摘 要：

針對(duì)電動(dòng)汽車充電樁現(xiàn)場(chǎng)人工檢定存在的工作負(fù)荷大、檢定頻率高以及滯后性等問題，設(shè)計(jì)一種電動(dòng)汽車充電樁在線計(jì)量檢測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)由充電樁在線檢測(cè)模塊、在線檢定監(jiān)管平臺(tái)以及充電服務(wù)運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)組成，在線檢測(cè)模塊安裝在充電樁內(nèi)，上行連接充電服務(wù)運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)和在線檢定主站，下行連接充電樁內(nèi)計(jì)量模塊，同時(shí)采用4G物聯(lián)網(wǎng)通信模塊與充電服務(wù)運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)、主站進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)傳輸。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模充電樁的常態(tài)化檢定，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)充電樁的計(jì)量異常或收費(fèi)異常，解決了傳統(tǒng)檢定方式滯后性的問題。

關(guān)鍵詞：

電動(dòng)汽車充電樁; 在線檢定系統(tǒng); 在線檢測(cè)模塊; 在線檢定監(jiān)管平臺(tái)

中圖分類號(hào)： TM910.6

文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A

文章編號(hào)： 2095-8188（2024）09-0071-06

DOI：

10.16628/j.cnki.2095-8188.2024.09.011

Research on an Online Measurement and Testing Technology of Charging Pile for Electric Vehicle

ZUO Yong， ZONG Haile， RONG Guocan， LIN Naiqi， ZHANG Xingchao

（Anhui Nanrui Zhongtian Power Electronics Co.， Ltd.， Hefei 230031， China）

Abstract：

In order to solve the problems of large workload， high verification frequency and lag in the manual verification of electric vehicle charging pile， the online measurement and testing system of electric vehicle charging pile is designed.The verification system consists of a charging pile detection module， an online verification supervision platform and a charging service operation management platform.The online detection module is installed in the charging pile， and the uplink is connected with the charging service operation management platform and the online verification master station.The downlink is connected with the metering module in the charging pile.At the same time， 4G Internet of things communication module is used to communicate and transmit data with the charging service operation management platform and the main station.The system can realize the normal verification of the large-scale charging pile， and find the abnormal measurement or charging of the charging pile in time， which solves the problem of lag of the traditional verification method.

Key words：

electric vehicle charging pile; online verification system; online detection module; online verification and supervision platform

0 引 言

隨著新能源產(chǎn)業(yè)的大力發(fā)展，智能交通領(lǐng)域的新能源電動(dòng)汽車相比傳統(tǒng)的燃油汽車具備綠色環(huán)保、節(jié)能以及對(duì)環(huán)境污染影響小等優(yōu)點(diǎn)，近年來在汽車銷售市場(chǎng)獲得大量消費(fèi)者的青睞，其配套的充電設(shè)施等相關(guān)服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也在不斷增加［1-2］。目前投資建設(shè)的充電設(shè)施按照功能和用途可分為直流充電樁、交流充電樁、V2G充電樁和岸電樁4類［3-4］，按照結(jié)構(gòu)形式可分為一體式充電樁和分體式充電樁，按照充電接口數(shù)量可以分為單槍充電樁、雙槍充電樁、三槍/四槍充電樁，其中直流充電樁可直接對(duì)電動(dòng)汽車動(dòng)力電池充電，而交流充電樁則需要借助車載充電機(jī)進(jìn)行充電［5-7］?？紤]實(shí)地試點(diǎn)的使用需求以及規(guī)模等因素，本文主要針對(duì)直流充電樁和交流充電樁進(jìn)行研究分析。

目前，電動(dòng)汽車充電樁的檢定檢測(cè)主要依靠人工現(xiàn)場(chǎng)操作，每個(gè)充電樁一次檢定約需1 h，且充電樁的部署位置大多較為分散，全面進(jìn)行充電樁檢定會(huì)耗費(fèi)大量的人力物力。相關(guān)檢定規(guī)程中要求檢定周期不得超過1 a，且檢定頻率較高。另外，電動(dòng)汽車充電樁仍在以較快的速度增加，這些都導(dǎo)致充電樁檢定工作將會(huì)面臨非常大的工作量。此外，人工檢定還存在滯后性，充電樁一旦出現(xiàn)計(jì)量誤差而未被及時(shí)發(fā)現(xiàn)，則可能會(huì)給消費(fèi)者造成經(jīng)濟(jì)損失［8-9］。因此，設(shè)計(jì)一種能夠代替人工對(duì)充電樁進(jìn)行周期性檢定的設(shè)備，已經(jīng)成為解決高負(fù)荷檢定工作的當(dāng)務(wù)之急。

1 系統(tǒng)組成及原理

遠(yuǎn)程在線檢定系統(tǒng)是可以遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)充電樁在線檢測(cè)模塊的充電數(shù)據(jù)，同時(shí)具有數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)分析處理以及數(shù)據(jù)管理展示等功能的數(shù)據(jù)交互平臺(tái)［10-11］。該系統(tǒng)主要由充電樁在線檢測(cè)模塊、在線檢定監(jiān)管平臺(tái)以及充電服務(wù)運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)組成，主要用于檢定現(xiàn)場(chǎng)的電動(dòng)汽車交流充電樁和非車載充電機(jī)［12］。遠(yuǎn)程在線檢定系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中，充電樁在線檢測(cè)模塊內(nèi)嵌在充電樁內(nèi)部，采用基于“導(dǎo)軌表+互感器”的設(shè)計(jì)方案，實(shí)時(shí)采集充電樁的輸出電壓、輸出電流、電能、溫度等計(jì)量數(shù)據(jù)并上報(bào)至在線檢定監(jiān)管平臺(tái)，同時(shí)運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)將采集到的充電樁計(jì)量數(shù)據(jù)、結(jié)算數(shù)據(jù)等信息上報(bào)給在線檢定監(jiān)管平臺(tái)，在線檢定監(jiān)管平臺(tái)對(duì)接收的檢定數(shù)據(jù)和運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢定判斷并生成檢定結(jié)果，根據(jù)檢定判斷是否超差以及連續(xù)超差次數(shù)，生成一個(gè)核查任務(wù)并派發(fā)至檢定人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢定。

2 試驗(yàn)要求

2.1 環(huán)境條件

遠(yuǎn)程在線檢定系統(tǒng)正常運(yùn)行的環(huán)境溫度為-10～+40 ℃（擴(kuò)展條件為-20～+60 ℃）;相對(duì)濕度要求≤90%;大氣壓強(qiáng)要求63～106 kPa （海拔4 000 m及以下）。

2.2 計(jì)量特性要求

2.2.1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差

利用遠(yuǎn)程在線檢定系統(tǒng)對(duì)在線檢測(cè)模塊與運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)計(jì)算出引用誤差。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)主要包括電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率和溫度等數(shù)據(jù)［13-15］。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差范圍如表1所示。在規(guī)定的檢定條件下，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)誤差應(yīng)滿足表1的規(guī)定。

2.2.2 電能結(jié)算誤差檢定

遠(yuǎn)程在線檢定系統(tǒng)將采集到的電能值與運(yùn)營(yíng)商結(jié)算平臺(tái)提供的電能值進(jìn)行比較，在有效充電行為條件下，被檢充電樁的電能結(jié)算誤差γ為

γ=E′－EE×100+γ0（1）

式中： E′——運(yùn)行商結(jié)算平臺(tái)提供的充電電能;

E——在線檢測(cè)模塊測(cè)量的電能值;

γ0——檢定裝置已定的系統(tǒng)誤差，不需要修正時(shí)γ0＝0。

在線檢測(cè)模塊應(yīng)與被檢充電樁同步運(yùn)行，充電電能＞2 kWh為一次有效充電行為。

利用遠(yuǎn)程在線檢定系統(tǒng)對(duì)在線檢測(cè)模塊與運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)的電能結(jié)算數(shù)據(jù)計(jì)算出相對(duì)誤差。電能結(jié)算誤差范圍如表2所示。電能結(jié)算值計(jì)算誤差應(yīng)滿足表2。

2.2.3 付費(fèi)金額誤差檢定公式

將充電設(shè)施測(cè)得的分時(shí)段電量乘以對(duì)應(yīng)費(fèi)率單價(jià)得到的應(yīng)付金額之和與充電設(shè)施結(jié)算的付費(fèi)金額相比較，以確定付費(fèi)金額誤差，計(jì)算公式為

Ep=Yj－∑ni=1KiΔWxi（2）

式中： Yj——結(jié)算的付費(fèi)金額;

Ep——付費(fèi)金額誤差;

∑ni=1KiΔWxi——充電應(yīng)付金額;

ΔWxi——本次充電屬于費(fèi)率i的電能量;

Ki——費(fèi)率i的單價(jià);

n——費(fèi)率數(shù);

i——費(fèi)率序號(hào)。

遠(yuǎn)程在線檢定系統(tǒng)對(duì)運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)的每筆付費(fèi)金額與根據(jù)單價(jià)和在線檢測(cè)模塊測(cè)得的電能值計(jì)算的應(yīng)付金額之差的絕對(duì)值，不應(yīng)超過最小付費(fèi)金額。

2.2.4 時(shí)鐘誤差檢定

運(yùn)營(yíng)商平臺(tái)提供的充電結(jié)束時(shí)刻與模塊采集到的充電結(jié)束時(shí)刻進(jìn)行比對(duì)，計(jì)算時(shí)鐘示值誤差ΔT，計(jì)算公式為

ΔT=T′－T（3）

式中： T——模塊采集的時(shí)刻;

T′——運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)提供充電結(jié)束時(shí)刻。

試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足首次檢定時(shí)，遠(yuǎn)程在線檢定系統(tǒng)的時(shí)鐘誤差＜5 s;后續(xù)檢定時(shí)，時(shí)鐘誤差＜3 min。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)方案

充電樁遠(yuǎn)程在線檢定系統(tǒng)由充電樁在線檢測(cè)模塊和遠(yuǎn)程在線檢定主站進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、處理、計(jì)量與通信［16-17］。通過安裝在充電樁內(nèi)部的在線檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)采集并上報(bào)充電電能、充電時(shí)間等數(shù)據(jù)并與充電服務(wù)管理商提供的數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)處理，從而完成檢定過程。檢定系統(tǒng)工作原理結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.2 功能設(shè)計(jì)

在線檢測(cè)模塊上行連充電服務(wù)管理平臺(tái)和在線檢定主站，下行連充電樁內(nèi)計(jì)量模塊和電動(dòng)汽車。在線檢測(cè)模塊包括計(jì)量單元、通信單元、存儲(chǔ)單元和數(shù)據(jù)處理單元。計(jì)量單元與充電樁自身的計(jì)量設(shè)備（直流表或交流表）共同連接在當(dāng)前充電樁的負(fù)載上，使用2套計(jì)量方案同時(shí)進(jìn)行電量計(jì)量。通信單元采用4G無線方式與檢定主站通信連接和數(shù)據(jù)傳輸。存儲(chǔ)單元包括EEPROM存儲(chǔ)功能和FLASH存儲(chǔ)功能，用于充電樁在線檢測(cè)模塊的固件程序以及采集或處理生成的數(shù)據(jù)。

在線檢測(cè)模塊內(nèi)部的數(shù)據(jù)處理單元具有數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和日志生成三大功能，通過RS-485接口，獲取計(jì)量的電力數(shù)據(jù)。在線檢測(cè)模塊功能設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

數(shù)據(jù)采集功能用于按照預(yù)設(shè)的采樣周期召測(cè)充電樁在線檢測(cè)模塊的計(jì)量單元數(shù)據(jù)和充電樁內(nèi)電能表的計(jì)量數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元;按日向充電服務(wù)提供商請(qǐng)求獲取當(dāng)日的費(fèi)率標(biāo)準(zhǔn)，并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元;在每次充電服務(wù)結(jié)束后，向充電服務(wù)提供商請(qǐng)求獲取當(dāng)次充電服務(wù)的電量和充電費(fèi)用數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元。數(shù)據(jù)分析功能用于計(jì)算檢定周期內(nèi)計(jì)量模塊和電能表計(jì)量結(jié)果間的第一計(jì)量誤差，在第一計(jì)量誤差超過預(yù)設(shè)的第一計(jì)量誤差閾值時(shí)生成一個(gè)預(yù)警事件并上傳至檢定主站;計(jì)算每次充電服務(wù)時(shí)計(jì)量模塊計(jì)量的電量與充電服務(wù)提供商提供的電量數(shù)據(jù)的第二計(jì)量誤差，在第二計(jì)量誤差超過預(yù)設(shè)的第二計(jì)量誤差閾值時(shí)生成一個(gè)預(yù)警事件并上傳至檢定主站;根據(jù)計(jì)量模塊的計(jì)量結(jié)果和當(dāng)日的費(fèi)率標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算每次充電服務(wù)的參考費(fèi)用，并計(jì)算參考費(fèi)用與充電服務(wù)提供商實(shí)際收取的充電費(fèi)用之間的費(fèi)用誤差，在費(fèi)用誤差超過預(yù)設(shè)的費(fèi)用誤差閾值時(shí)生成一個(gè)預(yù)警事件并上傳至檢定主站。日志生成功能用于根據(jù)數(shù)據(jù)采集單元和數(shù)據(jù)處理單元采集或處理生成的數(shù)據(jù)或事件信息生成當(dāng)日的工作日志，存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元并上傳至檢定主站。

基于樁內(nèi)在線檢測(cè)模塊的充電樁遠(yuǎn)程在線檢定系統(tǒng)通過內(nèi)置的數(shù)據(jù)處理單元采集充電服務(wù)管理平臺(tái)的電量數(shù)據(jù)、費(fèi)用數(shù)據(jù)和費(fèi)率標(biāo)準(zhǔn)，并與計(jì)量模塊的計(jì)量結(jié)果和費(fèi)用統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，從而計(jì)算2者偏差并判斷充電樁的計(jì)量結(jié)果和結(jié)算數(shù)據(jù)是否合格。在此過程中，當(dāng)數(shù)據(jù)采集單元請(qǐng)求獲取當(dāng)日的費(fèi)率標(biāo)準(zhǔn)失敗時(shí)，數(shù)據(jù)分析單元生成一個(gè)對(duì)應(yīng)的預(yù)警事件并上傳至檢定主站;當(dāng)數(shù)據(jù)采集單元請(qǐng)求獲取任意一次的電量和充電費(fèi)用數(shù)據(jù)失敗時(shí)，數(shù)據(jù)分析單元也會(huì)生成一個(gè)對(duì)應(yīng)的預(yù)警事件并上傳至檢定主站。

該系統(tǒng)判定是否觸發(fā)核查任務(wù)的核查條件由檢定單位自主設(shè)定。例如，可在實(shí)施累積的充電樁第一計(jì)量誤差達(dá)到預(yù)設(shè)的第一計(jì)量誤差閾值時(shí)，立刻生成核查任務(wù)并派遣檢定人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行核查;或者在一個(gè)完整的檢定周期內(nèi)，充電樁各次充電服務(wù)對(duì)應(yīng)的電量或費(fèi)用產(chǎn)生的告警事件的頻次超出預(yù)設(shè)的安全閾值時(shí)，立刻生成核查任務(wù)并派遣檢定人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行核查。

3.3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本實(shí)驗(yàn)選取750 V、200 A作為實(shí)驗(yàn)誤差檢定點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)證，通過檢定臺(tái)體設(shè)備讀取樁內(nèi)在線檢測(cè)模塊1 min時(shí)長(zhǎng)內(nèi)的電壓、電流、功率波動(dòng)曲線，更加直觀地展示測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)果。電壓波形如圖4所示;電流波形如圖5所示;功率波形如圖6所示。

為保證在實(shí)驗(yàn)?zāi)M環(huán)境下，正常運(yùn)行的在線檢定系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)真實(shí)環(huán)境保持一致，本實(shí)驗(yàn)分別選取交流在線檢測(cè)模塊、直流在線檢測(cè)模塊各2只，通電后采用4G通信方式主動(dòng)向檢定主站上傳報(bào)文信息，從而獲取在線檢測(cè)模塊的電壓、電流、電能等實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。電壓溯源實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示;電流溯源實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示;電能溯源實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表5所示。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，采用0.2級(jí)霍爾電流傳感器進(jìn)行誤差校準(zhǔn)時(shí)，模塊誤差值均滿足±0.3%的精度要求;采用0.5級(jí)霍爾電流傳感器進(jìn)行誤差校準(zhǔn)時(shí)，模塊誤差值均滿足±0.6%的精度要求。

4 結(jié) 語(yǔ)

本研究提出的遠(yuǎn)程在線檢定系統(tǒng)與傳統(tǒng)人工檢定方式相比，可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模充電樁的常態(tài)化檢定，大幅度降低人工檢定方式的滯后性與檢定人員的工作負(fù)荷，提高工作效率。該檢定系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)充電樁的計(jì)量異?；蚴召M(fèi)異常，減少充電異常給消費(fèi)者造成的經(jīng)濟(jì)損失。

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收稿日期： 2024-06-12