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功率分析仪在电动汽车充电站中的应用

点击次数:152 发布时间:2022-07-07

功率分析仪LMG600系列在电动汽车充电站测试中的应用

以自动化、精确的、可靠的能量测量,为型式试验验证铺平道路
电动汽车数量的不断增加,也驱使着相应的配套基础设施数量不断增长。欧盟绿色协议的目标是,在2025年前达到100万个充电点。这些充电桩必须按照欧洲议会关于发展替代能源基础设施的指令-2014/94/EU中的严格要求进行计费,其中包括“Eichrecht"。这个指令要求充电桩的能量测量要足够精确,尤其是集成在里面的电能表。为了确保成品符合政府/欧盟的要求,建议在产品的研发环节,以合适的方式来验证产品性能指标的符合性,以便为后续强制性型式试验验证做准备。

 

表示的是电网-充电桩-电动汽车之间的连接,和在充电过程中的能量流向。LMG600系列功率分析仪,这样的精确测量能量的仪器,可以被充电桩制造商和第三方检测机构集成于他们的符合性测试平台中。它可以作为型式试验验证的可溯源标准,也是验证充电功能是否正常的工具,在一旦出现疑问的时候。

Figure 1: EV charging station

 

测量设置

 

充电桩通常配备有一个或多个充电插头,类型诸如type 2, CCS, CHAdeMO或其它,来提供交流或直流充电。 集成其中的电能表测量每个插头在整个充电过程中的电能消耗,并将测量值传输给后台用于计费。

典型的示意图如图2所示。

 

Figure 2: EV charging station energy meter structure

 

充电桩的型式试验验证,通过比较整个充电过程中每个充电口对应的电能表数值与参考器具数值,来验证充电桩的电能测量精度。参考器具可以是LMG671这样的功率分析仪,在测试时,它被连接在电能表和电动汽车之间。

3 展示了用LMG671功率分析仪作为参考仪器的测量设置。

 

Figure 3: Measuring setup with LMG671 and PCT current sensor

 

电压和电流信号可以通过接线盒来输入到功率分析仪,这样的优点是接线方便。可能产生的电压降非常下,可以忽略不计。对于交流类型2(AC Type2)充电插头,电流要求不能超过32A,所以可以直接接入功率分析仪。对于电流高达几百安培的快速DC充电,则需要搭配高精度的电流传感器来进行测量,PCT系列的电流传感器基于磁通门技术,精度表现突出。

 

另外,电能表的脉冲输出可以接入功率分析仪LMG671的过程信号接口(PSI)中的开关量输入端口,这使得功率分析仪可以获取整个充电过程中电能表测得的电能量数值。型式试验验证规程测量需要覆盖的最小数值跳跃的最底数量,这对应脉冲的最小数量。这个数值依被测物和测量点的选择而定。充电功率越高,规定的最小脉冲数越高。要不然,观测的时间窗口太短,内部时钟的误差会对测量精度产生负面影响。

全部的能量测量包括充电桩输出能量的爬升阶段和下降阶段,如 4所示。

 

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

 

LMG671的开关量输入端口的采样率是150 kHz,这可以确保电能表输出的脉冲信号被可靠抓取并准确计数。不同的充电功率水平,电能表每千瓦时/kWh对应的脉冲数不同,而LMG671最快的测量周期(数据刷新时间)是10ms(或20ms对于50Hz信号),这使得功率分析仪几乎可以逐个逐个地进行脉冲计数。这一点对于能量积分周期内,准确获取脉冲数而言是至关重要的。

 

LMG600系列功率分析仪提供高精度的交流和直流功率和能量测量,并提供功能,对充电桩进行符合性测试。根据EN 50470-3IEC 61851-23相关标准,在型式检验试验中规定的所有所需信号都将被测量和处理。过程信号接口可以直接并同时捕获安装在充电桩内的多个数字电能表的脉冲输出,以确定其测量的能量。快速且功能强大的千兆以太网接口确保LMG可靠地集成到测试平台中,进行数据交换和数据后处理。ZES ZIMMER提供了一个通用的python脚本用于符合性验证,也可以提供额外的软件工程支持来实现特定的测试平台需求。

 

1 电流必须在任何时候都不能明显超过32A.其它情况下,建议使用电流传感器搭配测量,推荐PCT200.

在特定地应用中(电能表的计量) ,可以将LMG671的测量周期(数据刷新时间)与电能表的脉冲进行同步,来使得功率分析仪和电能表的能量积分时间窗口高度一致。详细情况可阅读我们的另一篇应用文章“用LMG600进行数字直流电能表的计量".

 

测试平台继集成和测量结果评估

 

为了将LMG600功率分析仪完全集成到远程控制的试验台环境中,ZES ZIMMER可根据要求提供涵盖所述自动化验证程序的通用脚本。它提供了一个现成的、文档齐全的python,包括控制接口的闭合和开路、数据的写入、读取等等。我们可以根据用户的特定设置和测试过程提供定制的软件工程支持,包括对结果的后续评估,导出为所需的任何通用格式(CSV导出已经实现)。以下自动化功能可以实现:

  • 数据交换:从LMG600传输所有相关读数和脉冲计数到测试平台主软件。

  • 评价:在整个充电过程中,功率分析仪测量的能量与充电桩电能表测量的能量进行比较和评估。

  • 测量不确定度计算:对于每个测量周期,包括最后一个测量周期,可以计算测量不确定度,以进行最终和相关的偏差评估。

  • 导出结果:将测量和评价结果导出为通用格式。

 

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

 

高精度功率测试仪LMG600的快速千兆以太网接口,确保了LMG与测试平台上位机之间可靠地和快速的数据交换和数据后处理。ZES ZIMMER提供了一个通用的python脚本进行符合性验证,也可以提供额外的软件工程支持来实现用户特定的测试平台集成需求。

 

 测量不确定度

所使用的功率分析仪和电流传感器的组合精度必须很高,否则两者引入的误差将主导充电桩能量计量的整体测量偏差。最终整个测量装置的总偏差计算公式为:

 

Deviation = Deviation + Measuring uncertainty

overall energy meter power analyzer + current sensor

 

这种测量不确定度的考虑甚至可以在充电过程中,基于每个测量点和测量周期进行计算。虽然现在的功率分析仪提供了辅助的量程选择(Auto Range),但这种辅助自动化并不总是有益的。在快速且连续变化的测量点上,例如图4所示的上升和下降阶段,Auto range会导致频繁的量程档位切换,由于量程档位切换需要时间,而切换过程中测量到的数值是不能保证准确性的,所以将出现测量间隙。相应地,一些测量周期无法完成,数据不得不丢弃。在实际中避免该情况的有效措施是使用手动量程(Manual Range)并选择一个固定量程档位,该档位的测量范围上限,可以覆盖测试中可能出现的最大值。

 

这样可以避免量程档位的频繁切换,进而避免了测量间隙的产生。然而,对于充电桩输出功率开始爬升的那些测量点,或者在输出功率下降期的末端测量点,其测量结果的相对误差就高于稳态输出期间的误差。功率分析仪的测量误差通常表示为以下形式: 

 

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

 

在测量周期内确定测量不确定度时必须考虑到这一点,这同样也适用于功率输出下降期。所以下面的参数需要在整个充电过程持续时间内得到优化:

  • 爬升坡度:爬升和下降的坡度越陡峭,他们的持续时间在整个充电周期中的占比就越低。

  • 测量持续时间:电能表脉冲数的最小数值越高,稳态阶段的比重越大,相比于爬升和下降阶段。

 

标准IEC 61851-23对电动汽车直流充电桩提出了规定要求, 包括一些对于爬升坡度最小值的规定,为了让爬升阶段的时间尽可能地短,进而其在整个充电过程测量持续时间内所占地比重,保持在一个合理地数值范围内。

 

LMG600系列功率分析仪可配备A功率模块,给用户提供高精度的直流测量。该设备将提供可溯源到PTB(国家计量研究所)的校准证书,或根据用户要求,提供DAkkS认证的校准证书。

 

功率分析仪LMG600系列在电动汽车充电站测试中的应用

 

  • 带宽: DC, 0.05 Hz  10 MHz

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

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

  • 时间精度± 50 ppm

  • 电压输入300 mV – 1000 Vrms 直接输入 (可用高压分压器来扩展量程-HST)

  • 电流输入500 µA  32 Arms 直接输入 (可用电流传感器来扩展量程-PCT)

 

在计算能量测量的潜在误差时,重要的是要了解仪器如何计算功率和能量,即测量在哪里确切地开始和结束,哪些采样值被包含在测量值中,哪些不包含。只有这样才有可能判断功率分析仪读数背后的值是否与电能表脉冲计数的评估间隔足够匹配。不是所有的制造商对这类信息都是透明的,即使他们是透明的,他们可能不会提供方法来确保功率分析仪和电能表是在完全相同的时间段进行能量值比对。上面提到的通用Python脚本正是这样做的,并确保ZES ZIMMER的高精度功率测试仪LMG600测量和评估具有最大的可实现精度。

 

为了扩展LMG600的电流量程,PCT系列电流传感器(如图6)可以提供*精度并可做到即插即用,如型号的自动识别和变比的自动设定,并且有功率分析仪进行直接供电,非常的方便快捷。PCT系列传感器DC精度最高可到± 0.0035 %,如此小的误差在高精度功率测试仪LMG600内引起的额外电流误差将是极低的。即插即用的PCT传感器可提供丰富的量程,200ADC3000A~2000ADC3000A)或更高

*的直流精度 PCT磁通门传感器: ± 0.0035 %

Figure 6: PCT sensor PCT系列电流传感器

参考系统的每个组成部分(LMG600功率分析仪+ A模块+ PCT磁通门传感器)的高精度为电动汽车充电桩能量计量的测试和认证提供了坚实的基础。通过对LMG600的精细控制,在适用标准的有效框架内,减少或完全避免了对测量不确定度的系统性和原理性影响。对于测试平台集成和型式试验认证审核程序的具体问题,ZES ZIMMER应用专家可提供他们的专业知识支持您。


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