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為實(shí)現(xiàn)直流充電機(jī)充電樁電能表的現(xiàn)場快速檢測，本文設(shè)計了一套基于磁調(diào)制器原理的大功率直流充電機(jī)充電計量裝置現(xiàn)場檢測裝置。
 
在分析了磁調(diào)制器的物理原理的基礎(chǔ)上介紹了電流的測量方法和電路原理，并介紹了電壓、MCU主控模塊、脈沖模塊及通訊模塊的測量、設(shè)計原理，從而給出了完整的直流充電機(jī)充電樁電能表現(xiàn)場檢測裝置的設(shè)計方案。最后通過實(shí)驗(yàn)室檢測的方法驗(yàn)證了該裝置的準(zhǔn)確度，為直流充電機(jī)充電樁的現(xiàn)場快速檢測提供了新的設(shè)計思路。
 
隨著新能源汽車的快速推廣，電動汽車充電機(jī)充電配套設(shè)施的建設(shè)也進(jìn)入了快速發(fā)展階段[1-2]，但同時，國內(nèi)對于電動汽車充電機(jī)充電計量設(shè)備的現(xiàn)場檢測技術(shù)還停留在實(shí)驗(yàn)室對充電機(jī)充電計量設(shè)備進(jìn)行校驗(yàn)的階段[3]，且進(jìn)行研究的企業(yè)不多，研發(fā)深度不足，缺少適用于計量機(jī)構(gòu)和電力單位進(jìn)行測量的設(shè)備。
 
另外，對于電動車充電機(jī)充電樁的現(xiàn)場校驗(yàn)，國內(nèi)還沒有出現(xiàn)此類產(chǎn)品，而隨著充電機(jī)充電設(shè)備的增多，越來越多的充電機(jī)充電計量設(shè)備必須在規(guī)定的時間內(nèi)進(jìn)行校驗(yàn)，又因?yàn)槌潆姍C(jī)充電樁的不可移動性，所以現(xiàn)場校驗(yàn)充電機(jī)充電計量設(shè)備就變的非常必要。
 
直流充電機(jī)充電樁因其快速充電機(jī)充電的特性更適用于社會車輛充電機(jī)充電，具有較高的實(shí)用價值，使用更加普及的同時也帶來了無法高精度檢測直流電流的問題。
 
現(xiàn)場環(huán)境下需檢測的電流范圍為0.2~300A，測量精度為0.05級，傳統(tǒng)的霍爾傳感器、分流器都不符合測量要求。
 
本文基于磁調(diào)制器原理[4-11]設(shè)計了一套大功率直流充電機(jī)充電樁計量裝置現(xiàn)場檢測裝置，磁調(diào)制器的測量精度最高可達(dá)10-6，符合測量要求，該裝置能夠廣泛應(yīng)用于計量機(jī)構(gòu)和電力單位。
 
1 檢測裝置設(shè)計方案與工作原理
 
1.1檢測裝置設(shè)計方案
 
大功率直流充電機(jī)充電計量裝置現(xiàn)場檢測裝置的檢測方法如圖1所示，將檢測裝置作為標(biāo)準(zhǔn)直流電能表串連到充電機(jī)充電樁和充電機(jī)充電汽車（負(fù)載）中間，通過充電機(jī)充電槍接口模塊對電流、電壓信號進(jìn)行采樣并與脈沖模塊接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，從而計算出直流電能表的誤差。
 
圖1大功率直流充電機(jī)充電計量裝置現(xiàn)場檢測裝置校驗(yàn)方法


 
1.2檢測裝置工作原理
 
數(shù)據(jù)采樣與傳輸示意圖如圖2所示，電壓、電流采樣模塊將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給電能計量模塊，該模塊將數(shù)據(jù)處理后發(fā)送給脈沖比較模塊和MCU主控模塊。電能脈沖比較模塊通過脈沖接口與直流充電機(jī)充電樁電能表數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而計算出直流充電機(jī)充電樁電能表的誤差。
 
圖2數(shù)據(jù)采樣與傳輸示意圖


 
2電流測量原理與信號調(diào)理電路設(shè)計
 
2.1基于磁調(diào)制器原理的電流互感器設(shè)計
 
直流電流采用基于磁調(diào)制器原理的高精度直流電流互感器進(jìn)行測量，磁調(diào)制器是利用軟磁材料磁化曲線對稱非線性特征所構(gòu)成的一種飽和電抗器裝置[9]。
 
其原理如圖3所示，在閉合鐵心上有三個繞組，WS為交流勵磁繞組，W1為一次被測電流繞組，W2為二次平衡繞組，其電流已知或者是比較容易測量[5]。
 
當(dāng)一次側(cè)電流繞組中無電流時，閉合鐵心中僅含有奇次諧波，二次平衡繞組中亦僅含有奇次諧波。
 
當(dāng)一次側(cè)電流繞組中有電流時，閉合鐵心中不單含有奇次諧波，還新產(chǎn)生了偶次諧波，二次繞組也同樣如此。
 
即，一次側(cè)電流繞組中有無電流信號對奇次諧波影響不大，而與偶次諧波的相位關(guān)系密切，所以，可用任一偶次諧波來測量電流信號的強(qiáng)度。
 
圖3高精度直流電流互感器原理圖


 
2.2直流電流信號調(diào)理原理設(shè)計
 
直流電流信號調(diào)理原理設(shè)計如圖4所示，除電流互感器外還采用低溫漂精密電阻作為采樣電阻，在其兩側(cè)并聯(lián)一個放電管，放電電壓設(shè)置為小于等于低壓側(cè)允許的最大電壓，其目的是防止出現(xiàn)的過電壓對后續(xù)ADC電路產(chǎn)生影響。
 
圖4直流電流信號調(diào)理原理圖設(shè)計


 
3電壓測量設(shè)計
 
直流電壓采用精密電阻分壓傳感器進(jìn)行測量，其信號調(diào)理原理如圖5所示，分壓電阻選擇相同材料的高精度低溫漂電阻，在該電阻兩側(cè)并聯(lián)一個放電管，放電電壓設(shè)置為小于等于低壓側(cè)允許的最大電壓，其目的是防止出現(xiàn)的過電壓對后續(xù)ADC電路的影響。
 
圖5直流電壓信號調(diào)理原理圖設(shè)計

 
4模塊設(shè)計
 
4.1MCU主控模塊
 
MCU主控模塊選擇ADI公司研制的SHARC系列處理器ADSP-21483。該DSP采用LQFP封裝，外形尺寸更小的同時引腳數(shù)量更多，豐富的外設(shè)接口使使用更加便捷，且其強(qiáng)大的計算能力能夠保證實(shí)時測量的電參量準(zhǔn)確度達(dá)到0.05級。
 
4.2脈沖模塊設(shè)計
 
脈沖輸入信號原理設(shè)計如圖6所示。輸入信號線上串聯(lián)正溫度系數(shù)熱敏電阻作為一級保護(hù)，兩個二極管并聯(lián)在電源端和地端，作為二級保護(hù)，保證輸入信號不會超過后續(xù)電路的電壓輸入范圍。上拉100k電阻使得在沒有信號輸入時有一個可靠的電平，用1nF電容對信號進(jìn)行濾波，后續(xù)的施密特觸發(fā)電路用來調(diào)整信號整形，防止信號線路上的干擾引起的誤觸發(fā)。
 
圖6 脈沖輸入信號原理圖


 
4.3通訊模塊設(shè)計
 
CAN通信接口原理設(shè)計如圖7所示。為了裝置系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，CAN通信接口和MCU主控模塊之間采用光電耦合器進(jìn)行電氣隔離。
 
圖7 CAN通信接口原理圖


 
RS232通信接口原理設(shè)計如圖8所示。RS232通信接口和MCU主控模塊之間同樣采用光電耦合器進(jìn)行電氣隔離。TTL電平端直接通過光電耦合器和MCU主控模塊進(jìn)行連接，RS232電平端線路上通過串聯(lián)100Ω電阻進(jìn)行限流保護(hù)，通過串聯(lián)磁珠濾除高頻干擾，通過并聯(lián)TVS管進(jìn)行接口保護(hù)。
 
圖8  RS232通信接口原理圖


 
5電氣安全設(shè)計
 
本裝置工作在直流充電機(jī)充電站，最高可測量1000V電壓和300A電流，電壓、電流均超過人體安全值，因此需使用有效措施保證設(shè)備使用的電氣安全。
 
被檢電壓、電流接入本裝置時采用標(biāo)準(zhǔn)直流充電機(jī)充電機(jī)充電機(jī)充電接口，符合GBT20234.3-2015標(biāo)準(zhǔn)，保證了電壓、電流接入時的電氣安全；操作部分與測量部分采用隔離設(shè)計，隔離電壓為1500VDC，保證了在高電壓測量時的電氣安全；采用非接觸式穿心互感器測量電流，無接觸器等機(jī)械觸點(diǎn)，安全性高；CAN通信接口、RS232接口與主控模塊之間采用光耦進(jìn)行電氣隔離以確保設(shè)備內(nèi)部的電氣安全。
 
6實(shí)驗(yàn)結(jié)果
 
本文設(shè)計的現(xiàn)場檢測裝置的電壓、電流、電能準(zhǔn)確度均為0.05級，為驗(yàn)證其準(zhǔn)確度是否符合設(shè)計要求，在實(shí)驗(yàn)室中對其進(jìn)行檢測。檢測結(jié)果見表1，記錄了多個計量點(diǎn)的電能誤差。
 
表1標(biāo)準(zhǔn)電能表誤差

 
檢測結(jié)果表明，該現(xiàn)場檢測裝置的準(zhǔn)確度等級符合0.05級設(shè)計要求。
 
7結(jié)論
 
本文設(shè)計了一套基于磁調(diào)制器原理的大功率直流充電機(jī)充電計量裝置現(xiàn)場檢測裝置，介紹了磁調(diào)制器的物理原理，并介紹了電流、電壓的檢測原理與電路設(shè)計，最后介紹了主控模塊、脈沖模塊、通訊模塊的設(shè)計。經(jīng)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證，該裝置準(zhǔn)確度等級達(dá)到了0.05級的設(shè)計要求。
 
利用該現(xiàn)場檢測裝置能夠在現(xiàn)場快速檢測直流充電機(jī)充電樁電能表電流、電壓、電能及計費(fèi)功能的準(zhǔn)確度，保證了電費(fèi)計算的公正性，可廣泛應(yīng)用于各級計量部門和充電機(jī)充電機(jī)使用或制造部門。