面向充電樁實驗室應用的計量檢定系統(tǒng)設(shè)計研究

周文斌,靳 陽,劉士峰,解進軍,趙 磊

(國網(wǎng)北京市電力公司電力科學研究院,北京 100000)

0 引言

隨著社會經(jīng)濟的快速發(fā)展,化石能源的使用和消耗越來越多,導致碳排放量不斷提高。能源問題和環(huán)境污染問題日益嚴峻。世界各國開始大力發(fā)展新能源汽車產(chǎn)業(yè),并建設(shè)大量充電樁等基礎(chǔ)充電設(shè)備為新能源汽車充電。當前,充電樁計量檢定系統(tǒng)大多數(shù)使用人工檢測或半自動測試,存在充電性能不理想、計量測試效率不高的問題。

針對上述問題,文獻[1]對充電樁檢測計量參數(shù)過程中應注意的問題進行了描述,對直流和交流充電樁計量參數(shù)的檢測具體方法進行了論述,也對適用的測量范圍進行了說明和計量。這種方法通過構(gòu)建測量誤差和不確定度實現(xiàn)充電樁檢測計量參數(shù)的計算與分析,進而提高了檢測能力。但該方法沒有對充電樁計量檢定的具體方案進行說明。文獻[2]根據(jù)電動汽車充電設(shè)備的數(shù)據(jù)輸入情況實現(xiàn)了數(shù)據(jù)信息的分析與參數(shù)計算。這種方法可按照充電設(shè)備輸入電量特性,將充電設(shè)備分為電動汽車交流充電樁和直流充電樁。該方法分別對充電參數(shù)數(shù)據(jù)信息進行了說明和計算,大大提高了電動汽車充電設(shè)備的技術(shù)參數(shù)描述,對電動汽車交流充電樁現(xiàn)場檢測中出現(xiàn)的主要問題及措施進行了分析。但是該方法仍沒有具體說明實現(xiàn)計量檢定的設(shè)計方案。文獻[3]開發(fā)出充電樁自動測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)集成了交流電源供應器、電子負載、示波器等測試設(shè)備,對充電樁的能源標準和互操作性進行了測試。但該系統(tǒng)配置設(shè)備體型較大、便攜性較差、擴展性不強。文獻[4]開發(fā)了便攜式直流充電樁測試儀,其直流電壓和直流電流測量精度可達到0.05%。但該測試儀軟件系統(tǒng)耦合度高,不支持后期功能擴展,且生成報表功能單一。

因此,本文設(shè)計了面向充電樁實驗室應用的計量檢定系統(tǒng),實現(xiàn)對大功率充電樁的電壓、電流及電能等參數(shù)的高精度測量。該系統(tǒng)高度集成化和智能化,可根據(jù)用戶需求進行功能擴展,并具有良好的容錯能力。

1 計量檢定系統(tǒng)總體架構(gòu)設(shè)計

計量檢定系統(tǒng)主要的硬件結(jié)構(gòu)包含供電插座、 電動汽車充電插座、分流器、直流電能采集電路、掃頻實時校準電路、BF533主板、無分頻校驗光電頭、液晶顯示屏(liquid crystal display,LCD)、鍵盤、電源模塊、分壓電阻R1、分壓電阻R2、電源轉(zhuǎn)換芯片 REG1117F3.3 等。通過這些硬件組建成的計量檢定系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 計量檢定系統(tǒng)架構(gòu)圖

硬件結(jié)構(gòu)還包括精密交直流電流傳感器、接線式精密交流電流傳感器、直流測試單元、高精密直流電流分流器、汽車電能計量檢定裝置等。在具體研究設(shè)計中,電流傳感器作為檢測裝置,對采集到的電流數(shù)據(jù)信息進行大電流與小電流的轉(zhuǎn)換。在轉(zhuǎn)換過程中,電流傳感器能夠?qū)z測到的信息通過一定的變換規(guī)律,轉(zhuǎn)換為其他裝置工作需要的電流大小,進而滿足不同數(shù)據(jù)信息的處理、存儲與計算,以提高電流數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換能力。在直流測試單元,可以選擇模擬集成電路(intergrated circuit,IC)自動測試系統(tǒng)中的直流參數(shù)測試單元,以實現(xiàn)電路中電壓值或者電流值的輸出,進而直接測量電流或者電壓。本文通過精密恒流技術(shù)和線性溫度補償技術(shù),實現(xiàn)電流信息的處理與隔離;通過采用24 V或12 V數(shù)據(jù)信息,實現(xiàn)安全電壓供電。直流參數(shù)單元具有強過載能力、高精度、高隔離、高安全性、低功耗等特點。

2 計量檢定系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集設(shè)計

數(shù)據(jù)的采集原理為:先通過ADSP-BF533處理器處理充電樁的數(shù)據(jù)信息,再對該數(shù)據(jù)信息進行計算。為了提高數(shù)據(jù)處理能力,本文采用Blackfin系列的計算芯片對采集到的數(shù)據(jù)信息進行計算。在應用過程中,通過引入嵌入式技術(shù)實現(xiàn)所采集數(shù)據(jù)信息的采集、通信與交互,最終滿足16位嵌入式處理器工作的需要。通過在硬件設(shè)計中引入32位精簡指令集計算機(reduced instruction set computer,RISC)和雙16位乘法累加號處理模塊,大大提高了數(shù)據(jù)計算能力。本文系統(tǒng)還設(shè)置通用異步收發(fā)傳輸器(universal asynchronous receiver/transmitter,UART)接口、串行外設(shè)接口(serial peripheral interface,SPI)、串行接口等多種數(shù)據(jù)接口,以實現(xiàn)各種形式的數(shù)據(jù)傳遞。BF533芯片電路如圖2所示。

圖2 BF533芯片電路示意圖

在數(shù)據(jù)采集時,系統(tǒng)設(shè)置了Blackfin533系列的同步串口SPORT0和SPORT1模塊。由于數(shù)據(jù)應用條件的限制,為了提高輸入、輸出數(shù)據(jù)信號,還可以在系統(tǒng)中引入可編程增益放大器(programmable gain ampilifer,PGA)放大電路。其放大比例通?？梢詾樵夹盘柕? 000倍,線性度能夠滿足±0.1%的精度。模數(shù)轉(zhuǎn)換器(analog-to-digital convert,ADC)用于實現(xiàn)模擬數(shù)據(jù)信息與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換。在采用ADC時,本文選擇的型號為AD738058。該ADC具有兩個不同的數(shù)據(jù)采樣信號,提高了數(shù)據(jù)交互能力, 在經(jīng)過快速傅里葉變換(fast Fourier transform,FFT)計算后,輸出的電壓向量為:

U=Ure+jUim

(1)

式中:Ure為電壓向量實部;j為虛數(shù)符號;Uim為電壓向量虛部。

經(jīng)過FFT計算后,數(shù)據(jù)信號的掃頻頻率電流向量可以記作:

I=Ire+jIim

(2)

式中:Ire為電流向量實部;Iim為電流向量虛部。

分流器的阻抗可以記作:

(3)

通過式(3)可得:

(4)

通過BF533主板計算直流有功功率為:

(5)

式中:UV為采集電壓變換二次直流電壓;UI為電流變換后的直流電壓;KV為電壓分壓系數(shù)。

UDC=KV×UV

(6)

式中:UDC為轉(zhuǎn)換電壓。

(7)

式中:IDC為轉(zhuǎn)換電流。

本文假設(shè):數(shù)據(jù)信息的采樣率為256 kS/ms;每個周波采樣256點;每1 ms計算一次分流器的實時電阻值R。通過BF533處理器芯片上的定時器Timer1采集被檢表的脈沖數(shù),并實時計算本機電能,最終顯示有功電能基本誤差。

3 直流測試單元設(shè)計

本文的研究關(guān)鍵是在直流測試單元中設(shè)計控制模塊電路,以抑制大功率高噪聲環(huán)境下的共模干擾。本文根據(jù)各通道采集信號的帶寬,設(shè)計相應的低通濾波電路,以濾除不必要的高頻信號分量。在衰減采樣電路中,本文使用多個分壓電阻組成分壓網(wǎng)絡(luò)。直流測試單元使用了24 V直流固態(tài)繼電器,中間加入1組電氣隔離器件。常開觸點與常閉觸點切換時不會發(fā)出噪聲。繼電器將光耦的5 V輸出電壓放大到了24 V。在具體應用過程中,通過繼電器和交流接觸器線圈串聯(lián)250 V的陶瓷電容和300 Ω的電阻,進而減小線圈的感應電流。

本文研究的直流測試單元能檢測到充電樁工作誤差、充電量顯示誤差等試驗項目。直流電壓范圍的設(shè)計參數(shù)為30～1 150 V;電壓精度小于0.02%;電壓量程為300 V、750 V、1 000 V;電壓分辨力為0.1 mV;直流電流范圍為0.5～300 A、100 A、250 A;電流分辨力為0.1 mA;工作溫度范圍為-30～+55 ℃;存儲溫度范圍為-30～+70 ℃;負載能力大于20 mA;標準電能脈沖輸入為最高頻率100 kHz。

本文研究的直流測試單元在功能上由模擬采樣部分和數(shù)字處理部分組成。模擬采樣部分主要對充電樁的充電參數(shù)進行信號采樣、信號調(diào)理和數(shù)模轉(zhuǎn)換。數(shù)字處理部分設(shè)計有電氣隔離電路,以防止模擬信號與數(shù)字信號之間發(fā)生串擾[4]。直流測試單元采用基于現(xiàn)場可編程門陣列(field programmable gate array,FPGA)+ARM的數(shù)據(jù)處理方式,完成充電參數(shù)的功率運算、電能運算、數(shù)據(jù)存儲和接口封裝等功能。直流測試單元結(jié)構(gòu)如圖3所示。

在直流測試單元設(shè)計中,其內(nèi)置的ADC芯片為高精度芯片ADS8556。該芯片的分辨率為 16 位,能夠?qū)崿F(xiàn)不同數(shù)據(jù)信息、不同通路的交互。在具體應用中,直流測試單元為6路并行數(shù)據(jù)通道;采樣率為630 kS/s;輸入范圍為-10～+10 V;采集精度為小于0.02%[5]。這種形式的直流測試單元能夠滿足不同數(shù)據(jù)信息通道的同步采樣和測量。在具體計算過程中,直流測試單元還加入了FPGA模塊。通過FPGA模塊能夠?qū)崿F(xiàn)不同形式脈沖數(shù)據(jù)信息的計數(shù)、采樣、數(shù)據(jù)預處理、實時運算和記錄等各種功能[5]。在具體工作時,直流測試單元的精度達到0.02%[6-7]。直流測試單元使用阻容分壓法電路。

阻容分壓器的傳遞函數(shù)可表示為:

(8)

式中:R1、R2為高精度分壓電阻。

阻容分壓法電路如圖4所示。

圖4 阻容分壓法電路

本文采用阻容分壓法的目的主要是提高分壓精度。通過將多個不同的高精度電阻串聯(lián)起來,以各種不同的電阻構(gòu)成分壓網(wǎng)絡(luò),可以提高電路分壓精度。研究模塊的直流電壓信號分壓比為1 000 V∶10 V,檢測點電壓和輔助電壓比為12 V∶10 V[8]。為了提高信號抗干擾能力,在應用過程中還設(shè)計了控制模塊電路以提高數(shù)據(jù)信號的共模抑制比。本文在直流測試單元電路中引入了信號調(diào)理電路,以提高抗干擾能力,并通過乘法器將原始信號放大2倍[9]。減法器可將信號幅度下降10 V,使ADC的最佳輸入范圍為-10～+10 V。

直流測試單元的充電控制模塊電路如圖5所示。

圖5 充電控制模塊電路

充電控制模塊電路由5 V光耦合器、24 V繼電器組成,實現(xiàn)了直流測試單元的控制器輸入/輸出(input/output,I/O)端口控制充電樁充電的功能;并使用24 V直流固態(tài)繼電器(繼電器中間是一組電氣隔離器件),利用輸入端的低電壓控制輸出端的高電壓開關(guān)[10]。

直流測試單元通過主控制器實現(xiàn)光耦二極管的陰極控制。光耦合器輸出端通過24 V直流繼電器實現(xiàn)數(shù)據(jù)信號的控制。工作過程中,當PA0端口為低電平數(shù)據(jù)信息時,K1閉合[11-12]。直流測試單元的主控制器在工作過程中,能夠采用RS-485總線電路實現(xiàn)計量模塊的數(shù)據(jù)通信。計量模塊的控制器接口電路如圖6所示。

圖6 控制器接口電路

光耦合電路控制器UART2的TXD口和RXD口為數(shù)據(jù)通信接口。數(shù)據(jù)通信接口進行電氣隔離后連接RO端和DI端,使用上拉電阻將PA3口鉗制為高電平。

4 應用測試

為驗證本文研究的計量檢定系統(tǒng)性能,本文分別使用文獻[3]系統(tǒng)、文獻[4]系統(tǒng)和本文系統(tǒng)進行試驗,對比三種系統(tǒng)的計量檢定精度和示值誤差。測試使用三相功率校準源、待測直流充電樁和大功率模組化負載等設(shè)備搭建試驗環(huán)境,以完成高精度計量檢測和系統(tǒng)功能指標檢測。測試儀器設(shè)備的參數(shù)中:三相功率校準源的數(shù)量為1個,型號為FLUKE6003A;直流電壓為1～280 V;直流電流為0～30 A;功率為0～18 kW。直流充電樁型號為NRZS9302,電壓為0～750 V、電流為0～40 A。大功率模組化負載型號為WS-66066M,額定功率為60 KW。本文測試綜合設(shè)備的量程范圍,累計選取5個測試點,分別為1#(150 V,5 A)、2#(150 V,15 A)、3#(150 V,25 A)、4#(200 V,15 A)和5#(250 V,25 A)。每個測試點的測量數(shù)據(jù)點均為1 000。每個測試點均接入待測計量檢定系統(tǒng)的電能脈沖輸出信號。試驗通過配置電能誤差測試的參考功率,以驗證電能誤差。測量點電壓輸出結(jié)果如表1所示。

三種系統(tǒng)對測量點進行測量的測量點電壓值如表2所示。

表2 測量點電壓值

本文根據(jù)采集到的測點電壓值,計算電能誤差。本文系統(tǒng)的平均電能誤差為0.01%。文獻[3]系統(tǒng)的平均電能誤差為0.36%。文獻[4]系統(tǒng)的平均電能誤差為0.85%。本文系統(tǒng)滿足0.1級的精度指標要求,檢測到的充電樁電流、電壓、功率等參數(shù)更加準確,精度更高。檢測結(jié)果為:測點3的輸出功率為3.75 kW;測點5的電壓高達250.02 V;此時的輸出功率達到6.25 kW。文獻[3]系統(tǒng)檢測到測點2的電壓值為149.48 V、電流值為24.56 A。當電壓上升到200 V時,檢測到的輸出功率達到4.82 kW。文獻[4]系統(tǒng)平均電能誤差高達0.50%以上,檢測到測點1的電壓值為152.36 V;測點3的電壓值為151.78 V。上述結(jié)果與實際輸出值相差較大。

試驗綜合設(shè)備的每個測量點的測量數(shù)據(jù)均為1 000。示值誤差測試需要最大負載運行。測試結(jié)束后,需要手動從充電樁界面讀取顯示的充電電能。測量點電能輸出結(jié)果如表3所示。

表3 測量點電能輸出結(jié)果

示值測試結(jié)果如表4所示。

表4 示值測試結(jié)果

示值測試時,請求電壓為750 V,請求電流為40 A。本文系統(tǒng)檢測到的累計標準能量為5.017 kWh、充電樁顯示電能為5 kWh、示值誤差為0.34%。上述結(jié)果滿足充電樁精度等級要求。本文系統(tǒng)檢測到的電能值變化穩(wěn)定,示值誤差最小。文獻[3]系統(tǒng)檢測到1～2 s時間段內(nèi)的電能值高于實際值,隨后快速下降。電能值波動幅度較大,示值誤差大于2%。文獻[4]系統(tǒng)前3 s的電能值始終高于5 kWh,在3.5 s時與實際電能值接近,示值誤差較大。

5 結(jié)論

針對提高電能計量值的問題,本文設(shè)計了1套計量檢定系統(tǒng),以提取充電樁的工作誤差、示值誤差等數(shù)據(jù)信息。該系統(tǒng)實現(xiàn)了電能計量檢定誤差計算,大大提高了計量檢定效率。本文還設(shè)計了直流測試單元,將連接線一端連接到充電樁的充電線插座,另一端連接到電動汽車的充電插座,并將連接線內(nèi)部所有的連接信號直通,進而保證充電樁和電動汽車在工作過程中檢定工作的順利進行。試驗結(jié)果表明,該系統(tǒng)檢定效率、精度高,為后續(xù)研究奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。