电动汽车交直流充电桩检测装置探索与设计

刘浩宇，何泽昊，吕伟嘉，孙 虹，张兆杰

(1.国网天津市电力公司电力科学研究院，天津 300010；2.国网天津市电力公司，天津 300010)

0 引 言

降低交通领域温室气体排放是解决全球气候变化的重要手段，是建设可持续发展电动汽车行业的前提条件。世界主要国家政府、组织都制定了严格的汽车尾气排放标准，旨在减少交通领域对全球气候和环境造成的影响。我国的汽车产业也正在积极推动交通能源的转型，把发展电动汽车提升到国家战略的高度。因此，充电桩的计量准确性关系民生，显得愈发重要。近年来电动汽车充电基础设施建设的国家技术规范、产品标准、检定规程等正在逐步制定和完善。2011年12月《电动汽车充电桩(机)》广东省地方规程发布。2012年11月《电动汽车交流充电桩电能计量》国家标准正式实施。2012年12月《电动汽车交流充电桩》浙江省地方规程发布。

1 交直流充电检测时电流、电压、脉冲等信号采样线路连接设计

交流充电桩由桩体、电气模块、计量模块等部分组成，其电气系统设计如图1所示。交流充电桩电气系统主回路由输入保护断路器、RS485接口智能电能表、交流控制接触器和充电接口连接器四部分组成；交流充电桩电气系统二次回路由控制继电器、急停按钮、运行状态指示灯、充电桩智能控制器和人机交互设备(显示、输入与刷卡)五部分组成。交流充电桩电气系统主回路各元件具备过载、短路和漏电保护功能、控制电源的通断功能、提供与电动汽车连接的接口、锁紧装置和防误操作功能。交流充电桩电气系统二次回路各元件提供“启动停止”控制与“急停”操作、“待机”、“充电”与“充满”等状态指示、交流充电计量、刷卡、充电方式设置与启停控制操作。

图1 交流充电桩电气系统设计图

交流充电桩具有给电动汽车的充电机提供电力输入的功能。但是大部分的车载充电机的功率较小，使得交流充电桩不能很好的实现快速充电。所以笔者经过研究，采用了直流充电桩的方式来实现快充。将直流充电桩固定安装在电动汽车外、并且与交流电网连接。笔者将直流充电桩的输入电压设计为三相四线AC380 V±15%，频率50 Hz,输出设计为可调直流电。通过采用直流充电桩三相四线制的供电方式，能够提供足够的功率，输出的电压和电流也增大了调整范围，从而满足了快充的要求。

根据交流充电桩和直流充电桩工作原理，充电桩的电能计量，是由电动汽车充电时电压、电流和时间的积分，累计到交直流计量模块(仪表)上，通过充电桩的显示屏显示。因此，在设计充电桩检测装置时，首先需要采集充电桩输出的电压、电流信号。在充电桩检测装置的连接线路设计中采用电压并联、电流串联的方法。通过前期对浙江、广东等城市充电桩运行情况的考察，交流充电电压为220 V，电流为10 A；直流充电电压一般不超过600 V，电流不超过400 A。在设备设计时应同时考虑交流充电和直流充电的接口，并且与充电桩电缆相匹配。交直流充电桩的脉冲信号与充电桩检测设备的脉冲端相联，通过标准与实际脉冲比较的方式得到充电电能误差。

2 交直流采样转换线路设计

转换线路的设计是为了提高设备的检测准确度与更广的设备同用性而设计的。交流充电桩和直流充电桩两者的核心计量元件都是电能表，而检测交流电能表的标准表生产技术已经非常成熟，而且准确度等级可达到0.05级。虽然直流电能计量的国家标准尚未出台，但许多电能表检测设备生产企业都已经开始进行这方面的研制，根据一些生产企业的最新研制成果，检测直流电能表的标准表准确度等级也有望达到0.05级。如何让这些设备实现对交直流充电桩的检测，需要设计转换线路来满足检测要求。

连接与转换线路设计的示意图如图2所示。

图2 交直流采样转换线路

检测设备两端设有可插拔的充电插座，检测时可根据需要插入合适的充电插座，用于对交流或直流充电桩的检测。两边的充电插座与对应的充电电缆相连。一端电缆接口与充电桩相连，另一端电缆接口与负载(电动汽车)相连。检测设备两端的校表脉冲插座，一端连充电桩的脉冲信号端，另一端与标准器的脉冲端子相连。电压与电流接口用来外接标准器的电压和电流输入端。考虑到现场有可能外接电能表现场校验仪，我们在这个连接器上设计了电流钳采样的接口。通过改变A1、A2、A3接线柱上的连接片位置，来实现检测模式的转换。

3 交直流误差处理器的设计

交直流充电桩检测设备的研制，主要依据充电桩检定规程的中所采用的检测方法。用标准表加实负载的方法检定电能示值误差和付费金额误差。

(1)电能示值误差的检定

检定交流充电桩时，将标准器通过检测装置与被检交流充电桩连接，读取标准器上显示的电能示值误差。在每一检定点下，至少做两次测量，取其平均值作为测量结果。如测得的相对误差等于该交流充电桩示值误差极限的80%～120%，应再做两次测量，取这两次和前几次测量的平均值作为测量结果。

(2)付费金额误差的检定

以标准器充电电能乘以单位电价得到的应付金额与充电桩显示的付费金额相比较，以确定付费金额误差。付费金额误差以相对误差表示。付费金额误差试验电流实验室检定时选Un、In、功率因数1.0作为检定点，现场检定按现场实际电压、电流、功率因数选取检定点。

应付金额计算公式：

A=kW

式中，A为应付金额(元)；W为实测充电电能(kW·h)；k为单位电价(元/kW·h)。付费金额误差的计算公式：

E=[(Y-A)/A]×100%

式中，Y为交流充电桩显示的付费金额(元);E为付费金额误差；A为应付金额(元)。

(3)电能示值误差的检定

误差处理器有两路脉冲输入：一路标准脉冲(即标准表脉冲)、一路被检表脉冲(电能表)。误差处理器内部有个单片机，输入的两路脉冲由单片机接收到，然后进行计算处理。误差处理器在设备上与信号源(控制主板)通讯连接，控制误差处理器的计算误差的时间(即采多少个脉冲计算一次误差)。计算理论脉冲数的方式：标准表档位脉冲常数÷被检表脉冲常数×圈数=理论脉冲个数。

误差处理器的设计主要使检测结果可以直接在检测装置中读取，通过自动计算、比较得出检测结果，提高检测效率、减少读数误差。误差处理器的原理如图3所示。

图3 误差处理器原理图

4 结束语

笔者在深入研究电动汽车充电桩检测的国家标准、检定规程后，切入实际设计了一款综合型的电动汽车充电桩检测装置，旨在服务民生，规范电动汽车充电服务行业，使贸易结算的充电设备检测更准确，使用户在充电桩安装后的调试验收更加便捷，具有良好的经济效益与社会效益。