电动汽车充电桩电能计量中的问题分析 Analysis on Problems in Electric Energy Measurement of Electric Vehicle Charging Pile

张相杰 ZHANG Xiang-jie 吕岩 LV Yan 王洪岩 WANG Hong-yan

摘要： 电动汽车在当前的汽车市场有着极好的前景，因为这种交通工具能够满足人们低碳出行的需求，有助于实现构建资源节约型、环境友好型社会。本文主要围绕电动汽车所用的充电桩在电能计量方面的问题展开分析，确定电能计量表可以满足充电桩所对应的计量要求，保障电能计量的精准性，保障充电桩在电动汽车充电活动中的可用性。

Abstract： Electric vehicles have excellent prospects in the current automobile market， because this transportation can meet people's low-carbon travel needs and help to realize the construction of a resource-saving and environment-friendly society. This paper mainly focuses on the power measurement of charging piles used in electric vehicles， to determine that the electric energy meter can meet the corresponding measurement requirements of charging pile， ensure the precision of power measurement， and ensure the availability of charging pile in the charging activity of electric vehicles.

關键词： 电动汽车;充电桩;电能计量;问题

Key words： electric vehicles;charging pile;electric energy measurement;problem

中图分类号：U469.72              文献标识码：A                   文章编号：1674-957X（2021）22-0184-02

0  引言

当前国家提倡低碳经济发展理念，各行各业都在积极利用绿色能源，控制污染物的排放量，汽车制造领域也加大了对新能源汽车的关注度，新能源汽车数量持续增加，与之相关的充电设施建设工作也得到落实，充分满足现代人低碳出行的新需求。现针对电动汽车使用的充电桩在电能计量方面的问题展开研究。

1  电动车充电桩概述

充电桩作为电动汽车配套设施在各地的普及率不断得到提升。充电桩的使用功能接近加油站中设置的加油机，可以结合具体需求将其固定到墙壁或者地面上，一般被安装到充电站、停车场或者公共建筑附近，利用充电桩可给多种型号且电压等级不同的电动汽车充入其运行所需的电能。交流电网与充电桩设备的输入端相连，输入端设置的充电插头可在汽车充电过程中发挥作用。充电桩常用的充电方式包括快速充电与常规充电，汽车的使用者可通过充电卡实现刷卡，进而使用充电桩，通过人机操作页面可设置充电时间、选择充电方式并打印相应的费用数据，显示屏可全面地呈现出充电时间、费用以及电量等信息。为了保障电能交易以公正公平的方式进行，需要给充电桩使用有效的计量器具，以此准确地计量充电桩的电能使用量，当前可用的电能表分为直流与交流两种类型，直流充电机的功率很大，约为100kW，充电时间相对比较短，体积偏大;交流充电桩的功率仅为10kW，比直流充电桩要小，需要的充电时间也更长，但是体积小，不会过多地占用空间。

2  电动车充电桩中的主要电能计量问题

2.1 建设采集负荷波形所需的环境

为了确定充电桩在电能计量方面存在的具体问题，需要先形成符合负荷波形采集要求的采集条件，需应用波形记录仪，这一设备的频率参数为500kHz，能够同时完成电流信号与电压的双重采集任务，可实现相位同步的使用功能，对电流与电压各次谐波的相位与幅值进行测量，能够满足多种测量需求。在现场使用波形记录仪时，利用外接入型电压探头获取与采集电压数据，获取电流数据时需要使用钳式电流互感器，可选择使用四相三线的接线方式，来连接各个电能计量点。波形记录仪完成电流、电压数据的采集后，将数据转化为MEM格式进行保存，利用设备软件即可读取数据，再进行格式转换可将数据转为TXT格式或者CSV格式，依靠Mataab软件进一步分析数据。CSV格式的数据读取速度比较慢，能够有效显示的数据范围受限，在105万点左右，在处理数据时必须对Matlab进行导入，难以进行编辑且文件容量过大;TXT格式的数据读取速度同样也比较慢，数据处理效率低，一些处理行为难以实现;而Matlab数据格式相比另外两种格式，读取速度更快，能够显示的数据量也比较大，容易被便捷，处理数据的效率高。

2.2 分析负荷波形，确定电能计量问题

选择直流充电桩，在停机、充电、启动以及待机的全过程展开研究工作，针对工频交流的输入侧的电流与电压实时形成的波形曲线进行采集，同时采集直流输出侧的电流与电压的实时波形曲线，再通过专门的软件分析测量数据。对不同时段的电流与电压幅值进行采集后，即可总结电流与电压在充电桩的不同充电阶段出现的实际波动情况，计算32周波与单周波的具体电流幅值与电压幅值，以此掌握多个时段中电流与电压的具体状态，了解谐波含量情况。结合谐波含量即可确定电能表所处的工作环境能否实现静态计量方面的需求。

2.2.1 分析交流输入侧

在分析负荷波形的同时，对电参量的暂态以及长时全局细节所具有的特征进行捕捉，选定32周波与单周波两种不同形式，在充电状态下分析电流幅值与电压幅值的时变特性。分析后发现此状态下电压与电流信号都很稳定，当设备处于待机状态时，产生的电流大约为7A，相对比较小，转换为充电状态时，电流持续增加，在启动过程中并未产生冲击现象，完全进入充电状态后，维持平稳运行;停止充电行为后，在1到2s的时间内，电流从（97±1）A，降低到7A，仍旧维持平稳状态。针对每个周波的电流与电压展开分析，选择32周波进行平均，电压总谐波含量是0，最高达到33%，具体出现在停止与启动时刻的电流变化点，当处于平稳状态时，总谐波含量在2%到4%。

2.2.2 分析直流输入侧

交流输入侧与直流输出侧的电流、电压的波形曲线存在一定的相似性，启动过程中，电流与电压相对稳定，其波形波纹并不大，在3%与0.5之内。充电桩的负荷特性有以下几种表现：当处于充电状态时，负荷电流形成最大值，在100A左右;停止与启动充电桩时，交流输入侧的谐波电流相对比较高，转为充电状态时，电流谐波含量降低到3%左右，相对比较小，整个过程基本没有产生电流谐波;当充电桩被调节成待机状态时，功率因素极小;处于直流输出侧时，整个过程的谐波含量都比较小，并未形成影响。通过计量与分析可以确定充电桩的交流特性符合相应的电能计量要求。直流输出侧运行全过程的负荷波形图见图1。

2.3 充电桩电能计量中的难点

电能计量的难点体现在技术与运营两方面，直流充电桩的使用范围更广，很难直接忽视谐波带来的影响，如果直流谐波过大，计量采集互感器将产生失真的情况;充电桩本身就属于整体计量装置，其功能包括计费、计量功能;给充电桩应用的计量电表在满足基本计费计量功能的同时，还需实现有序放电与充电控制的需求，应从通讯技术与应用安全方面对其加强;从运营的角度分析，电动汽车利用充电桩进行充电时，与日常的用电场景不同，在计费时，必须要充分考虑供电公司、售电公司、车主、充电运营方与资产方等多個主体，确保在复杂的多边交易场景中能够最大化利用资源，形成可信交易，兼顾多方利益，科学计费;在资产管理方面，将充电桩认定为计量资产实施管理，应选择合适的检定方式，同时关注寿命周期管理方面的事项。

3  充电桩计量检定受到的影响

解决充电桩存在的计量问题时，可以从检定环节入手，但是要考虑到会检定过程与检定结果造成影响的因素，尽量减少检定误差，更为真实地反映充电桩的实际计量情况。

3.1 检定方法

检定充电桩的系统组成部分包括功率负载、功率源以及标准电能表，联系化可调节式电子负载与电动汽车，实现对交流充电的有效模拟。将交流充电枪插入到电动汽车上，充电桩借助电池BMS与充电接口实现握手通信，电池BMS依照充电桩具有的特性与动力电池情况将发电请求发出，交流式充电桩自动调节参数，形成最合适的充电电流。进行充电时，计量模块对实际输出的电能进行计量，计量模块还会将电池状态、充电时间以及电参数等信息借助系统的通信模块向采集交互模块与计费模块传递，电池被充满之后，BMS会通知充电桩将电源切断，完成一次充电。在充电期间，充电桩产生的输出参数会因时间变化而产生波动。启动充电桩之后与充满电池之前形成的充电功率并不是恒定的，如果利用瓦秒法进行测量，容易产生误差。充电桩必须连续地开展数据交换、采集以及通讯活动，在此过程中会增加耗电量。如果选择对电子负荷进行模拟来检定，当发热量增加后，阻值将会降低。因此在这种充电桩应用情况下，通过脉冲检定法能够形成最佳检定结果。

3.2 环境温湿度

当温度出现变化后，交流充电桩形成的具体示值误差也随之产生变化。在同一个充电桩中，当输出电流产生变化后，示值误差并不会随之产生变化;当湿度变化时，示值误差同样不会出现明显变化。交流充电桩中设置的内部元件在所处的环境出现温度变化时，会出现温度漂移的情况，金属膜电阻器、稳压管以及计量芯片等元器件均存在这种情况;充电桩内部产生的晶振频率属于温度敏感量，当系统叠加过多误差后，示值误差产生波动，电压和电流的累积量构成充电电量。当形成不同温度条件后，电流、电压将产生非线性误差;环境湿度变化并不会给被安装到充电桩的晶振电路构成影响，因此只需要关注温度因素，不需要关注湿度因素。

4  结论

直流与交流电表都可以满足当前充电桩的电能计量应用需求，精准地计量电能数值，使电能交易以公正公平的方式展开，进而给新基建活动提供支持，满足电动汽车的充电需求。电动汽车获得更好的充电条件后，可以被推广到更多区域，进而推动其所在新能源汽车产业的快速发展，响应建设绿色经济的号召，满足现代人低碳出行的环保需求，减轻汽车行业给环境的污染。相关技术人员需继续优化改进充电桩，提升充电效率与安全性。

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