功率分析儀LMG600系列在電動汽車充電站測試中的應(yīng)用
以自動化、精確的、可靠的能量測量，為型式試驗驗證鋪平道路
電動汽車數(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。歐盟綠色協(xié)議的目標(biāo)是，在2025年前達(dá)到100萬個充電點。這些充電樁必須按照歐洲議會關(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)行計費，其中包括“Eichrecht"。這個指令要求充電樁的能量測量要足夠精確，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)制性型式試驗驗證做準(zhǔn)備。
圖1 表示的是電網(wǎng)-充電樁-電動汽車之間的連接，和在充電過程中的能量流向。LMG600系列功率分析儀，這樣的精確測量能量的儀器，可以被充電樁制造商和第三方檢測機(jī)構(gòu)集成于他們的符合性測試平臺中。它可以作為型式試驗驗證的可溯源標(biāo)準(zhǔn)，也是驗證充電功能是否正常的工具，在一旦出現(xiàn)疑問的時候。
Figure 1: EV charging station
測量設(shè)置
充電樁通常配備有一個或多個充電插頭，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量每個插頭在整個充電過程中的電能消耗，并將測量值傳輸給后臺用于計費。
典型的示意圖如圖2所示。
Figure 2: EV charging station energy meter structure
充電樁的型式試驗驗證，通過比較整個充電過程中每個充電口對應(yīng)的電能表數(shù)值與參考器具數(shù)值，來驗證充電樁的電能測量精度。參考器具可以是LMG671這樣的功率分析儀，在測試時，它被連接在電能表和電動汽車之間。
圖3 展示了用LMG671功率分析儀作為參考儀器的測量設(shè)置。
Figure 3: Measuring setup with LMG671 and PCT current sensor
電壓和電流信號可以通過接線盒來輸入到功率分析儀，這樣的優(yōu)點是接線方便。可能產(chǎn)生的電壓降非常下，可以忽略不計。對于交流類型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充電過程中電能表測得的電能量數(shù)值。型式試驗驗證規(guī)程測量需要覆蓋的最小數(shù)值跳躍的最底數(shù)量，這對應(yīng)脈沖的最小數(shù)量。這個數(shù)值依被測物和測量點的選擇而定。充電功率越高，規(guī)定的最小脈沖數(shù)越高。要不然，觀測的時間窗口太短，內(nèi)部時鐘的誤差會對測量精度產(chǎn)生負(fù)面影響。
全部的能量測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被可靠抓取并準(zhǔn)確計數(shù)。不同的充電功率水平，電能表每千瓦時/kWh對應(yīng)的脈沖數(shù)不同，而LMG671最快的測量周期（數(shù)據(jù)刷新時間）是10ms（或20ms對于50Hz信號），這使得功率分析儀幾乎可以逐個逐個地進(jìn)行脈沖計數(shù)。這一點對于能量積分周期內(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量，并提供功能，對充電樁進(jìn)行符合性測試。根據(jù)EN 50470-3和IEC 61851-23相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，在型式檢驗試驗中規(guī)定的所有所需信號都將被測量和處理。過程信號接口可以直接并同時捕獲安裝在充電樁內(nèi)的多個數(shù)字電能表的脈沖輸出，以確定其測量的能量。快速且功能強(qiáng)大的千兆以太網(wǎng)接口確保LMG可靠地集成到測試平臺中，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換和數(shù)據(jù)后處理。ZES ZIMMER提供了一個通用的python腳本用于符合性驗證，也可以提供額外的軟件工程支持來實現(xiàn)特定的測試平臺需求。
1 電流必須在任何時候都不能明顯超過32A.其它情況下，建議使用電流傳感器搭配測量，推薦PCT200.
2 在特定地應(yīng)用中(電能表的計量) ，可以將LMG671的測量周期（數(shù)據(jù)刷新時間）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)字直流電能表的計量".
測試平臺繼集成和測量結(jié)果評估
為了將LMG600功率分析儀*集成到遠(yuǎn)程控制的試驗臺環(huán)境中，ZES ZIMMER可根據(jù)要求提供涵蓋所述自動化驗證程序的通用腳本。它提供了一個現(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)置和測試過程提供定制的軟件工程支持，包括對結(jié)果的后續(xù)評估，導(dǎo)出為所需的任何通用格式(CSV導(dǎo)出已經(jīng)實現(xiàn))。以下自動化功能可以實現(xiàn):
數(shù)據(jù)交換：從LMG600傳輸所有相關(guān)讀數(shù)和脈沖計數(shù)到測試平臺主軟件。
評價：在整個充電過程中，功率分析儀測量的能量與充電樁電能表測量的能量進(jìn)行比較和評估。
測量不確定度計算：對于每個測量周期，包括最后一個測量周期，可以計算測量不確定度，以進(jìn)行最終和相關(guān)的偏差評估。
導(dǎo)出結(jié)果：將測量和評價結(jié)果導(dǎo)出為通用格式。
Figure 5: Example of python script with export of measurement data and evaluation results
高精度功率測試儀LMG600的快速千兆以太網(wǎng)接口，確保了LMG與測試平臺上位機(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提供了一個通用的python腳本進(jìn)行符合性驗證，也可以提供額外的軟件工程支持來實現(xiàn)用戶特定的測試平臺集成需求。
測量不確定度
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)充電樁能量計量的整體測量偏差。最終整個測量裝置的總偏差計算公式為:
Deviation = Deviation + Measuring uncertainty
overall energy meter power analyzer + current sensor
這種測量不確定度的考慮甚至可以在充電過程中，基于每個測量點和測量周期進(jìn)行計算。雖然現(xiàn)在的功率分析儀提供了輔助的量程選擇(Auto Range)，但這種輔助自動化并不總是有益的。在快速且連續(xù)變化的測量點上，例如圖4所示的上升和下降階段，Auto range會導(dǎo)致頻繁的量程檔位切換，由于量程檔位切換需要時間，而切換過程中測量到的數(shù)值是不能保證準(zhǔn)確性的，所以將出現(xiàn)測量間隙。相應(yīng)地，一些測量周期無法完成，數(shù)據(jù)不得不丟棄。在實際中避免該情況的有效措施是使用手動量程（Manual Range）并選擇一個固定量程檔位，該檔位的測量范圍上限，可以覆蓋測試中可能出現(xiàn)的最大值。
這樣可以避免量程檔位的頻繁切換，進(jìn)而避免了測量間隙的產(chǎn)生。然而，對于充電樁輸出功率開始爬升的那些測量點，或者在輸出功率下降期的末端測量點，其測量結(jié)果的相對誤差就高于穩(wěn)態(tài)輸出期間的誤差。功率分析儀的測量誤差通常表示為以下形式：
power error tolerance = ± (% of power reading + % of power range)
在測量周期內(nèi)確定測量不確定度時必須考慮到這一點，這同樣也適用于功率輸出下降期。所以下面的參數(shù)需要在整個充電過程持續(xù)時間內(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)時間在整個充電周期中的占比就越低。
測量持續(xù)時間：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對電動汽車直流充電樁提出了規(guī)定要求， 包括一些對于爬升坡度最小值的規(guī)定，為了讓爬升階段的時間盡可能地短，進(jìn)而其在整個充電過程測量持續(xù)時間內(nèi)所占地比重，保持在一個合理地數(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量。該設(shè)備將提供可溯源到PTB(國家計量研究所)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系列在電動汽車充電站測試中的應(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)
在計算能量測量的潛在誤差時，重要的是要了解儀器如何計算功率和能量，即測量在哪里確切地開始和結(jié)束，哪些采樣值被包含在測量值中，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數(shù)的評估間隔足夠匹配。不是所有的制造商對這類信息都是透明的，即使他們是透明的，他們可能不會提供方法來確保功率分析儀和電能表是在*相同的時間段進(jìn)行能量值比對。上面提到的通用Python腳本正是這樣做的，并確保ZES ZIMMER的高精度功率測試儀LMG600測量和評估具有最大的可實現(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，如型號的自動識別和變比的自動設(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)的高精度為電動汽車充電樁能量計量的測試和認(rèn)證提供了堅實的基礎(chǔ)。通過對LMG600的精細(xì)控制，在適用標(biāo)準(zhǔn)的有效框架內(nèi)，減少或*避免了對測量不確定度的系統(tǒng)性和原理性影響。對于測試平臺集成和型式試驗認(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)知識支持您。
