对在役电动汽车充电桩计量检定现状的一些建议

陈永强 吕国伟 邱巧丹

（1.威凯检测技术有限公司 广州 510663；2.中国电器科学研究院股份有限公司 广州 510663）

1 电动汽车充电桩计量检定现状

截止2019年6月，全国充电基础设施累计数量已经达到了100.2万台，同比增长69.3 %。其中公共充电基础设施已经达到了41 1619台，其中广东地区公共充电桩总量为46 753台，位列全国第4。

目前计量检定问题正困扰着电动汽车充电桩制造商、运营商。广东地区的公共充电桩，相关的计量标准规范包括:中国电力企业联合会发布的（GB/T 28569-2012）电动汽车交流充电桩和（GB/T 29318-2012）非车载充电机电能计量推荐性国家标准；广东省质量技术监督局于2011年12月30日实施的JJG（粤）015-2011地方检定规程；2018年5月27日正式实施的强制性国家计量检定规程JJG 1148-2018和JJG 1149-2018。

这些技术文件都是为规范电动汽车充电桩的计量问题，但是由于各地校准检定机构的水平参差不一，存在现场检定方法不统一，判定标准不一致等情况，给电动汽车充电桩制造商、运营商带来了较大困惑。

2 交流充电桩的检定

2.1 交流充电桩检定的基本要求

交流充电桩充电费用结算的主要依据就是充电电量示值，通过比较检定系统与充电桩同时测定的电量值来确定充电桩的示值误差（工作误差），是评价交流充电桩计量特性的核心指标。目前交流充电桩的量值溯源见图1。广东地区绝大多数交流充电桩的准确度等级为1级，所以交流充电桩电能检定系统的准确度等级至少应为0.5级。

2.2 检定方法对检定工作误差的影响

交流充电桩的电能检定系统由标准电能表、功率源或功率负载组成。功率负载可以是待充电的电动汽车实物或者是连续可调节电子负载，以模拟交流充电的全过程。采用电动汽车实物就是JJG 1148-2018的实负荷检定法（利用实际运行负荷进行检定的方法）；采用电子负载就是JJG 1148-2018的虚负荷检定法（利用充电桩检定装置提供的模拟负荷进行检定的方法）。虚负荷检定法又可以分为瓦秒法或标准表（脉冲）法。

上述三个检定方法该如何选择？不妨看下交流充电桩的全过程或许可以找到答案。电动汽车插入交流充电枪后，充电桩通过充电接口与电池BMS进行握手通信，电池BMS根据车载动力电池状况以及充电桩特性发出充电请求，交流充电桩调整自身参数以达到最佳充电电流。充电开始后，充电桩内置的计量模块对充电桩的输出电能进行计量，同时将电参数、时间、电池状态等信息通过通信模块通知计费系统与采集交互终端，电池达到满充容量后BMS通知交流充电桩切断电源，结束充电。在充电的全过程中，交流充电桩的输出参数是随时间变化而波动，如图2所示。在交流充电桩刚启动后一段时间和电池满充前一段时间，这两阶段期间的充电功率是非恒定的，选择瓦秒法就会产生较大的测量误差。而交流充电柱在整个充电过程中需要不断的进行通讯、数据采集和数据交换，这些工作也需要消耗一定电量。而且模拟电子负荷会随着发热量加大导致阻值下降。因此最优选的检定方法是实负荷标准表（脉冲）检定法。

2.3 环境温湿度对检定工作误差的影响

图1 交流充电桩检定的量值体系溯源图

以某型号交流充电桩为例，充电桩输出参数：输出电压AC220 V，输出电流Imin为3×2 A，Imax为3×32 A。

测试线缆：3 m 32 A交流线缆；负载：待充电电动汽车；根据JJG 1148-2018第9.4.1条输出电流设定工况：220 V/3×2 A、220 V/3×16 A、220 V/3×32 A；输出电流波动[-3 %，3 %]。

从上述数据可以归纳得出：

1）交流充电桩示值误差随环境温度变化而变化；

2）同一充电桩的示值误差不随输出电流变化而明显变化；

3）充电桩示值误差不随环境湿度变化而明显变化。

归根究底是因为交流充电桩的内部元器件会随着温度变化而产生温度漂移，特别是计量芯片、稳压管、金属膜电阻器等元器件；交流充电桩的内部晶振频率是温度的敏感量，系统累积误差叠加导致示值误差的波动；充电电量是电流和电压的累积量，不同温度条件下，电压、电流采样器会产生的非线性误差；环境湿度无法有效影响交流充电桩内部时钟晶振电路。因此交流充电桩的示值误差只受环境温度的影响，而不受环境湿度的影响。

3 非车载充电机（直流充电桩）的检定

3.1 直流充电桩检定的基本要求

直流充电桩可分为相控式和高频开关式两大类，详细对比表见表2。

图2 交流充电桩充电参数变动示意图

表1 现场示值误差检定数据

表2 相控式和高频开关式直流充电桩比对表

目前中国直流电能国家基础还处于待完善状态，所以需要将直流电能量值向电压、电流、频率量值体系溯源。目前非车载充电机（直流充电桩）检定的量值溯源见图3。

3.2 直流电能的计算算法对直流充电桩检定准确性的影响

目前非车载充电装置的直流电能计量、费用结算方式有2种：

1）直流充电桩内安装的直流电能表（工作原理见图4）只负责完成电量的测量和传输，而外部的工控机才负责电量费用的核算和电费数据的保存。

2）另外直流充电桩内置有直流计量模块（工作原理见图5）不仅进行电量的测量，也负责电量费用的核算，最终将电费数据传输保存到工控机端。

充电桩内置直流计量模块工作原理与直流电能表工作原理类似，直流电能计量准确性的基础就是对电压、电流等核心电参数的高精度采集，在此基础上选择合适的数据运算方法构成了直流电能检定计量的核心，常见的直流电能计算算法主要有三种：①平均值法、②有效值法、③瞬时功率基本法。

3.3 纹波系数对直流充电桩检定准确性的影响

如上述分析，三种常见的直流电能计算算法选择构成了直流电能检定计量的核心，根据经典电学知识：

1）经典电学知识中，采集电压电流的有效值进行数据计算，得到的直流功率叫视在功率。

2）经典电学知识中，采集电压电流的瞬时值进行数据积分处理，得到的直流功率叫有功功率或标准功率。

比较两种直流功率的计算都需要考虑电压电流的相位差，直流电能检定计量中当电压电流的相位差为0 °时，采用平均值法的计算误差会出现极大值，而有效值算法的误差却是最小值。当电压电流的相位差在±60 °内时，平均值误差大于有效值误差。相位差为180 °时，平均值和有效值的算法误差都是极大值。

图3 非车载充电机（直流充电桩）检定的量值溯源图

图4 直流电能表原理图

图5 内置直流计量模块原理图

实际使用中，直流充电桩的输出电压高、电流大且叠加有相位差。如何考虑大功率工作条件下相位差（纹波系数）对检定准确性的影响。经典电学的知识得出以下结论：

1）当纹波系数＜5 %时，任选一种算法都可以。

2）当纹波系数≥5 %时，功率因数≥0.5，优选有效值算法；功率因素＜0.5，优选平均值算法。

4 对强制性检定规程中部分条款的分歧

4.1 关于检定封印部位的理解差异

对检定后相关功能区进行封印是得到广泛共识的，但是对被封印部位的理解却有较大差异：观点1：将充电机（桩）内部使用的电能表或计量模块位置加以封印；观点2：将对充电设备中影响计量和计费的部件都进行封印。观点2封印的部位大于观点1封印的部位，支持观点2的理由是运营商或者设备制造商可以通过外露模块欺骗顾客；反对观点2的理由是如果对充电机（桩）内部计量单元进行整体铅封，不利于日常检修和故障排查。

随着电动汽车的普及，充电桩已经成为普通民众可以随时接触到的日用电器，但是充电桩高电压高电流的特性，使得安全在目前阶段更重要。针对已经在役的充电桩，应该只对充电机（桩）内部使用的电能表或计量模块位置加以封印即可；为了防止欺骗顾客，现场检定周期建议缩短到半年或每季度。

4.2 对计费显示位置的理解差异

针对JJG 1149-2018“电动汽车非车载充电机计量检定”第6.5条，充电机是涉及对公众收费的设施必须对计费示值进行检定，但是计费显示位置却有不同的理解。观点1：计费显示位置可以是设备显示屏、手机APP等现场可以观测到的界面；观点2：必须在充电设备本体显示充电电能量、单价及付费金额。

充电桩运营企业和制造商普遍认为：只要能显示充电电能量、单价及付费金额，具体显示方式可采用显示屏、APP等形式。既符合目前实际情况，也方便充电运营企业开展的“互联网+”运营发展模式。

4.3 对当前环境温度的理解差异

对JJG 1149-2018“电动汽车非车载充电机计量检定”第5.1条“当前环境温度”的理解。观点1：当前当地的气象温度；观点2：当前直流充电机2个正交截面之中最高平均温度作为环境温度。

充电模块超过一定温度后就会降额输出，当环境温度t在-10 ℃～40 ℃范围，无需进行温度系数修正，直流充电机的直流电能计量误差（简称工作误差）限值E=±1.0 %（充电机准确度等级为1）或E=±2.0 %（充电机准确度等级为2）。当环境温度t超出-10 ℃～40 ℃范围，则需要进行温度偏差计算，需要对工作误差进行修正。

C=0.05（充电机准确度等级为1）或C=0.10（充电机准确度等级为2）

例1：高温温度44 ℃，充电机准确度等级为2

高温44 ℃，充电机准确度等级为2时，工作误差限值 Ew=E+e=±|2.0+0.40|（%）=±2.4 %。

而环境温度为34℃时，充电机准确度等级为2时，工作误差限值Ew=E=±|2.0|（%）=±2.0 %。

通过具体的案例进一步说明：夏季气象温度为34 ℃的情况下，使用热红外成像仪测量户外直流充电机四面的平均温度在40.6 ℃～44.0 ℃，选取直流充电机2个正交截面最高平均温度作为环境温度t=44 ℃。

观点1的结果：环境温度为34 ℃时，充电机准确度等级为2时，工作误差限值Ew=E=±|2.0|（%）=±2.0 %；

观点2的结果：直流充电机的直流电能计量误差限值Ew=E+e=±|2.0+0.40|（%）=±2.4 %。（充电机准确度等级为2）

户外直流充电机现场检定直流电能计量工作误差为2.21 %，按照观点1检定结果为不合格，按照观点2检定结果为合格。

实际上JJG 1149-2018“第9.3条，明确是对充电桩的2个正交截面进行测量，取充电桩不同位置温度测量值的平均值作为环境温度值。观点1直接使用气象温度是不合适的，支持观点2：选取直流充电机2个正交截面最高平均温度作为当前环境温度t。

5 结语

《电动汽车非车载充电机计量检定规程》《电动汽车交流充电桩计量检定规程》两份国家强制性计量检定规程已经实施超过1年，对国内充电设施产业影响不容小视。

表3 热红外成像仪测量户外直流充电机四面温度

部分地方检定机构既不了解检定对象，对相关检定规程条文的理解也不符合目前电动汽车充电设施发展实际。在现场检定工作中采用不合适的设备、不合适的检定方法，不合适的工况设定、不合适的检定算法、不合适的温湿度修正方式，导致现场检定工作无法获得广泛认可。加重了充电设施生产和运营成本，给电动汽车充电桩制造商、运营商带来了较大困惑。

建议监管部门尽快推进两份国家强制性计量检定规程的培训工作，同时通过能力验证等技术手段统一现场检定工作。