直流充電機(jī)智能測(cè)量模塊的技術(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)評(píng)估

王玉元 俸志富 廖杰 / .云南省計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院；.昆明理工大學(xué)信息與自動(dòng)化學(xué)院

0 引言

隨著電動(dòng)汽車快速充電的普及，通過大功率非車載充電方式交換的直流電量成倍增長(zhǎng)。在電動(dòng)汽車快速充電服務(wù)過程中，直流電能的準(zhǔn)確計(jì)量關(guān)系到電量的公平結(jié)算，且近幾年國(guó)內(nèi)外十分重視直流電能計(jì)量技術(shù)、檢校方法的研究應(yīng)用。隨著新技術(shù)的發(fā)展，對(duì)直流充電機(jī)（以下簡(jiǎn)稱充電機(jī)）的電能計(jì)量準(zhǔn)確度、安全高效運(yùn)行、充電系統(tǒng)的集中智能管理等方面提出了更高要求[1-2]。

針對(duì)充電機(jī)提升直流電能測(cè)量準(zhǔn)確度、運(yùn)行效率監(jiān)測(cè)、實(shí)現(xiàn)智能測(cè)量方面的潛在需求，文中融合應(yīng)用數(shù)字測(cè)量、數(shù)字隔離、信息通信、物聯(lián)網(wǎng)、隔離供電等技術(shù)，研究設(shè)計(jì)了一種充電機(jī)運(yùn)行參數(shù)智能測(cè)量模塊，用于充電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的實(shí)時(shí)智能測(cè)量，以進(jìn)一步提升其電能測(cè)量的準(zhǔn)確度，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行效率的實(shí)時(shí)測(cè)量，助力電動(dòng)汽車行業(yè)發(fā)展。

1 模塊的基本功能和技術(shù)指標(biāo)

1.1 模塊的基本功能

所研制的智能測(cè)量模塊，可實(shí)時(shí)測(cè)量充電機(jī)輸入側(cè)的交流電流、電壓、有功功率、有功電能、無功功率、視在功率、功率因數(shù)；可實(shí)時(shí)測(cè)量充電機(jī)輸出側(cè)的直流電壓、電流、輸出直流功率、輸出直流電能；應(yīng)用測(cè)得的輸入交流功率（電能）、輸出直流功率（電能）值，計(jì)算得到充電機(jī)運(yùn)行時(shí)的瞬時(shí)效率、選定時(shí)段內(nèi)的平均效率。

智能測(cè)量模塊可隔離輸出交流有功電能高、低頻脈沖和直流電能高、低頻脈沖，便于對(duì)模塊進(jìn)行周期檢校。專設(shè)隔離型CAN通信接口、Wi-Fi無線通信接口，便于實(shí)現(xiàn)與顯示模塊、充電機(jī)控制模塊間安全可靠的實(shí)時(shí)通信。

1.2 模塊的技術(shù)指標(biāo)

GB/T 29318-2012《電動(dòng)汽車非車載充電機(jī)電能計(jì)量》[3]和NB/T 33001-2018《電動(dòng)汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)技術(shù)條件》[4]，規(guī)定了非車載充電機(jī)的計(jì)量性能、安全指標(biāo)等技術(shù)要求。參照以上標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)智能測(cè)量模塊進(jìn)行優(yōu)化創(chuàng)新設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)與目前標(biāo)準(zhǔn)要求如表1所示。從表1可看出，模塊電能計(jì)量的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于GB/T 29318-2012標(biāo)準(zhǔn)要求，滿足NB/T 33001-2018標(biāo)準(zhǔn)要求，符合JJG 1149-2018非車載充電機(jī)檢定規(guī)程[5]的要求。

表1 智能測(cè)量模塊的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)

2 模塊的總體架構(gòu)和設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 模塊的總體架構(gòu)

以60 kW非車載充電機(jī)智能測(cè)量模塊的技術(shù)設(shè)計(jì)為例，總體架構(gòu)如圖1所示，其中智能測(cè)量模塊由虛框內(nèi)各部分組成。

圖1 智能測(cè)量模塊的總體架構(gòu)

交流側(cè)輸入電源信號(hào)，通過隔離分壓電路、精密CT、I/V變換電路調(diào)理后，接入AC測(cè)量單元進(jìn)行測(cè)量處理；AC測(cè)量單元通過數(shù)字隔離SPI接口，與MCU單元交換控制指令、數(shù)據(jù)結(jié)果，并通過光電隔離接口輸出電能脈沖。直流側(cè)輸出，通過分壓電路、直流分流器、跟隨式放大器、溫度補(bǔ)償電路進(jìn)行調(diào)理/補(bǔ)償后，接入DC測(cè)量單元進(jìn)行測(cè)量處理；DC測(cè)量單元通過數(shù)字隔離SPI接口與MCU單元交換控制指令、數(shù)據(jù)結(jié)果，MCU單元實(shí)時(shí)計(jì)算直流電能值，并通過光電隔離接口輸出直流電能對(duì)應(yīng)脈沖。智能網(wǎng)聯(lián)測(cè)控部分由MCU處理單元、CAN隔離通信接口、Wi-Fi通信接口等構(gòu)成。3.3 V主電源直接給MCU單元供電，同時(shí)通過隔離電路為AC測(cè)量單元、DC測(cè)量單元供電。

2.2 模塊的技術(shù)設(shè)計(jì)要點(diǎn)[6]

智能測(cè)量模塊設(shè)計(jì)為1+N積木式結(jié)構(gòu)，便于按需求靈活配置、選擇、應(yīng)用。交流側(cè)模擬輸入電路、AC測(cè)量單元、數(shù)字隔離及供電接口設(shè)計(jì)為子模塊1；直流側(cè)模擬輸入電路、DC測(cè)量單元、數(shù)字隔離接口、MCU處理單元、通信接口等設(shè)計(jì)為子模塊2。子模塊1、子模塊2可單獨(dú)應(yīng)用或組合應(yīng)用。組合應(yīng)用時(shí)，子模塊1與子模塊2間通過屏蔽電纜連接，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)交互傳輸。

采用隔離技術(shù)設(shè)計(jì)，確保智能測(cè)量模塊安全、可靠運(yùn)行。智能測(cè)量模塊應(yīng)用電流型電壓互感器、精密電流互感器、數(shù)字隔離芯片、隔離供電芯片、CAN隔離接口芯片、光電隔離芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證交流測(cè)量單元、直流測(cè)量單元、MCU處理器單元之間電氣隔離，實(shí)現(xiàn)隔離供電、隔離數(shù)據(jù)傳輸和信息交換、脈沖隔離輸出。同時(shí)，直流測(cè)量單元采用大功率直流分流器、數(shù)字溫度補(bǔ)償技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證直流電流、直流電能的準(zhǔn)確測(cè)量[7]。

模塊輸出及接口部分的具體設(shè)計(jì)：子模塊1隔離輸出交流電能脈沖，子模塊2隔離輸出直流電能脈沖，便于對(duì)交、直流電能量值進(jìn)行周期檢校；子模塊2專設(shè)CAN隔離通信接口、Wi-Fi無線通信接口，完成與外部顯示單元、充電機(jī)控制單元間的數(shù)據(jù)傳輸和信息交換。

3 關(guān)鍵技術(shù)[8]

3.1 交流測(cè)量單元

交流測(cè)量單元電路設(shè)計(jì)如圖2所示。其中采用三相交流參數(shù)測(cè)量芯片ADE7858A、數(shù)字隔離芯片ISOW7841等器件；圖1中MCU單元通過SPI接口控制ADE7858A運(yùn)行，獲取ADE7858A測(cè)量結(jié)果。ADE7858A測(cè)量單/三相交流電流、電壓、功率、電能的準(zhǔn)確度達(dá)0.1級(jí)，可輸出電能對(duì)應(yīng)高、低頻脈沖（CF1、CF2），便于對(duì)模塊進(jìn)行校準(zhǔn)。

充電機(jī)交流側(cè)前端模擬輸入為3×220 V、3×100 A，而ADE7858A模擬輸入為±500 mV，因此，前端模擬輸入接入ADE7858A前需進(jìn)行調(diào)理。以A相為例，采用0.2級(jí)2 mA/2 mA電流型電壓互感器實(shí)現(xiàn)電壓隔離采樣，經(jīng)跟隨放大器阻抗變換，設(shè)計(jì)前端輸入為 220 V 時(shí)，經(jīng)調(diào)理后輸出Vsa= 400 mV，滿足ADE7858A輸入要求；采用0.2級(jí)100 A/20 mA精密CT實(shí)現(xiàn)電流隔離采樣，設(shè)計(jì)前端輸入為100 A時(shí)， 經(jīng) I/V 變 換 調(diào) 理 后 輸 出Via= 400 mV， 滿 足ADE7858A輸入要求。

ISOW7841數(shù)字隔離芯片設(shè)有4路數(shù)字信號(hào)隔離通道，內(nèi)置3.3～5 V隔離電源。在圖2中，設(shè)計(jì)ISOW7841隔離電源輸出Viso為3.3 V，最大輸出電流可達(dá)200 mA，滿足ADE7858A隔離供電的要求。采用6N137光電隔離器隔離輸出高、低頻脈沖；Vcc為3.3 V主供電電源，其余器件設(shè)計(jì)值如圖2中所示。

圖2 交流測(cè)量單元電路

ADE7858A內(nèi)設(shè)多路24bit模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP），融合采樣、數(shù)字濾波、數(shù)字校準(zhǔn)、抗混疊等技術(shù)，通過可編程同步數(shù)字處理實(shí)現(xiàn)三相交流參數(shù)測(cè)量，在1 000 : 1輸入動(dòng)態(tài)范圍測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于±0.1%。

3.2 直流V/F轉(zhuǎn)換單元

直流V/F轉(zhuǎn)換單元電路如圖3所示。充電機(jī)直流側(cè)輸出量程為 750 V、80 A， AD7740V/F 變換器模擬輸入最大為2.5 V。因此，直流側(cè)輸出信號(hào)在接入兩路V/F變換前需進(jìn)行信號(hào)調(diào)理：輸出直流電壓Vd經(jīng)0.1級(jí)精密電阻分壓后，接入跟隨放大器進(jìn)行阻抗變換，輸出Vd1為0～2.0 V，接入AD7740進(jìn)行V/F變換；輸出直流電流Id由0.2級(jí)80 A/75 mV大功率精密分流器采樣，經(jīng)跟隨放大器變換后輸出Vd2為0～2.0 V，接入AD7740進(jìn)行V/F變換。同時(shí)，采用數(shù)字溫度傳感芯片TMP116對(duì)分流器進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以保證在-10～+50 ℃環(huán)境溫度范圍內(nèi)電流測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于±0.5 %。

圖3 直流V/F轉(zhuǎn)換單元電路

圖 3中，兩片 AD7740對(duì)Vd1、Vd2分別進(jìn)行V/F變換，變換后輸出Fout1、Fout2頻率信號(hào)，經(jīng)ISOW7842芯片隔離后輸出F1、F2信號(hào)，接入MCU進(jìn)行計(jì)數(shù)、運(yùn)算、處理，得到直流電壓Vd、直流電流Id、直流功率Pd、直流電能Ed；AD7740變換精度優(yōu)于± 0.02%，所需32 kHz工作時(shí)鐘由MCU隔離后提供。設(shè)計(jì)ISOW7842隔離供電部分輸出Viso為3.3 V，滿足AD7740隔離供電要求。

3.3 MCU處理單元及I/O通信電路

MCU處理單元及I/O通信電路設(shè)計(jì)如圖4所示。以STM8AF微處理器為核心，選用ISO1042隔離型CAN接口芯片、TMP116數(shù)字溫度傳感芯片、ESP32-S2-Wi-Fi通信模組、6N137光電隔離芯片等配合進(jìn)行設(shè)計(jì)。TMP116數(shù)字式溫度傳感芯片用于檢測(cè)直流分流器溫度，MCU通過I2C接口配置TMP116測(cè)量參數(shù)、工作模式，讀取直流分流器溫度值，通過運(yùn)算完成溫度補(bǔ)償，提高直流電流測(cè)量準(zhǔn)確度；設(shè)計(jì)使用微處理器PC1、PC2輸入端，對(duì)圖3中F1、F2頻率信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過運(yùn)算得到直流電壓、直流電流測(cè)量值，進(jìn)一步計(jì)算獲得直流功率、直流電能值。通過PD2、PD3同步輸出直流電能對(duì)應(yīng)高、低頻脈沖Fdh、Fdl，F(xiàn)dh、Fdl由6N137光電隔離器實(shí)現(xiàn)隔離輸出；各直流電參數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確度優(yōu)于0.5級(jí)。

圖4 MCU處理單元及I/O單元電路

圖4中，采用ISO1042芯片設(shè)計(jì)CAN隔離總線接口，STM8AF微處理器接收AC測(cè)量結(jié)果并計(jì)算，通過CAN總線完成與充電機(jī)顯示、控制模塊間交直流測(cè)量結(jié)果的傳輸交換。Wi-Fi通信單元采用樂鑫科技的ESP32-S2模組，STM8AF微處理器實(shí)時(shí)獲取交直流測(cè)量結(jié)果，通過SPI接口發(fā)送至Wi-Fi通信單元，Wi-Fi通信單元將測(cè)量結(jié)果發(fā)送到App應(yīng)用端或本地平臺(tái)，再遠(yuǎn)程傳送至云平臺(tái)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)、記錄、查看、分析，實(shí)現(xiàn)充電機(jī)運(yùn)行參數(shù)的智能測(cè)量。

4 實(shí)驗(yàn)評(píng)估

4.1 電能測(cè)量結(jié)果

4.1.1 交流電能測(cè)量

交流電能測(cè)量結(jié)果如表2所示。應(yīng)用所設(shè)計(jì)模塊，對(duì)一臺(tái) 60 kW充電機(jī)（輸出量程80 A，750 V）進(jìn)行測(cè)試，用0.05級(jí)三相交流功率電能標(biāo)準(zhǔn)作對(duì)比，充電機(jī)輸入側(cè)模塊測(cè)量單、三相交流電能最大誤差為+ 0.269%，滿足模塊±0.5%的預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)，優(yōu)于GB/T 29318-2012中±1.0%的要求。

表2 交流電能測(cè)量結(jié)果

測(cè)量條件：三相交流3×220 V，3×（10～100）A，

4.1.2 直流電能測(cè)量

應(yīng)用所設(shè)計(jì)模塊，對(duì)充電機(jī)輸出側(cè)直流電能進(jìn)行測(cè)量，與0.05級(jí)非車載充電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀測(cè)量值進(jìn)行比較，測(cè)量結(jié)果如表3所示。表明模塊測(cè)量直流電能最大誤差為+0.343%，滿足模塊±0.5%的預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表3 直流電能測(cè)量結(jié)果

測(cè)量條件：直流電流5～80 A，200～750 V

4.2 效率測(cè)試驗(yàn)證

應(yīng)用所設(shè)計(jì)模塊，同步測(cè)量充電機(jī)輸入側(cè)交流總功率、輸出側(cè)直流功率，按式（1）計(jì)算得到充電機(jī)瞬時(shí)運(yùn)行效率。

式中：η—— 充電機(jī)瞬時(shí)運(yùn)行效率；

Pz——充電機(jī)輸入側(cè)交流總功率；

Pd—— 充電機(jī)輸出側(cè)直流功率

測(cè)量設(shè)定時(shí)間t內(nèi)充電機(jī)輸入側(cè)的交流電能、輸出側(cè)的直流電能，按式（2）計(jì)算得到充電機(jī)在設(shè)定時(shí)間t內(nèi)的平均運(yùn)行效率。

式中：—— 時(shí)間t內(nèi)充電機(jī)的平均運(yùn)行效率；

Ez—— 時(shí)間t內(nèi)充電機(jī)輸入側(cè)的交流電能；

Ed—— 時(shí)間t內(nèi)充電機(jī)輸出側(cè)的直流電能

采用0.05級(jí)三相交流功率電能標(biāo)準(zhǔn)、0.05級(jí)非車載充電機(jī)現(xiàn)場(chǎng)校驗(yàn)儀，一臺(tái)60 kW充電機(jī)（輸出量程80 A，750 V），測(cè)量評(píng)估所設(shè)計(jì)模塊測(cè)量充電機(jī)平均運(yùn)行效率的準(zhǔn)確度。設(shè)置充電機(jī)輸出直流電壓為600 V，輸出直流電流測(cè)量點(diǎn)為表4中所列，測(cè)量時(shí)間為30 s。用模塊所測(cè)量充電機(jī)平均運(yùn)行效率值 ，與0.05級(jí)交、直流電能標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量對(duì)應(yīng)平均運(yùn)行效率標(biāo)準(zhǔn)值ηs進(jìn)行比較，得到測(cè)量驗(yàn)證結(jié)果如表4所示，與ηs的最大差值為+ 0.16%，符合模塊預(yù)期設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表4 平均運(yùn)行效率測(cè)量驗(yàn)證結(jié)果

測(cè)量條件：充電機(jī)輸出直流電流5～80 A，直流電壓 600 V

5 結(jié)語

研究設(shè)計(jì)的直流充電機(jī)智能測(cè)量模塊，采用隔離測(cè)量、隔離供電、隔離傳輸、無線通信等關(guān)鍵技術(shù)，確保各單元間的電氣隔離。給出了智能測(cè)量模塊關(guān)鍵單元技術(shù)，對(duì)模塊進(jìn)行了測(cè)量評(píng)估。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，表明模塊現(xiàn)場(chǎng)抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量結(jié)果穩(wěn)定可靠?？蓽y(cè)量直流充電機(jī)輸入、輸出側(cè)關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)，對(duì)交、直流電能測(cè)量的準(zhǔn)確度優(yōu)于0.5級(jí)，測(cè)量充電機(jī)運(yùn)行效率的準(zhǔn)確度優(yōu)于1.0級(jí)，有利于保證充電電量公平貿(mào)易結(jié)算、促進(jìn)充電設(shè)施高效運(yùn)行，便于實(shí)施聯(lián)網(wǎng)集中管控，具有一定應(yīng)用價(jià)值。