电动汽车充电桩的电能计量研究综述

郑丽辉 郑礼民

摘 要：随着能源、环保、节能等理念的提出，电动汽车市场发生了快速的发展，呈爆发性增长。充电桩作为电动汽车的续航设备，其发展速度将限制电动汽车产业的发展。本文主要针对电动汽车充电桩的电能计量问题展开探讨，首先介绍了国内外充电桩的发展现状，研究不同充电桩的分类和充电原理，最后对直流充电桩和交流充电桩的计量原理进行论述，为后续电动汽车充电桩的计量系统研究提供了大量的参考。

1 电动汽车的充电桩分类与原理

电动汽车根据充电模式的不同，可以将充电方式分为充电桩与换电池两个方式，换电池主要在换电站提供电池更换和服务功能，电池的更换时间短、占地面积较充电站小，但现受限于各电池的标准规范不同，行业交流不够紧密等因素，导致换电站的实现主要存在与电动公交车和出租车等大批量组织市场。充电桩可根据电流种类的不同，分为交流充电桩和直流充电桩[1]。

1.1 交流慢充充电桩

交流充电方式，即“慢充”。通过采用交流充电桩充电口直接连接汽车的慢充口，无需外部专门交直流转换系统，主要经过汽车内部充电机实施交直流转换，为电动汽车电池进行充电。因此交流充电桩主要功能是相应的控制、计费和通信等功能，计算充电过程中的电能，控制系统对充电桩进行电压电流和温度的检测，并实施通信反馈，监测用电过程的安全性和稳定性。交流充电桩采用小电流小功率慢充的方式，提供单路或者双路220V AC/380V AC输出，功率一般在5kW/20kW，因此延长了电池的使用寿命，一般需要6-8小时才可完成充电。

1.2 直流快充充电桩

直流充电方式，即“快充”。直流充电桩需要与非车载充电机配合使用，利用非车载充电机将电网的交流电转换为直流电，输送至电动汽车的快充口。直流充电桩主要由控制模块、计量模块、通信模块、电源模块等。主控制器对整个充电桩进行控制，主要控制充电桩的电流转换、电流监控、数据读取、通信系统的管理等，协调各个模块之间的工作。直流充电输入电压频率为50Hz的三相四线AC380V±15%，输出直流为电池充电。直流充电的电流大，是常规交流充电电流的十倍甚至几十倍，半小时即可充满电池的80%容量。

1.3 充电桩充电原理

电动汽车的充电原理主要有恒流充电法、恒压充电法和两段式充电法。恒流充电通过稳定充电的电流，但充电过程中电池接收电流的减小，会导致电池的析出。恒压充电法在充电初期的电压快速升高后趋于稳定，但电流减小，主要问题是充电初期的大电流会严重影响电池的寿命。两段式充电法集合了恒流充电法和恒压充电法，如图1所示。首先是恒流充电，其次是恒压充电，随着充电的开始，电压较小，随电流较大但相对稳定，随着充电的进行，电压上升至电池的额定电压后，进入恒压环节，电池电动势逐步增大，电流持续下降，直至降为零。

2 充电桩电能计量的研究

在汽车充电过程中，电池充电电压和电流随时间而不断变化，信号中会出现很多的损耗和谐波，导致充电电能的计量准确度下降，产生微量的误差，引起对电能的计量问题和计费错误。日本三菱电机公司的Miyama Y， Hazcyama M， Hanioka S等对永磁同步电动机上提出一种新的载波谐波损耗抑制技术，采用二维有限法降低了充电机的损耗。意大利的Cataliotti A，Cosentino V，Di Cara D等提出一种频率响应的RCCT补偿方法，减小了谐波功率误差。武汉大学和国网江苏电力杨金涛，乐健等针对谐波误差及影响因素，搭建新型电能计量模型，降低了谐波条件下的计量误差。广东电网电力研究所赵伟孟，金岭陈等采用ip-iq算法和快速傅里叶变换和准同步采用线性插值的补偿算法，解决了充电设施的电源检定溯源问题[2，3]。

2.1 交流充电桩计量原理

交流电能计量方法[4]主要分为两种：一种是频域法，通过频率特性研究系统的方法，分别计算出基波电能和谐波电能，从而准确地对用电电能计量。常采用加窗傅里叶变换、形态小波变换算法、广义瞬时无功功率等算法，有效地解决非线性接入后所产生的电能计量问题。

一种是时域法，即以时间函数描述系统并加以分析研究的一种方法。常采用的方法由瞬时积分法，通过测量交流电的相角和频率，计算用电电能，公式如下：

u（t）=U_m  sin⁡wt=√2 U sin⁡wt           i（t）=I_m  sin⁡〖（wt-φ）=√2 I sin⁡（wt-φ） 〗

K_p=K_m K_i K_u                            W_p=∫_0^T▒〖u（t）i（t）dt〗=TK_p UI cos⁡φ

式中，U_m 、I_m分别为电压与电流峰值;K_u 、K_i分别为电压、电流转换系數。

2.2 直流充电桩计量原理

直流电的大小和方向不会随时间变化而变化，通过把交流电进行整流和滤波之后，即变成平稳的直流电。但在交流电与直流电的转换过程时，充电设备与计量系统中存在着非线性特性，将会引起电网电压电流产生谐波、波动、三相不平衡、有功功率线损高等一系列问题，降低了对电能计量的准确计量。现今主要的直流电能计量方法主要有：平均值法、有效值法、瞬时功率积分法[5]。

平均值法通过采样时间间隔，获取各个采样点的电流、电压的平均值，从而得到个点瞬时功率的平均值，再把单位周期内的所有值累加形成电能值。

P=1/n ∑_（k=1）^n▒u（t_k ）i（t_k ）                          W=∆t/n ∑_（k=1）^n▒u（t_k ）i（t_k ）

有效值法通过计算周期内的电压、电流有效值，将电压与电流有效值通过计算得到功率和总电能。

U=√（1/T ∫_0^T▒〖u^2 dt〗）                   I=√（1/T ∫_0^T▒〖t^2 dt〗）                   W=P∙∆t≈UI∙∆t

瞬时功率积分法通过对一个周期内，每个采样点计算瞬时值，再将瞬时功率平均值累加得到功率，再将功率相加取平均值得到电能。

P（t_k）=u（t_k ）i（t_k ）

P=1/N[u（t_1 ）i（t_1 ）+u（t_2 ）i（t_2 ）+…+u（t_n ）i（t_n ）]=1/N ∑_（k=1）^n▒u（t_k ）i（t_k ）

W=[1/N ∑_（k=1）^n▒u（t_k ）i（t_k ） ]∆t

结论

电动汽车的发展离不开充电桩计量系统的提升，充电桩的直流与交流中存在的损耗和谐波影响导致计量存在误差。本文分析了电动汽车的交流/直流充电桩的优劣势和计量原理，后期将深入研究交流/直流充电桩的计量误差分析和算法进行改进研究。

参考文献

[1]袁航.电动汽车充电桩的日常维护[J].南方农机，2019，50（17）：114.

[2]韩迪，姜振宇，刘科学，谭志强，巨汉基，郭皎.电动汽车充电桩电能计量相关问题研究[J].交通节能与环保，2021，17（01）：14-17.

[3]宋红贺. 电动汽车直流充电桩监测与管理系统研究与设计[D].山东科技大学，2018.

[4]咸凯耀. 计及纹波影响的电动汽车直流计量误差分析与改进算法研究[D].山东科技大学，2019.

[5]吴晓萌. 电动汽车交流充电桩及智能充电控制策略研究[D].杭州电子科技大学，2019.

2021年度衢州市科技局指导性科研项目（2021070）：基于Rogowski线圈的充电桩电能计量系统设计