功率分析儀LMG600系列在電動(dòng)汽車(chē)充電站測試中的應用
以自動(dòng)化、精確的、可靠的能量測量，為型式試驗驗證鋪平道路
電動(dòng)汽車(chē)數量的不斷增加，也驅使著(zhù)相應的配套基礎設施數量不斷增長(cháng)。歐盟綠色協(xié)議的目標是，在2025年前達到100萬(wàn)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)展替代能源基礎設施的指令-2014/94/EU中的嚴格要求進(jìn)行計費，其中包括“Eichrecht"。這個(gè)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，以合適的方式來(lái)驗證產(chǎn)品性能指標的符合性，以便為后續強制性型式試驗驗證做準備。
圖1 表示的是電網(wǎng)-充電樁-電動(dòng)汽車(chē)之間的連接，和在充電過(guò)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構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準，也是驗證充電功能是否正常的工具，在一旦出現疑問(wèn)的時(shí)候。
Figure 1: EV charging station
測量設置
充電樁通常配備有一個(gè)或多個(gè)充電插頭，類(lèi)型諸如type 2, CCS, CHAdeMO或其它，來(lái)提供交流或直流充電。 集成其中的電能表測量每個(gè)插頭在整個(gè)充電過(guò)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(guò)比較整個(gè)充電過(guò)程中每個(gè)充電口對應的電能表數值與參考器具數值，來(lái)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(shí)，它被連接在電能表和電動(dòng)汽車(chē)之間。
圖3 展示了用LMG671功率分析儀作為參考儀器的測量設置。
Figure 3: Measuring setup with LMG671 and PCT current sensor
電壓和電流信號可以通過(guò)接線(xiàn)盒來(lái)輸入到功率分析儀，這樣的優(yōu)點(diǎn)是接線(xiàn)方便?？赡墚a(chǎn)生的電壓降非常下，可以忽略不計。對于交流類(lèi)型2（AC Type2）充電插頭，電流要求不能超過(guò)32A，所以可以直接接入功率分析儀。對于電流高達幾百安培的快速DC充電，則需要搭配高精度的電流傳感器來(lái)進(jìn)行測量，PCT系列的電流傳感器基于磁通門(mén)技術(shù)，精度表現突出。
另外，電能表的脈沖輸出可以接入功率分析儀LMG671的過(guò)程信號接口（PSI）中的開(kāi)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(guò)程中電能表測得的電能量數值。型式試驗驗證規程測量需要覆蓋的最小數值跳躍的最底數量，這對應脈沖的最小數量。這個(gè)數值依被測物和測量點(diǎn)的選擇而定。充電功率越高，規定的最小脈沖數越高。要不然，觀(guān)測的時(shí)間窗口太短，內部時(shí)鐘的誤差會(huì )對測量精度產(chǎn)生負面影響。
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(kāi)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確計數。不同的充電功率水平，電能表每千瓦時(shí)/kWh對應的脈沖數不同，而LMG671最快的測量周期（數據刷新時(shí)間）是10ms（或20ms對于50Hz信號），這使得功率分析儀幾乎可以逐個(gè)逐個(gè)地進(jìn)行脈沖計數。這一點(diǎn)對于能量積分周期內，準確獲取脈沖數而言是至關(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EN 50470-3和IEC 61851-23相關(guān)標準，在型式檢驗試驗中規定的所有所需信號都將被測量和處理。過(guò)程信號接口可以直接并同時(shí)捕獲安裝在充電樁內的多個(gè)數字電能表的脈沖輸出，以確定其測量的能量?？焖偾夜δ軓姶蟮那д滓蕴W(wǎng)接口確保LMG可靠地集成到測試平臺中，進(jìn)行數據交換和數據后處理。ZES ZIMMER提供了一個(gè)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(lái)實(shí)現特定的測試平臺需求。
1 電流必須在任何時(shí)候都不能明顯超過(guò)32A.其它情況下，建議使用電流傳感器搭配測量，推薦PCT200.
2 在特定地應用中(電能表的計量) ，可以將LMG671的測量周期（數據刷新時(shí)間）與電能表的脈沖進(jìn)行同步，來(lái)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。詳細情況可閱讀我們的另一篇應用文章“用LMG600進(jìn)行數字直流電能表的計量".
測試平臺繼集成和測量結果評估
為了將LMG600功率分析儀*集成到遠程控制的試驗臺環(huán)境中，ZES ZIMMER可根據要求提供涵蓋所述自動(dòng)化驗證程序的通用腳本。它提供了一個(gè)現成的、文檔齊全的python，包括控制接口的閉合和開(kāi)路、數據的寫(xiě)入、讀取等等。我們可以根據用戶(hù)的特定設置和測試過(guò)程提供定制的軟件工程支持，包括對結果的后續評估，導出為所需的任何通用格式(CSV導出已經(jīng)實(shí)現)。以下自動(dòng)化功能可以實(shí)現:
數據交換：從LMG600傳輸所有相關(guān)讀數和脈沖計數到測試平臺主軟件。
評價(jià)：在整個(gè)充電過(guò)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(gè)測量周期，包括最后一個(gè)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。
導出結果：將測量和評價(jià)結果導出為通用格式。
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與測試平臺上位機之間可靠地和快速的數據交換和數據后處理。ZES ZIMMER提供了一個(gè)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(lái)實(shí)現用戶(hù)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充電樁能量計量的整體測量偏差。最終整個(gè)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(guò)程中，基于每個(gè)測量點(diǎn)和測量周期進(jìn)行計算。雖然現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。在快速且連續變化的測量點(diǎn)上，例如圖4所示的上升和下降階段，Auto range會(huì )導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(guò)程中測量到的數值是不能保證準確性的，所以將出現測量間隙。相應地，一些測量周期無(wú)法完成，數據不得不丟棄。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，該檔位的測量范圍上限，可以覆蓋測試中可能出現的最大值。
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(kāi)始爬升的那些測量點(diǎn)，或者在輸出功率下降期的末端測量點(diǎn)，其測量結果的相對誤差就高于穩態(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)
在測量周期內確定測量不確定度時(shí)必須考慮到這一點(diǎn)，這同樣也適用于功率輸出下降期。所以下面的參數需要在整個(gè)充電過(guò)程持續時(shí)間內得到優(yōu)化：
爬升坡度：爬升和下降的坡度越陡峭，他們的持續時(shí)間在整個(gè)充電周期中的占比就越低。
測量持續時(shí)間：電能表脈沖數的最小數值越高，穩態(tài)階段的比重越大，相比于爬升和下降階段。
標準IEC 61851-23對電動(dòng)汽車(chē)直流充電樁提出了規定要求， 包括一些對于爬升坡度最小值的規定，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(guò)程測量持續時(shí)間內所占地比重，保持在一個(gè)合理地數值范圍內。
LMG600系列功率分析儀可配備A功率模塊，給用戶(hù)提供高精度的直流測量。該設備將提供可溯源到PTB(國家計量研究所)的校準證書(shū)，或根據用戶(hù)要求，提供DAkkS認證的校準證書(shū)。
功率分析儀LMG600系列在電動(dòng)汽車(chē)充電站測試中的應用
帶寬: DC, 0.05 Hz … 10 MHz
DC 功率精度 (*): ± (0.032 % * 讀數 + 0.06 % * 量程)
AC 功率精度 (45 Hz…65 Hz): ± (0.015 % * 讀數 + 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(lái)擴展量程-HST)
電流輸入: 500 µA – 32 Arms 直接輸入 (可用電流傳感器來(lái)擴展量程-PCT)
在計算能量測量的潛在誤差時(shí)，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(kāi)始和結束，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背后的值是否與電能表脈沖計數的評估間隔足夠匹配。不是所有的制造商對這類(lèi)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(lái)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。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(shí)現精度。
為了擴展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(dòng)識別和變比的自動(dòng)設定，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(mén)傳感器: ± 0.0035 %
Figure 6: PCT sensor PCT系列電流傳感器
參考系統的每個(gè)組成部分(LMG600功率分析儀+ A模塊+ PCT磁通門(mén)傳感器)的高精度為電動(dòng)汽車(chē)充電樁能量計量的測試和認證提供了堅實(shí)的基礎。通過(guò)對LMG600的精細控制，在適用標準的有效框架內，減少或*避免了對測量不確定度的系統性和原理性影響。對于測試平臺集成和型式試驗認證審核程序的具體問(wèn)題，ZES ZIMMER應用專(zhuān)家可提供他們的專(zhuān)業(yè)知識支持您。
