一體化直流電能表解決方案

一、前言

直流表的出現(xiàn)隨著供給側(cè)新型綠色能源的推廣，對其能量計量、結(jié)算的需求應(yīng)運(yùn)而生。與此同時，在應(yīng)用側(cè)激增的新能源電動車的市場保有量逐年遞增，與其配套的充電裝置遍地開花，為保障消費(fèi)者權(quán)益，實現(xiàn)市場監(jiān)督管理要求的合理性、可行性、高效性而提出的一種一體化直流電能表的解決方案。目前該方案在現(xiàn)場試點應(yīng)用及部分地區(qū)推廣取得了一定的效果。在此，與大家做個分享，希望更多、更好的解決方案能夠推陳出新，為表計行業(yè)的發(fā)展群策群力，添磚加瓦。

二、國內(nèi)直流電能表現(xiàn)狀

我國目前現(xiàn)場投入使用的充電機(jī)，因為在設(shè)計之初沒有考慮強(qiáng)制檢定的需求，缺少方便檢定的接口；而應(yīng)用于快充樁的直流電能表多為間接式接入，電壓經(jīng)分壓器轉(zhuǎn)換為100V，電流經(jīng)外部分流器轉(zhuǎn)換為75mV 后的信號接入電能表。這些都給現(xiàn)場檢定帶來了很大的困難：

? 現(xiàn)場檢定要打開樁接線；

? 由于間接接入的方式，分壓器和分流器分別被安裝于充電機(jī)內(nèi)不同位置，沒有整體鉛封，不符合檢定規(guī)范；

? 根據(jù)各廠家樁的設(shè)計不同，分流器采樣信號線走線長短不一，現(xiàn)場極易受到干擾，對計量的準(zhǔn)確性檢定帶來很大的不確定度，影響現(xiàn)場檢定結(jié)果評定；

? 能量寄存器分辨率低，不符合檢定規(guī)范；

? 檢定只能通過實負(fù)荷進(jìn)行，檢測設(shè)備笨重，檢定耗時長，效率低，能耗大。以嘉興某場站的現(xiàn)場檢定為例：

? 協(xié)調(diào)現(xiàn)場檢定涉及到多部門合作，需要聯(lián)系充電機(jī)現(xiàn)場運(yùn)維部門、充電機(jī)廠家、電能表廠家、現(xiàn)場檢定設(shè)備廠家；

? 停電、停運(yùn)檢定；

? 充電機(jī)要開艙，將檢定設(shè)備的負(fù)載回路接入樁回路，檢測點連接到檢定設(shè)備，接線時間約1小時；

? 根據(jù)檢定規(guī)程的要求，檢定一個樁需要20 度電，檢定時間約0.5 小時。

三、一體化直流電能表解決方案

以上問題也是導(dǎo)致國家市場監(jiān)管總局的強(qiáng)檢要求不能即刻得以實施的主要原因。

一體化直流電能表的解決方案為了解決檢定實施過程中的這些問題，我們提出了一體化直流電能表的解決方案。

首先考慮改造方便，成本低，新的一體化直流電能表的設(shè)計，采用直接替換原設(shè)計上的分流器，達(dá)到在充電機(jī)不需要改造的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)采樣計量一體化（圖1），計量部分可被整體鉛封從而滿足檢定規(guī)程的目的；

其次，電壓電流采樣信號直接接入計量芯片，距離近，不容易引起干擾，確保了現(xiàn)場檢定的可重復(fù)性；

另外，由于原有規(guī)范要求，分流器設(shè)計輸出信號量為75mV，信號量大，對大功率樁來說發(fā)熱量大。以可輸出300A 負(fù)荷的充電機(jī)為例，因為電流采樣信號規(guī)范的要求，單單在分流器上的消耗就高達(dá)22.5W。這不僅造成了能耗的浪費(fèi)，而且這部分能耗轉(zhuǎn)換為樁內(nèi)的溫升，又反作用于采樣器件，通過溫漂影響，造成計量不準(zhǔn)的問題。

而新的設(shè)計將分流器和傳感電路一體化，大幅度降低了分流器阻值，使得發(fā)熱量得以控制，既節(jié)省了能耗，也降低了樁內(nèi)的發(fā)熱，減少了自熱引起的火災(zāi)隱患，對溫度敏感的采樣信號也保證了準(zhǔn)確度。

圖1一體化直流電能表替換示意圖

為了最大限度的降低采樣信號量，減少發(fā)熱，同時又能保證采樣得準(zhǔn)確性，設(shè)計了高精度、高共模抑制比，低零漂的國產(chǎn)自研傳感器芯片，應(yīng)用于該一體化直流電能表上。

現(xiàn)有的設(shè)計能夠保證在300A 大負(fù)荷工作條件下，長時間帶載溫升不超過20℃，大幅地降低了樁內(nèi)因采樣計量而造成的設(shè)備自熱溫升。在解決了降低采樣信號量，減少發(fā)熱的基礎(chǔ)上，為了最大限度的保護(hù)消費(fèi)者權(quán)益，現(xiàn)有的一體化直流電能表設(shè)計還擴(kuò)展了槍端采樣、線損計算的功能，與車內(nèi)的充電管理計量模塊采樣點保持了一致，做到與國際標(biāo)準(zhǔn)對標(biāo)。

以下是針對現(xiàn)場運(yùn)行的直流充電機(jī)進(jìn)行了一體化直流電能表改造后的現(xiàn)場測試數(shù)據(jù)：

表1 不同充電機(jī)改造后檢測數(shù)據(jù)

表2 充電機(jī)實負(fù)荷、虛負(fù)荷檢測數(shù)據(jù)

在解決了法制計量可靠性，測量重復(fù)性和準(zhǔn)確度可管控的主要問題之后，一體化直流電能表在設(shè)計上還進(jìn)一步考慮了依托大數(shù)據(jù)分析，物聯(lián)網(wǎng)平臺開展大數(shù)據(jù)學(xué)習(xí)、算法建模、優(yōu)化、迭代來進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)比對，以達(dá)到遠(yuǎn)程誤差監(jiān)控的功能。

降低運(yùn)維和檢測人員跑現(xiàn)場的頻次，減少因現(xiàn)場檢測的誤操作帶來的人為不確定因素，大大提升檢測效率，減少檢測成本。

一體化直流表增加專用高速數(shù)據(jù)傳輸通道，保證在原有功能的基礎(chǔ)上，將現(xiàn)場更豐富的數(shù)據(jù)快速傳輸?shù)轿锫?lián)網(wǎng)平臺。同時，為數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸提供信息安全保證，提供數(shù)據(jù)加密，計費(fèi)結(jié)算賬單簽名等可配置功能做擴(kuò)展，兼容現(xiàn)有充電機(jī)的同時，為今后的擴(kuò)展功能提供了可能性。

從而實現(xiàn)了直流電能表- 充電機(jī)- 檢定儀- 平臺信號互聯(lián)互通、數(shù)據(jù)加密、授權(quán)解鎖并保留使用記錄，防止篡改、非授權(quán)使用，支持?jǐn)?shù)據(jù)回溯驗證。打破傳統(tǒng)線下檢定概念，響應(yīng)新形勢、新技術(shù)支撐的數(shù)字化平臺的要求，通過運(yùn)行日志采集上報、告警異常運(yùn)營策略配置、工單巡檢聯(lián)動機(jī)制達(dá)到大幅減少派工單即可完成檢定任務(wù)的目標(biāo)。

圖2充電樁計量數(shù)據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)

四、發(fā)展趨勢

2020 年12 月17 日國家市場監(jiān)管總局下發(fā)了《關(guān)于浙江省市場監(jiān)管局開展電動汽車充電樁檢定新模式試點的批復(fù)》（國市監(jiān)計量函〔2020〕502 號），同意杭州市開展電動汽車充電樁檢定新模式試點，探索電動汽車充電樁遠(yuǎn)程實時在線監(jiān)測等檢定新模式，為全國正式實施電動汽車充電樁強(qiáng)制檢定提供經(jīng)驗。結(jié)合數(shù)字中國建設(shè)，圍繞數(shù)字技術(shù)賦能能源轉(zhuǎn)型；通過大數(shù)據(jù)、軟件化、相融合的方案規(guī)劃；推進(jìn)行業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型，提升行業(yè)的信息化、數(shù)字化水平。

目前該試點方案正在進(jìn)一步向全國范圍內(nèi)推廣并取得了一定的效果，為現(xiàn)場充電機(jī)的檢定工作能在2023 年順利開展提供了可行方案。

依托在杭州試點的工作積累，為國內(nèi)在非車載充電機(jī)的檢定規(guī)程修訂提供了具體數(shù)據(jù)、實施方法及測試結(jié)果評定的依據(jù)。

充電機(jī)的檢測及檢定工作不僅是國內(nèi)也是國際上面臨的新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)，亟待國際化的統(tǒng)一規(guī)范和需求。恰逢2021 年5月OIML（國際計量組織）在歷經(jīng)五年（從2016 年始）的充電樁、充電機(jī)檢定問題上的討論未果，迫于市場和監(jiān)管機(jī)構(gòu)的需求緊迫性，決定為這個項目成立一個專門的工作組開展工作。

該工作組于 2021 年 10 月成立，并于2021 年12 月底就完成了充電樁、充電機(jī)國際指南的草稿版V020。這份獨立的 OIML出版物允許對電動汽車充電的獨特方面進(jìn)行特定的處理、例如交易的直接銷售性質(zhì)、傳遞測量結(jié)果的方式以及電流隨時間變化的典型負(fù)荷。而該項工作，在杭州試點的項目上已經(jīng)得到了很好的應(yīng)用與實際操作經(jīng)驗。

2022 年2 月在中國計量院的牽頭帶領(lǐng)下，把一體化直流電能表的經(jīng)驗反饋到這份國際指南上，得到了國際計量組織的認(rèn)可和采納。經(jīng)過半年的討論、修改指南G22 版本于2022 年9 月中旬正式發(fā)布。這也意味著我國對充電樁在檢測和檢定方面經(jīng)驗得到了國際社會的普遍認(rèn)可，設(shè)計可以對標(biāo)國際化要求，為該產(chǎn)業(yè)在全球的推廣奠定了基礎(chǔ)。

▌文章內(nèi)容技術(shù)支持：孟娟，現(xiàn)擔(dān)任浙江瑞銀電子有限公司總工程師。長期從事電能檢測及計量的相關(guān)開發(fā)及研究工作。

審核編輯 黃宇