实现一种交流充电桩自动检测装置的研究

2022-05-25钟伟俊

中国设备工程 2022年10期

钟伟俊

（广州计量检测技术研究院，广东广州 510000）

国内现有的交流充电桩检测装置存在操作流程复杂、检测效率低、自动化水平不足、功能单一等问题，工作人员需要现场操作设备完成充电桩准确度相关参数检测工作，所检测的数据结果只能本地存储，通常需要耗费较多时间用于数据整理、检定评估等工作。针对这一问题，本文计划开发一种自动化的检测装置，该装置能够满足充电桩检测准确度保证要求，具有符合市场需求的交流电量检测功能，能够通过内置芯片完成数据的计量检定与远程传输等工作，解决市场难题。

1 交流充电桩简介

交流充电桩多用于满足电动汽车的充电需求，应用场所多为居民小区、停车场等公共区域，能够将交流电网中的电能传输给电动汽车，具备充电接口、操作界面等硬件结构，能够完成电能计量、状态监测、数据存储等较多工作，其工作频率为50Hz，电压通常为220V或380V（波动范围在±15%内），输出电流多为32A。相关标准规定，交流充电桩的计量准确度等级需达到1.0级，为满足工作需求，本文特研发一款具有0.05级准确度标准的自动检测装置，下面进行详细论述。

2 交流充电桩电能检定原理

电能误差是交流充电桩计量检测的关键项目，将充电桩的电量数据结果与检测装置的检定结果对比分析，能够确定电能误差的具体数值。一般而言，检测充电桩电量可以通过脉冲法以及瓦秒法开展，实际操作时，需要考虑充电桩的电量数值。

其中，脉冲法能够以脉冲的形式将电能转化，通过将检测装置转化的脉冲与相同时段读取自充电桩的电脉冲数值对比来确定检测误差的数值；瓦秒法主要依靠功率确定检测误差，依靠标准计时器对恒定功率状态下充电桩的电能累积时间检测，将检测时间与功率相乘可得电能数值，检测装置检测得到的电能与充电桩显示的电能消耗数值对比，可以确定计量误差的具有数据。

对比两种检定方法，瓦秒法需要在无时延的情况下不间断地对设定的充电桩电能数值检测，测量期间还需要确保功率数值恒定；脉冲法能够在任意时段对电能误差进行检测，不会对充电桩的运行造成影响，但脉冲来源于内置电能表，数据的读取需要通过拆卸设备外壳来开展，在操作方面相对复杂。

一方面，为提升检测便捷性，本文设计的装置能够依靠瓦秒法检测充电桩电能误差，通过测量电压、电流信号计算功率并计量时间的方式检测充电桩电量数值，完成检定工作；另一方面，检测装置也具备脉冲检测功能，在应用时也可以借助脉冲法对电能误差进行检测。

3 交流充电桩自动检测装置设计分析

3.1 自动检测装置基本要求

为了满足市场计量工作需求，本文设计的充电桩检测装置体积相对较小，具有便携性特点，检测装置与程控负载通过底部装设的耐磨静音滚轮运输，有效提升现场测试的便捷性。在接口方面，检测装置根据2015年修订的0234.2推荐性国标设计了输入与输出接口，满足市场上现行的各类充电桩检测接口要求；该检测装置配置了信号监测端子，能够为相关单位人员对充电桩的实时状态进行监测。在外部结构方面，检测装置外包HPX轻质、强韧树脂材料构成的箱体，箱体具有防尘、防水、耐高低温、防撞等特性，温度耐受最低为零下40℃，最高为99℃，防水等级可达IP67，内衬为EVA材质，具有缓冲震动等设备防护效果。

在准确度等级方面，该自动检测装置达到了0.05级，在测试充电桩期间可以自由切换使用程控负载或电动车负载，在操作方面能够依靠工业级8寸触摸屏操作，不仅操作极其简单，还具有较强的抗干扰性、丰富的接口以及较高的运行稳定性。

3.2 检测装置硬件结构

检测装置硬件结构如图1所示，主要包括显示操作界面、电源、误差计量模块、测量模块、负载接口、充电桩监测接口、充电桩输入接口等功能模块。检测装置所采集的信号主要包括充电桩的电流电压输出信号，还包括充电桩电能表中的脉冲信号、CP信号以及CC信号；测量主控单元能够根据脉冲信号对充电桩误差进行检测；测量主控单元能够对充电桩的电压电流信号进行监测，通过处理器对检测信号进行运算分析，实现对电能误差的检定；显示操控单元能够将检测的数据结果在屏幕中显示出来，还可以对程控负载进行切换控制，实现对输出电流的模拟。

图1 检测系统流程框图

充电桩检测装置工作原理详见图2，该装置能够检测模块主要涉及3条电压检测回路、3条电流检测回路以及2条脉冲输入输出回路。其中，6路电压、电流检测回路主要包括A-D转换器、滤波电流以及信号运输处理回路；脉冲回路由DDS输出、FPGA计数。检测装置设计有测温接口，能够对负载温度进行监测，针对负载过热问题发出报警控制。

图2 检测装置原理框图

为满足设计接口运行需求，在微型处理器CPU选型过程中，本自动检测装置选择了STM32F407芯片，该芯片具有接口数量多、兼容性能优异、主频高、应用十分广泛等优势特点；为确保电压、电流相关充电桩信号的检测精度，在检测过程中应用具有较强抗干扰能力和较高分辨率的AD采样芯片开展信号采集工作；在实际运行过程中，电流与电压模拟信号经抗混叠滤波电路滤波后，经AD模块转化为数字信号，信号与运算处理单元以及STM32F407之间设有隔离模块，避免检测装置的运行受到干扰。

3.3 检测装置软件功能

充电桩检测装置的软件架构为开放性设计，实现了对各种测试接口资源的整合处理，能够对各设备状态进行监测、控制等管理工作，科学有序地对测试流程、信息、数据、报告、规范标准等进行管控，确保充电桩计量检测结果的可靠性和检测过程数据的完整性。在系统接口方面，检测装置具有二次编程优化设计接口，用户能够结合自身需求对测试流程、业务、数据处理等各模块进行改进，同时，也可以进行新功能的增设工作。在人机交互界面方面，用户可以通过检测装置的触控屏对实时监测的各种充电桩电流电压、负载温度等数据参数或状态进行查看，能够自由选择需查看的测试报告，可以自由设置系统运行参数并控制检测过程，还具有风格、色彩、效果等外观节目编辑优化功能。

用户可以通过系统软件进行数据存储、报告打印等各项工作。在通过触控屏界面完成检定点设置后，软件系统能够要RS232串口线向STM32F407传递命令，CPU根据命令对测量量程进行切换，控制充电桩输出电能的同时开展计时测量工作；系统通过AD模块对电压电流信号进行采集运输，通过计算模块完成电能数值运算与误差对比分析工作，并将数据结果传输给触控屏界面显示；系统还可以借助DDS模块将功率转化为电能脉冲，与充电桩电能表脉冲同步依靠FPGA计数，通过CPU计算模块完成误差检定工作。

3.4 自动检测装置的技术难点及解决方案

虽然充电桩自动检测装置能够通过脉冲测量的方式对充电桩电能误差进行测量，但实际操作时工作人员需要耗费较多时间进行外壳拆卸，便于将检测装置与电能表连接。为此，计量检测人员可以通过瓦秒法检定充电桩准确度。

在实际操作时，装置使用人员接入的负载主要为电动汽车，而充电桩给出的电压主要为电网电压，由于功率无法维持恒定，单纯依靠瓦秒法中恒定功率的计算方式将存在较大误差。为此，在检查过程中，装置能够将充电桩的实时电压与电流检测，通过将两者相乘得到功率数值，根据实时检测数据获取功率随时间变化曲线，通过积分的方式可以求得准确的电能数值，具体计算工作可以借助CPU软件程序进行。