电动汽车非车载充电机电能检测仪的设计

李贺龙

（中国电力科学研究院有限公司，北京100192）

随着我国经济社会发展水平不断提高，汽车保有量持续攀升。大力发展电动汽车，能够加快燃油替代，减少汽车尾气排放，对保障能源安全、促进节能减排、防治大气污染、推动我国从汽车大国迈向汽车强国具有重要意义。根据国家市场总局办公厅于2018年7月发布的 《就实施强制管理的统一计量器具目录研提修订意见的通知》，已计划将交流充电桩纳入强制检定目录。因此，需要大量的充电桩电能检测设备来保证检定工作的开展，其电能溯源工作势在必行。

目前电动汽车充电桩检定工作的发展现状：①标准的不断完善：2018年初，关于电动汽车充电桩（机）的检定规程JJG 1148-2018《电动汽车交流充电桩检定规程》和JJG 1149-2018《电动汽车非车载充电机检定规程》已颁布施行，关于充电桩（机）的能源局标准[1]、产品标准也在不断完善中；②充电设施的更新：国内大型的充电桩生产制造商如鲁能集团、奥特迅、平高等均在加大力度研制符合新标准的充电设施，也相继推出了自己的产品[2]；③随着充电桩数量的不断增加，各省市电网公司和电动汽车服务公司正陆续开展电动汽车充电桩的现场检定工作[3]。

国内对于电动汽车充电设施的检定工作尚停留在现场检定的阶段，即需检定人员携带现场测试仪、测试负载等设备至现场，这将带来极大的检定工作量。大量的充电桩分散安装于出租公交充电站、环卫物流充电站、居民小区等多种应用场景，测试工具的运输、操作等工作将急剧增加，现场检测成本也将随之提升，这不利于公司降本增效和集约化管理。因此，亟需研究一种有效进行现场电能校准与数据评估、同时减少检测工作量的设备与方法[4-5]。文中提出的适用于非车载充电机电能现场测试的装置，电压范围100～1000 V，电流范围1～300 A，电能测量不确定度（k=2）：0.05%*RD，设备可直接挂网运行，并自动上传充电电能数据，用户只需将电能检测仪连接充电桩输出线和电动汽车充电线，便可完成电能检测。与传统的现场校验仪和负载的测试方式相比，可大大减少搬运和人力成本。

文中电动汽车非车载充电机（桩）简称充电机。

1 充电机电能检测仪原理

电能检测仪可通过CAN-BUS 通信读取充电机电压、电流、电能等数据，同时，实测的电能数据可通过RJ45 等通讯方式上传至后台上位机，并进行相关存储和分析工作；充电枪头DC24V 与内置锂电池供电方式可保证充电机起动前和停止后的测量及通讯正常[6-7]。电能检测仪外观示意图如图1所示。

图1 检测仪外观示意图Fig.1 Schematic diagram of the appearance of the detector

电能检测仪整体结构示意图如图2所示。在本研究的原理架构设计中，硬件结构包括微处理器模块、高速ACD 采样模块、供电电源模块、FPGA 计算模块以及上位机数据分析模块。通过直流充电接口能够实现非车载充电机充电数据信息的充电与放电，通过供电电源模块实现数据信息充电，电动汽车直接通过充电接口实现直流充电接口的充电。本研究还应用了校验仪实现接电信息的输入与输出。在具体应用中，采用V/V 转换器和I/V 转换器实时测量直流电压和直流电流，再通过两路高速AD 采样将电压和电流值发送至电能计量模块，同时采集充电机电能脉冲数计算电能误差[8]。下文对误差计算进行说明。

图2 检测仪原理框图Fig.2 Block diagram of the detector

2 充电机电能误差计算

在对充电机电能进行误差计算时，采用大电流测量电路实现充电机电能误差计算，通过对充电机电能误差信号数据信息进行采集，再进一步分析充电机电能误差[9-10]，图3 为大电流测量电路的原理图。

图3 大电流测量电路Fig.3 Large current measurement circuit

在实现大电流测量时，假设即时时间为T，充电机电能在工作过程中，输出的电能计量数据信息经过两路24 位A/D 采集后，输出的电压序列为｛u1（1），u1（2），…，u1（n）｝，电流序列为｛u2（1），u2（2），…，u（n）｝[4]，则电能数据信息为

式中：P为校验仪测量功率值；E为校验仪测量电能值；KI为电流采样值与实际值间的转换系数，其大小由电流通道的硬件参数决定；KU为电压采样值与实际值间的转换系数，其大小由电压通道的硬件参数决定；T为选定的测量时间，单位为s；N为AD 对充电机输出的电压和电流采样的次数；n为采样序号[11]。则有以下关系式：

式中：m为实测脉冲数；m0为算定的脉冲数；C为校验仪电能脉冲常数，单位为imp/kWh，其值随着电压电流量程改变而改变；Ui为校验仪电压测量量程；Ii为校验仪电流测量量程；f为标准电能脉冲频率60 kHz（高频）或6 Hz（低频）[12]。

由于充电机集中建立在户外，存在大量的电磁干扰源，这就需要比较仪有着良好的抗电磁干扰能力。文中的比较仪采用双层屏蔽技术，由主屏蔽高磁通密度材料（FeSiAl）与内屏蔽高磁导率材料（坡莫合金）组成[13-14]，将比较仪铁芯安装在坡莫合金屏蔽盒中进行单独屏蔽，再将其与测试电路一起放置在主屏蔽盒内，可最大程度上减少测量误差。

除了磁性误差，由于绕组线匝之间、绕组与绕组之间以及绕组对地之间存在寄生电容和电位差，它们之间会产生相应的漏电流，从而产生容性误差。静电屏蔽可以减少容性误差。

3 硬件结构设计

本研究的充电机电能检测仪在应用过程中，采用集成化设计的方式，这种方式体积小，重量轻。通过CAN-BUS 通信读取充电机电压、电流、电能等数据，同时，实测的电能数据可通过RJ45 等通讯方式上传至后台上位机[15-16]，并进行相关存储和分析工作；充电枪头DC24V 与内置锂电池供电方式可保证充电机起动前和停止后的测量及通讯正常。此外，仪器具有外供电部分的能耗测量功能，以便于对充电电能与标准器的电能精准比较。

考虑到系统的实时性强，采用最新架构32 位嵌入式微处理器和FPGA 加外围设计电路搭建的平台进行开发，系统硬件结构[17]如图4所示。

系统关键模块包括FPGA 模块、微处理器模块与直流电流测量模块。下文对本研究的关键技术进行说明。

3.1 FPGA 模块设计

系统采用FPGA 进行功率测量、标准电能脉冲发生和量程切换等功能。FPGA 模块示意图如图5所示。

图5 FPGA 模块示意图Fig.5 Schematic diagram of FPGA module

在图5 的结构设计中，FPGA 现场可编程逻辑阵列开发板由FPGA 芯片、SDRAM 存储芯片、外设电路、时钟模块、外围扩展接口等组成，其中FPGA 具有配置简单、继承性高、配置灵活的优点。其安全的片上闪存可使器件在10 ms 内完成配置，3 mm×3 mm的封装内集成了可编程逻辑器件（PLD）、RAM、闪存、数字信号处理、锁相环和I/O 接口，保证了器件的灵活配置，并采用TSMC 的55 nm 工艺技术[18]，可保证20年的使用寿命。

3.2 微处理器模块

微处理器以嵌入式32 微处理器作为主控制核心，控制核心采用ARM 结构，Cortex-M3 内核。内部集成了高精度的数模转换器，GPIO 接口资源丰富。微处理器模块示意图如图6所示。

图6 微处理器模块示意图Fig.6 Schematic diagram of the microprocessor module

在图6 的设计中，电路中的相关开关信号和控制信号以及相关数字信号都会发给FPGA，FPGA 做出相应处理后“打包”发给微处理器模块，再进行配置与计算工作。同时RJ45 通讯模块、CAN 通讯模块等直接与微处理器连接，丰富了测试仪器的功能，也大大优化了测试仪器的可操作性。在应用直流电流测量模块时，装置采用直流比较仪测量大电流，比较仪采用双铁芯结构，如图7所示。

图7 比较仪结构图Fig.7 Comparator structure diagram

在本设计中，双铁芯结构使铁芯中感应的奇次谐波分量能够相互抵消，偶次谐波则会相互加强，就能提取有利于反应信号大小的偶次谐波分量[19]。方波振荡器连接激励绕组，激励绕组单独绕制在铁芯A 上，检测绕组Ws和平衡绕组W2绕制在双铁芯上，待测绕组W1穿过双铁芯变大电流模块，其中铁芯A 由高导磁率软磁材料制作，铁芯B 由低导磁率铁氧体材料制作。

4 案例应用分析

本研究方法在应用时，采用的软件基于LabVIEW编写。主要包括电能误差实现算法、协议一致性测试、人机交互界面单元，应用时，系统通过高速AD 通道采集两路电压u1（n），u2（n）。充电机输出电压u（n）与电流i（n）满足关系式（5）、式（6）：

式中：u1（n）为电压通道AD 采样的电压值；u（n）为充电机输出电压值；KU的值为1000。

式中：u2（n）为电流通道AD 采样的电压值；i（n）为充电机输出电流；KI的值为300。

程序运行逻辑如下：将测量的u（n）和i（n）代入式（2）中得到电能E，根据u（n）和i（n）设置电压和电流量程计算C，将C、E代入式（1）算出m0，将测量的m和m0代入式（4）计算电能误差。逻辑图如图8所示。

图8 程序逻辑图Fig.8 Program logic diagram

协议一致性测试是检测充电桩是否完全按规程GB/T 27930-2015 《电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议》制造[20]。对充电机充电流程的检测流程如图9所示。

图9 协议一致性测试流程Fig.9 Protocol conformance test flow chart

在上述应用中，再采用人机交互界面实现数据信息检定交互，项目主要包括检定项目、检定结果显示、充电机状态等内容。可在测试过程实时显示测试结果及充电机当前状态，在突发情况下自动断开测试。测试结束后可选择将数据自动导出至Excel 或者Word 文件。界面如图10所示。

图10 人机交互界面Fig.10 Human-computer interaction interface

通过24 h 不停应用，将本研究的方法与文献[1]、文献[2]的方法进行对比分析，则检测效率如图11所示。

图11 被解密数据所占比重对比图Fig.11 Comparison of the proportion of decrypted data

通过图11 可以看到，本研究的检测仪经过多次测量，与文献[1]和文献[2]相比，表现出较为突出的正确率，本研究方法具有突出的技术优势。

5 结语

针对电动汽车非车载充电机电能检测技术的必要，本研究设计出一种新型的电能检测仪器，采用的硬件设计模块包括高速ACD 采样模块、供电电源模块、FPGA 计算模块以及上位机数据分析模块等。在具体应用中提高了充电机电能检测效率，为电动汽车非车载充电提供了技术依据，本研究在一定程度上提高了电能检测能力，为电动汽车非车载充电机应用提供技术支持。