充電機(jī)校驗(yàn)儀可將5 A(或1 A)作為最小電流。

2.3.2 溫度系數(shù)

電動(dòng)汽車(chē)充電樁/機(jī)計(jì)量檢定規(guī)程JJG1148、JJG1149要求，特殊環(huán)境溫度下(-20 ℃≤T<-10 ℃或+40 ℃

電動(dòng)汽車(chē)充電樁/機(jī)校驗(yàn)儀是現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，一般0.05級(jí)，如果在-20 ℃≤T<-10 ℃或+40 ℃

電動(dòng)汽車(chē)充電樁/機(jī)校驗(yàn)儀的溫度系數(shù)是否一定在周期檢定中進(jìn)行[12]，這是本文試驗(yàn)中著重研究測(cè)試的項(xiàng)目，測(cè)試結(jié)果圖1、圖2、圖6充分反應(yīng)了溫度對(duì)校驗(yàn)儀的影響非常大，直至無(wú)法工作。

進(jìn)行溫度系數(shù)檢定，對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電樁/機(jī)校驗(yàn)儀在極端溫度下的準(zhǔn)確度和可靠性都提出了要求，當(dāng)前亟需生產(chǎn)企業(yè)提高產(chǎn)品溫度系數(shù)的性能。

2.3.3 失真度[13]

電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁校驗(yàn)儀對(duì)充電樁進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，兼有檢測(cè)輸出電參數(shù)準(zhǔn)確度功能，若輸出超出規(guī)定值則停止檢定。電流、電壓、相位、頻率是常規(guī)參數(shù)，電動(dòng)汽車(chē)充電樁的諧波和失真度為較難測(cè)量的參數(shù)。

為掌握充電樁波形狀態(tài)，本文引用了國(guó)內(nèi)主流充電樁的錄波數(shù)據(jù)，見(jiàn)表6。

表6 國(guó)內(nèi)主流充電樁波形失真情況Tab.6 Domestic mainstream charging pile waveform distortion conditions

從錄波情況看，不同充電樁諧波含量差別很大，需要校驗(yàn)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，那么失真的準(zhǔn)確度就需要溯源[14]。

2.3.4 紋波

電動(dòng)汽車(chē)直流充電機(jī)校驗(yàn)儀對(duì)充電樁進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，兼有檢測(cè)輸出電參數(shù)準(zhǔn)確度功能，若輸出超出規(guī)定值則停止檢測(cè)[15]，電流、電壓是常規(guī)參數(shù)，紋波是不易測(cè)量的重要參數(shù)。

為掌握充電機(jī)波形狀態(tài)，本文引用了國(guó)內(nèi)主流充電機(jī)的錄波數(shù)據(jù)，見(jiàn)表7。

表7 國(guó)內(nèi)主流充電機(jī)紋波情況Tab.7 Domestic mainstream charger ripple conditions

從錄波情況看，紋波含量小、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其準(zhǔn)確度要求高[16]，這增加了紋波準(zhǔn)確度溯源的難度，對(duì)溯源方案的進(jìn)一步研究需要能夠疊加紋波的交流標(biāo)準(zhǔn)源進(jìn)行試驗(yàn)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車(chē)充電樁/機(jī)校驗(yàn)儀的試驗(yàn)情況分析與溯源研究，進(jìn)行了長(zhǎng)期全面測(cè)試和理論研究，較全面掌握了電動(dòng)汽車(chē)充電樁/機(jī)校驗(yàn)儀的生產(chǎn)水平和質(zhì)量狀態(tài)，在大量實(shí)際數(shù)據(jù)的支撐下，對(duì)最小電流、溫度系數(shù)、失真度、紋波等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了溯源研究，掌握了溯源關(guān)鍵參數(shù)值和檢測(cè)方法，為相關(guān)國(guó)家規(guī)程的編寫(xiě)打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。