功率分析儀LMG600系列在電動(dòng)汽車充電站測(cè)試中的應(yīng)用

以自動(dòng)化、精確的、可靠的能量測(cè)量，為型式試驗(yàn)驗(yàn)證鋪平道路
電動(dòng)汽車數(shù)量的不斷增加，也驅(qū)使著相應(yīng)的配套基礎(chǔ)設(shè)施數(shù)量不斷增長(zhǎng)。歐盟綠色協(xié)議的目標(biāo)是，在2025年前達(dá)到100萬個(gè)充電點(diǎn)。這些充電樁必須按照歐洲議會(huì)關(guān)于發(fā)展替代能源基礎(chǔ)設(shè)施的指令-2014/94/EU中的嚴(yán)格要求進(jìn)行計(jì)費(fèi)，其中包括“Eichrecht"。這個(gè)指令要求充電樁的能量測(cè)量要足夠精確，尤其是集成在里面的電能表。為了確保成品符合政府/歐盟的要求，建議在產(chǎn)品的研發(fā)環(huán)節(jié)，以合適的方式來驗(yàn)證產(chǎn)品性能指標(biāo)的符合性，以便為后續(xù)強(qiáng)制性型式試驗(yàn)驗(yàn)證做準(zhǔn)備。

圖1 表示的是電網(wǎng)-充電樁-電動(dòng)汽車之間的連接，和在充電過程中的能量流向。LMG600系列功率分析儀，這樣的精確測(cè)量能量的儀器，可以被充電樁制造商和第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)集成于他們的符合性測(cè)試平臺(tái)中。它可以作為型式試驗(yàn)驗(yàn)證的可溯源標(biāo)準(zhǔn)，也是驗(yàn)證充電功能是否正常的工具，在一旦出現(xiàn)疑問的時(shí)候。

Figure 1: EV charging station

測(cè)量設(shè)置

充電樁通常配備有一個(gè)或多個(gè)充電插頭，類型諸如type 2, CCS, CHAdeMO或其它，來提供交流或直流充電。 集成其中的電能表測(cè)量每個(gè)插頭在整個(gè)充電過程中的電能消耗，并將測(cè)量值傳輸給后臺(tái)用于計(jì)費(fèi)。

典型的示意圖如圖2所示。

Figure 2: EV charging station energy meter structure

充電樁的型式試驗(yàn)驗(yàn)證，通過比較整個(gè)充電過程中每個(gè)充電口對(duì)應(yīng)的電能表數(shù)值與參考器具數(shù)值，來驗(yàn)證充電樁的電能測(cè)量精度。參考器具可以是LMG671這樣的功率分析儀，在測(cè)試時(shí)，它被連接在電能表和電動(dòng)汽車之間。

圖3 展示了用LMG671功率分析儀作為參考儀器的測(cè)量設(shè)置。

Figure 3: Measuring setup with LMG671 and PCT current sensor

電壓和電流信號(hào)可以通過接線盒來輸入到功率分析儀，這樣的優(yōu)點(diǎn)是接線方便?？赡墚a(chǎn)生的電壓降非常下，可以忽略不計(jì)。對(duì)于交流類型2（AC Type2）充電插頭，電流要求不能超過32A，所以可以直接接入功率分析儀。對(duì)于電流高達(dá)幾百安培的快速DC充電，則需要搭配高精度的電流傳感器來進(jìn)行測(cè)量，PCT系列的電流傳感器基于磁通門技術(shù)，精度表現(xiàn)突出。

另外，電能表的脈沖輸出可以接入功率分析儀LMG671的過程信號(hào)接口（PSI）中的開關(guān)量輸入端口，這使得功率分析儀可以獲取整個(gè)充電過程中電能表測(cè)得的電能量數(shù)值。型式試驗(yàn)驗(yàn)證規(guī)程測(cè)量需要覆蓋的最小數(shù)值跳躍的最底數(shù)量，這對(duì)應(yīng)脈沖的最小數(shù)量。這個(gè)數(shù)值依被測(cè)物和測(cè)量點(diǎn)的選擇而定。充電功率越高，規(guī)定的最小脈沖數(shù)越高。要不然，觀測(cè)的時(shí)間窗口太短，內(nèi)部時(shí)鐘的誤差會(huì)對(duì)測(cè)量精度產(chǎn)生負(fù)面影響。

全部的能量測(cè)量包括充電樁輸出能量的爬升階段和下降階段，如圖 4所示。

Figure 4: Energy meter pulses captured and energy measured by the LMG600 power analyzer

LMG671的開關(guān)量輸入端口的采樣率是150 kHz，這可以確保電能表輸出的脈沖信號(hào)被可靠抓取并準(zhǔn)確計(jì)數(shù)。不同的充電功率水平，電能表每千瓦時(shí)/kWh對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)不同，而LMG671最快的測(cè)量周期（數(shù)據(jù)刷新時(shí)間）是10ms（或20ms對(duì)于50Hz信號(hào)），這使得功率分析儀幾乎可以逐個(gè)逐個(gè)地進(jìn)行脈沖計(jì)數(shù)。這一點(diǎn)對(duì)于能量積分周期內(nèi)，準(zhǔn)確獲取脈沖數(shù)而言是至關(guān)重要的。

LMG600系列功率分析儀提供高精度的交流和直流功率和能量測(cè)量，并提供功能，對(duì)充電樁進(jìn)行符合性測(cè)試。根據(jù)EN 50470-3和IEC 61851-23相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在型式檢驗(yàn)試驗(yàn)中規(guī)定的所有所需信號(hào)都將被測(cè)量和處理。過程信號(hào)接口可以直接并同時(shí)捕獲安裝在充電樁內(nèi)的多個(gè)數(shù)字電能表的脈沖輸出，以確定其測(cè)量的能量?？焖偾夜δ軓?qiáng)大的千兆以太網(wǎng)接口確保LMG可靠地集成到測(cè)試平臺(tái)中，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)后處理。ZES ZIMMER提供了一個(gè)通用的python腳本用于符合性驗(yàn)證，也可以提供額外的軟件工程支持來實(shí)現(xiàn)特定的測(cè)試平臺(tái)需求。

1 電流必須在任何時(shí)候都不能明顯超過32A.其它情況下，建議使用電流傳感器搭配測(cè)量，推薦PCT200.

2 在特定地應(yīng)用中(電能表的計(jì)量) ，可以將LMG671的測(cè)量周期（數(shù)據(jù)刷新時(shí)間）與電能表的脈沖進(jìn)行同步，來使得功率分析儀和電能表的能量積分時(shí)間窗口高度一致。詳細(xì)情況可閱讀我們的另一篇應(yīng)用文章“用LMG600進(jìn)行數(shù)字直流電能表的計(jì)量".

測(cè)試平臺(tái)繼集成和測(cè)量結(jié)果評(píng)估

為了將LMG600功率分析儀*集成到遠(yuǎn)程控制的試驗(yàn)臺(tái)環(huán)境中，ZES ZIMMER可根據(jù)要求提供涵蓋所述自動(dòng)化驗(yàn)證程序的通用腳本。它提供了一個(gè)現(xiàn)成的、文檔齊全的python，包括控制接口的閉合和開路、數(shù)據(jù)的寫入、讀取等等。我們可以根據(jù)用戶的特定設(shè)置和測(cè)試過程提供定制的軟件工程支持，包括對(duì)結(jié)果的后續(xù)評(píng)估，導(dǎo)出為所需的任何通用格式(CSV導(dǎo)出已經(jīng)實(shí)現(xiàn))。以下自動(dòng)化功能可以實(shí)現(xiàn):

• 數(shù)據(jù)交換：從LMG600傳輸所有相關(guān)讀數(shù)和脈沖計(jì)數(shù)到測(cè)試平臺(tái)主軟件。

• 評(píng)價(jià)：在整個(gè)充電過程中，功率分析儀測(cè)量的能量與充電樁電能表測(cè)量的能量進(jìn)行比較和評(píng)估。

• 測(cè)量不確定度計(jì)算：對(duì)于每個(gè)測(cè)量周期，包括最后一個(gè)測(cè)量周期，可以計(jì)算測(cè)量不確定度，以進(jìn)行最終和相關(guān)的偏差評(píng)估。

• 導(dǎo)出結(jié)果：將測(cè)量和評(píng)價(jià)結(jié)果導(dǎo)出為通用格式。

Figure 5: Example of python script with export of measurement data and evaluation results

高精度功率測(cè)試儀LMG600的快速千兆以太網(wǎng)接口，確保了LMG與測(cè)試平臺(tái)上位機(jī)之間可靠地和快速的數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)后處理。ZES ZIMMER提供了一個(gè)通用的python腳本進(jìn)行符合性驗(yàn)證，也可以提供額外的軟件工程支持來實(shí)現(xiàn)用戶特定的測(cè)試平臺(tái)集成需求。

 測(cè)量不確定度

所使用的功率分析儀和電流傳感器的組合精度必須很高，否則兩者引入的誤差將主導(dǎo)充電樁能量計(jì)量的整體測(cè)量偏差。最終整個(gè)測(cè)量裝置的總偏差計(jì)算公式為:

Deviation = Deviation + Measuring uncertainty

overall energy meter power analyzer + current sensor

這種測(cè)量不確定度的考慮甚至可以在充電過程中，基于每個(gè)測(cè)量點(diǎn)和測(cè)量周期進(jìn)行計(jì)算。雖然現(xiàn)在的功率分析儀提供了輔助的量程選擇(Auto Range)，但這種輔助自動(dòng)化并不總是有益的。在快速且連續(xù)變化的測(cè)量點(diǎn)上，例如圖4所示的上升和下降階段，Auto range會(huì)導(dǎo)致頻繁的量程檔位切換，由于量程檔位切換需要時(shí)間，而切換過程中測(cè)量到的數(shù)值是不能保證準(zhǔn)確性的，所以將出現(xiàn)測(cè)量間隙。相應(yīng)地，一些測(cè)量周期無法完成，數(shù)據(jù)不得不丟棄。在實(shí)際中避免該情況的有效措施是使用手動(dòng)量程（Manual Range）并選擇一個(gè)固定量程檔位，該檔位的測(cè)量范圍上限，可以覆蓋測(cè)試中可能出現(xiàn)的最大值。

這樣可以避免量程檔位的頻繁切換，進(jìn)而避免了測(cè)量間隙的產(chǎn)生。然而，對(duì)于充電樁輸出功率開始爬升的那些測(cè)量點(diǎn)，或者在輸出功率下降期的末端測(cè)量點(diǎn)，其測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差就高于穩(wěn)態(tài)輸出期間的誤差。功率分析儀的測(cè)量誤差通常表示為以下形式： 

power error tolerance = ± (% of power reading + % of power range)

在測(cè)量周期內(nèi)確定測(cè)量不確定度時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)，這同樣也適用于功率輸出下降期。所以下面的參數(shù)需要在整個(gè)充電過程持續(xù)時(shí)間內(nèi)得到優(yōu)化：

• 爬升坡度：爬升和下降的坡度越陡峭，他們的持續(xù)時(shí)間在整個(gè)充電周期中的占比就越低。

• 測(cè)量持續(xù)時(shí)間：電能表脈沖數(shù)的最小數(shù)值越高，穩(wěn)態(tài)階段的比重越大，相比于爬升和下降階段。

標(biāo)準(zhǔn)IEC 61851-23對(duì)電動(dòng)汽車直流充電樁提出了規(guī)定要求， 包括一些對(duì)于爬升坡度最小值的規(guī)定，為了讓爬升階段的時(shí)間盡可能地短，進(jìn)而其在整個(gè)充電過程測(cè)量持續(xù)時(shí)間內(nèi)所占地比重，保持在一個(gè)合理地?cái)?shù)值范圍內(nèi)。

LMG600系列功率分析儀可配備A功率模塊，給用戶提供高精度的直流測(cè)量。該設(shè)備將提供可溯源到PTB(國(guó)家計(jì)量研究所)的校準(zhǔn)證書，或根據(jù)用戶要求，提供DAkkS認(rèn)證的校準(zhǔn)證書。

功率分析儀LMG600系列在電動(dòng)汽車充電站測(cè)試中的應(yīng)用

• 帶寬: DC, 0.05 Hz … 10 MHz

• DC 功率精度 (*): ± (0.032 % * 讀數(shù) + 0.06 % * 量程)

• AC 功率精度 (45 Hz…65 Hz): ± (0.015 % * 讀數(shù) + 0.01 % * 量程)

• 時(shí)間精度: ± 50 ppm

• 電壓輸入: 300 mV – 1000 Vrms 直接輸入 (可用高壓分壓器來擴(kuò)展量程-HST)

• 電流輸入: 500 µA – 32 Arms 直接輸入 (可用電流傳感器來擴(kuò)展量程-PCT)

在計(jì)算能量測(cè)量的潛在誤差時(shí)，重要的是要了解儀器如何計(jì)算功率和能量，即測(cè)量在哪里確切地開始和結(jié)束，哪些采樣值被包含在測(cè)量值中，哪些不包含。只有這樣才有可能判斷功率分析儀讀數(shù)背后的值是否與電能表脈沖計(jì)數(shù)的評(píng)估間隔足夠匹配。不是所有的制造商對(duì)這類信息都是透明的，即使他們是透明的，他們可能不會(huì)提供方法來確保功率分析儀和電能表是在*相同的時(shí)間段進(jìn)行能量值比對(duì)。上面提到的通用Python腳本正是這樣做的，并確保ZES ZIMMER的高精度功率測(cè)試儀LMG600測(cè)量和評(píng)估具有最大的可實(shí)現(xiàn)精度。

為了擴(kuò)展LMG600的電流量程，PCT系列電流傳感器（如圖6）可以提供*精度并可做到即插即用，如型號(hào)的自動(dòng)識(shí)別和變比的自動(dòng)設(shè)定，并且有功率分析儀進(jìn)行直接供電，非常的方便快捷。PCT系列傳感器DC精度最高可到± 0.0035 %，如此小的誤差在高精度功率測(cè)試儀LMG600內(nèi)引起的額外電流誤差將是極低的。即插即用的PCT傳感器可提供豐富的量程，200A（DC3000A）~2000A（DC3000A）或更高

*的直流精度 PCT磁通門傳感器: ± 0.0035 %

Figure 6: PCT sensor PCT系列電流傳感器

參考系統(tǒng)的每個(gè)組成部分(LMG600功率分析儀+ A模塊+ PCT磁通門傳感器)的高精度為電動(dòng)汽車充電樁能量計(jì)量的測(cè)試和認(rèn)證提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過對(duì)LMG600的精細(xì)控制，在適用標(biāo)準(zhǔn)的有效框架內(nèi)，減少或*避免了對(duì)測(cè)量不確定度的系統(tǒng)性和原理性影響。對(duì)于測(cè)試平臺(tái)集成和型式試驗(yàn)認(rèn)證審核程序的具體問題，ZES ZIMMER應(yīng)用專家可提供他們的專業(yè)知識(shí)支持您。