CN108427092A - 一种电动汽车非车载直流充电机直流电能表在线检定系统与方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电动汽车非车载直流充电机直流电能表在线检定系统与方法。系统由充电模块、负载模块、测量检定模块、工控机和相关程序组成；利用虚拟电池管理系统和实时脉冲比较法对负载模块充电的同时实现对直流充电机直流电能表在线检定。虚拟电池管理系统按要求设置不同的动力电池类型及参数，配置充电参数，作用于负载模块，为在线检定提供相应的负载。充电过程中，数据采集单元采集被检直流电能表输出的被检脉冲和标准直流电能表输出的标准电能脉冲，通过比较标准脉电能脉冲数和被检直流电能脉冲数实现对直流充电机直流电能表的检定。本发明可对现场非车载直流充电机上的直流电能表进行实时在线检定，实现安全、准确地在线检定电能计量。

Description

一种电动汽车非车载直流充电机直流电能表在线检定系统与 方法

技术领域

本发明属于直流电能表检定技术领域，具体涉及一种电动汽车非车载直流充电机直流电能表在线检定系统与方法。

背景技术

电动汽车产业作为国家新能源战略的重要组成部分，正处在快速发展的阶段。根据电动汽车使用的车载蓄电池的特性，大中型电动汽车使用的车载蓄电池一般采用直流方式充电。直流充电机在给蓄电池充电时的电压/电流为：(400～800)V/(0～500)A，现有的直流电能表已经不能满足该需求，因此国内一些电能表生产厂家研制了用于非车载直流充电机电能计量的新型直流电能表。由于该类电能表额定电流和额定电压值较高，电流的变化范围大，现有的计量检定装置无法有效的对该类电能表进行检定，因此需要针对电动汽车充电机直流电能表研究在线检定系统和方法，做到安全和准确地在线检定被检直流电能表。

针对电动汽车非车载直流充电机直流电能表，一般的检定方法是采用实时脉冲比较法检定计量表装置：如中国发明专利《一种直流电能表检定装置及方法》(申请号：201010565330.7) 所公开的，包括人机交互界面、主控模块、电压电流功放模块和测量模块、电能计算模块、标准脉冲输出接口以及被检脉冲输入接口，电能计算模块根据电压、电流测量模块测量结果，计算并折算成标准脉冲，输出给被检电能表，电能计算模块根据被检电能表的脉冲输入来折算被检电表的电能输入，并与检定装置的电能进行比较，计算出被检电能表的电能计量误差，其不足之处是：由于直流电能表额定电流值和额定电压值较高、动态范围大和频率响应性能要求较高等原因，该装置及方法对充电机直流电能表的检定适应性差，对电能表的动态范围和频率响应等性能的检定达不到国家检定规程要求。

中国发明专利《一种电动汽车充电桩直流电能表检定系统》(申请号：201510843965.1) 所公开了一种电动汽车充电桩直流电能表检定系统，包括计算机控制器、表源一体化装置和多个被检直流电能表，计算机控制器通过通信总线与表源一体化装置相连，所述计算机控制器通过通信总线向表源一体化装置发送检定任务，所述表源一体化装置根据接收到的检定任务同时检定多个被检直流电能表的电能误差，其不足之处是：该系统及检定方法对电能表的检定只能在实验室条件下进行，而现场条件则比较复杂。显然，电能表在不同环境下的计量准确度应该得到验证，特别是它的读数和显示与计费有关，由于电能表工作在现场条件下，这就涉及到电能表的在线检定问题。

另一方面，现有技术中，对于直流电能表检定，是采用一个功率较大的直流电源给被检电表输入检定所需的电压、电流值，被检电表输出端接标准负载，然后采用等效折算进行检定，因此该方法在检定时消耗电能较大。

针对现阶段直流电能表检定装置不能实时在线检定的问题，本发明提出了基于虚拟电池管理系统和实时脉冲比较法的直流电能表在线检定系统与方法，在已有专利或相关的技术文献中未见报道。

发明内容

针对背景技术的问题，以及被检直流电能表工作在现场条件下、直流电能表额定电流值和额定电压值较高、动态范围大和频率响应性能要求较高等情况，本发明基于虚拟电池管理系统和实时脉冲比较法，提供一种电动汽车非车载直流充电机直流电能表在线检定系统及方法，具体方案如下：

一种电动汽车非车载直流充电机直流电能表在线检定系统，包括：充电模块、测量检定模块、负载模块和工控机模块；所述充电模块连接所述负载模块，所述测量检定模块连接所述充电模块，所述工控机模块连接所述充电模块、所述测量检定模块以及所述负载模块；

所述充电模块包括三相交流电源、非车载直流充电机整流模块和直流电能表；所述三相交流电源为非车载直流充电机提供交流电源；所述非车载直流充电机的整流模块将交流电转换为直流电，对电动汽车动力电池进行充电；所述直流电能表可以测量、记录、显示所述负载模块当前所充直流电的电压、电流、功率，并且能够输出与所计量电能成正比的电脉冲；

所述测量检定模块包括标准直流电能表；所述标准直流电能表可以测量、记录、显示被检直流电能表计量的直流电的电压、电流、功率参数，并且能够输出与所计量电能成正比的标准电脉冲；

所述负载模块包括动力电池组和程控电子负载；所述动力电池组作为检定系统的标准负载，并存储所充的电能；所述程控电子负载结合动力电池模型构成虚拟电池，作为检定系统的负载；

所述工控机模块实时监控所述充电模块、负载模块和测量检定模块的工作状态，并实现检定数据的采集、存储和分析。

进一步，所述工控机模块包括中央控制单元、CAN通信接口、数据采集单元、动力电池模型、程控负载接口单元以及人机交互界面；所述CAN通信接口用于和所述充电模块通信，实现了通信握手阶段、参数配置阶段的参数设置数据、充电阶段的充电数据即充电机输出电压电流等信息；所述数据采集单元用于采集所述直流电能表和所述标准直流电能表的电脉冲信息；所述动力电池模型能够配置电池参数，通过所述程控负载接口单元将电池参数输送至所述程控电子负载。所述人机交互界面供人机交互界面包含输入设置、采样信号的实时显示、检定显示功能；所述中央控制单元一方面用于接收人机交互界面的指令、对其他所述 CAN通信接口、数据采集单元、动力电池模型、程控负载接口单元以及人机交互界面发送指令或数据，另一方面对数据采集单元采集的电脉冲信息进行分析处理实现对直流电能表的检定。

进一步，所述标准直流电能表通过精密分压电阻对加在电压端子的电压信号进行高速采样并产生电压数字信号，通过零磁通电流比较式直流电流互感器对流过电流端子的电流信号进行高速采样并产生电流数字信号。

进一步，所述充电模块中的整流模块采用IGBT整流。

进一步，中央控制单元包括设备层与控制层，设备层与数据采集卡，电压、电流传感器和开关电源等连接；控制层为工控机和可编程逻辑控制器(PLC)；

进一步，数据采集单元采用NI公司的18位高进度多通道数据采集卡PCI-6821实现。

本发明还提出了一种电动汽车非车载直流充电机直流电能表在线检定方法，包括如下步骤：

步骤1，设置动力电池模型参数，构建动力电池模型的初始状态；然后根据电池的参数辨识获得模板数据、电池当前的充电状态数据及设定的充电参数，计算下一时刻的充电状态数据，并根据计算的充电状态数据，配置程控电子负载使之呈现充电特性对负载模块充电；

步骤2，对负载模块按充电特性进行充电的同时在线检定直流电能表；具体包括：

首先将充电模块、负载模块、测量检定模块正确连接后通电，检查三者之间的电气连接和通讯是否正常，如有故障，查找问题处理故障，直至电气连接电路和通讯没有故障；

然后开始对直流电能表进行检定：首先对检定装置初始化并设置参数，其中包括设置电压、电流输出值以及被检电能表电能脉冲常数；充电的过程中，按电池的充电特性对负载模块进行充电，同时在线实时检定非车载充电机的直流电能表、标准直流电能表通过精密分压电阻对加在电压端子的电压信号进行高速采样并产生电压数字信号，以及通过零磁通电流比较式直流电流互感器对流过电流端子的电流信号进行高速采样并产生电流数字信号，标准直流电能表计量标准电能和输出标准电能脉冲；中央控制单元控制数据采集单元同步采集被检直流电能表输出的被检脉冲和标准直流电能表输出的标准脉冲，通过比较标准脉冲和被检直流电能表脉冲实现对电能表的检定。

进一步，所述步骤1还包括计算电池荷电量以确定充电是否完成，方法如下：

步骤1.1，工控机从存储模块中读取电池当前荷电状态作为初始荷电状态SOC₀，对初始荷电状态SOC₀值进行修正，在存储器模块中调取上一采样周期T内充电电流I(t)值，计算电池荷电状态SOC值：

式中μ为温度修正系数，由电池的技术参数资料得到，取值范围为[0,1]；T₀表示起始时刻；T为充电电流I(t)的采样周期；I(t)为上一采样周期T内充电电流；

步骤1.2，再根据计算的充电状态数据，程控电子负载可编程设置关断电平，充电过程中可观测负载的电压，充电电流和电池已充电量，使之呈现电池的充电特性。

进一步，所述步骤2中的误差计算为：

进一步，所述电池模型参数包括电池类型、串并联结构、额定容量、当前容量、散热方式。

进一步，所述充电参数包括充电方式、充电电流和电压值。

本发明的有益效果：

基于虚拟电池管理系统和实时脉冲比较法，实现直流电能表在线检定。基于虚拟电池管理系统的充电模块电池的充电特性为电池进行充电，测量检定模块实时采集被检直流电能表电脉冲并进行计数，由实时脉冲比较法计算电能计量误差，在线实时检定非车载直流充电机的直流电能表，本方法具有动态检定功能。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种电动汽车非车载直流充电机直流电能表在线检定系统整体结构图。

图2为本发明实施例所述的虚拟电池管理系统对负载模块充电过程流程图。

具体实施方式

实施本发明的技术方案包括充电模块、负载模块、测量检定模块和工控机组成的硬件平台以及由检定控制软件和系统管理软件组成的检定系统软件部分。

所述的充电模块，由三相交流电源、非车载直流充电机的IGBT整流模块和直流电能表组成。

进一步，所述的三相交流电源为非车载直流充电机提供交流电源；所述的非车载直流充电机的IGBT整流模块将交流电转换为直流电，对电动汽车动力电池进行安全、快速地充电；所述的直流电能表可测量、记录、显示负载模块当前所充直流电的电压、电流、功率等运行参数，能够输出与所计量电能成正比的电脉冲。

所述的测量检定模块由标准直流电能表组成。

进一步，所述的标准直流电能表通过精密分压电阻对加在电压端子的电压信号进行高速采样并产生电压数字信号，通过零磁通电流比较式直流电流互感器对流过电流端子的电流信号进行高速采样并产生电流数字信号；标准直流电能表可测量、记录、显示被检直流电能表计量的直流电的电压、电流、功率等运行参数，能够输出与所计量电能成正比的标准电脉冲。

所述的负载模块，由动力电池组和程控电子负载组成。

进一步，所述动力电池组可以作为检定系统的标准负载，存储所充电能；程控电子负载结合动力电池模型构成虚拟电池作为检定系统的负载。

所述的工控机通过CAN总线与非车载直流充电机通信。工控机实时监控充电模块、负载模块和测量检定模块的工作状态，完成对检定数据的采集、存储和分析。

所述的检定系统软件部分主要包括设置检定流程、监控检定、控制检定执行、采集和存储检定数据、分析数据和生成报告。

本发明所述的电动汽车非车载直流充电机直流电能表的在线检定方法如下：

利用虚拟电池管理系统在线检定系统，其核心部分是动力电池模型，外围主要是与外部系统进行信息交互的接口。在对充电机直流电能表进行检定时，首先设置动力电池模型参数 (电池类型、串并联结构、额定容量、当前容量、散热方式)，构建动力电池模型的初始状态；然后根据电池的参数辨识获得模板数据、电池当前的充电状态数据及设定的充电参数(充电方式、充电电流和电压值)，计算下一时刻的充电状态数据。

电池荷电状态SOC(State Of Charge)值通过安时积分法计算，具体步骤为：

工控机从存储模块中读取电池当前荷电状态作为初始荷电状态SOC₀，对初始荷电状态 SOC₀值进行修正，在存储器模块中调取上一采样周期T内充电电流I(t)值，由式(1)计算电池荷电状态SOC值：

式中μ为温度修正系数，由电池的技术参数资料得到，取值范围为[0,1]；T₀表示起始时刻；T为充电电流I(t)的采样周期；I(t)为上一采样周期T内充电电流。

再根据计算的充电状态数据，设置程控电子负载参数，使之呈现电池的充电特性。电动汽车非车载直流充电机为负载模块充电的同时，数据采集单元实时采集被检直流电能表输出的被检电能脉冲数和标准直流电能表输出的标准电能脉冲数，进行误差计算，实现直流电能表的在线检定。

下面结合附图对本发明作进一步说明。

针对现阶段直流电能表检定装置不能实时在线检定的问题，本发明基于虚拟电池管理系统和实时脉冲比较法的直流电能表在线检定系统与方法，针对被检直流电能表工作在现场条件下，而且直流电能表额定电流值和额定电压值较高、动态范围大和频率响应性能要求较高等情况，能够有效满足电能表的测量范围，确保能够做到安全检定和全面准确地在线评估被检直流电能表的电能计量性能。以下结合附图对本发明实施例提供的一种电动汽车充电桩直流电能表在线检定系统与方法进行详细说明。

图1为本发明实施例提供的一种电动汽车非车载直流充电机直流电能表在线检定系统整体结构图，如图1所示，本发明实施例提供的一种电动汽车非车载直流充电机直流电能表在线检定系统：包括充电模块、负载模块、测量检定模块和工控机组成的硬件平台以及检定系统软件部分。充电模块中的三相交流电源为非车载直流充电机提供交流电源，非车载直流充电机通过高频IGBT整流模块将交流电转变为直流电，对动力电池进行安全、快速地充电，直流电能表对电动汽车的充电电量进行计量直流电能表可测量、记录、显示负载模块当前所充直流电的电压、电流、功率等运行参数，具备与所计量电能成正比的电脉冲输出功能。负载模块由动力电池组和程控直流电子负载组成，将动力电池组充电特性的可模拟性和程控直流电子负载的可控性和可调性两者的优势形结合起来，不仅可以在虚拟电池状态下进行检定，也可以满足在动力电池组作为标准负载的状态下进行在线检定。工控机与充电机直流电能表通过CAN总线通信。所述的测量检定模块的标准直流电能表主要由电压、电流采集模块组成，其中电压采集模块通过精密采样电阻得到采样信号；电流采集模块通过直流电流互感器和采样电阻获得采样信号。中央控制单元控制数据采集单元同步采集被检直流电能表输出的被检电能脉冲和标准直流电能表输出的标准电能脉冲，通过比较标准脉冲数和被检直流电能表脉冲数实现对直流电能表的检定。

图2为本发明实施例所述的虚拟电池管理系统对负载模块充电过程流程图。电动汽车动力电池类型主要包括锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池，本发明所采用的动力电池为磷酸铁锂电池。动力电池模型的主要参数包括：开路电压U_o、欧姆内阻R_o、电化学极化电阻R₁、电化学极化电容C₁及时间常数t₁、浓差极化电阻R₂、浓差极化电容C₂及时间常数t₂。不同规格的电池组模型可以通过将若干单体电池模型进行串并联实现。在使用虚拟电池管理系统作为负载时，首先设置电池模型参数如：电池类型、串并联结构、额定容量、当前容量、散热方式、环境温度，构建电池模型的初始状态。本发明实施例设置虚拟电池模型参数为：电池类型为磷酸铁锂电池，将10组电池进行串联(每组10个电池单体)额定容量为25Ah，额定电压为320V，工作环境温度为25℃。发明实施例设定的输入电压为220V，输入频率为 50Hz，输出电流为5A，负载选择动力电池和虚拟电池。然后根据电池的参数辨识获得模板数据、电池当前的充电状态及设定的充电参数(充电电流、电压值)，计算下一时刻的充电状态；电池荷电状态SOC值通过安时积分法计算电池荷电状态SOC值,具体步骤为：

首先，中央控制单元从存储模块中读取电池历史荷电状态作为初始荷电状态SOC₀，随后根据当前电池的温度，得到不同温度条件下的荷电状态SOC修正系数μ，对初始荷电状态SOC值进行修正，在存储器模块中调取上一采样周期T内充电电流I(t)值，根据式(1)计算荷电状态SOC值。再根据计算的充电状态数据，程控电子负载可编程设置关断电平，充电过程中可观测负载的电压，充电电流和电池已充电量，使之呈现电池的充电特性。

对负载模块按充电特性进行充电的同时在线检定直流电能表：首先将充电模块、负载模块、测量检定模块正确连接后通电，检查三者之间的电气连接和通讯是否正常，如有故障，查找问题处理故障，直至电气连接电路和通讯没有故障。其次开始对直流电能表进行检定：首先对检定装置初始化并设置参数，其中包括设置电压、电流输出值以及被检电能表电能脉冲常数。充电的过程中，虚拟电池管理系统按着电池的充电特性对负载模块进行充电，同时测量检定模块在线实时检定非车载充电机的直流电能表，标准直流电能表通过精密分压电阻对加在电压端子的电压信号进行高速采样并产生电压数字信号，通过零磁通电流比较式直流电流互感器对流过电流端子的电流信号进行高速采样并产生电流数字信号，标准直流电能表计量标准电能和输出标准电能脉冲，中央控制单元控制数据采集单元同步采集被检直流电能表输出的被检脉冲和标准直流电能表输出的标准脉冲，通过比较标准脉冲和被检直流电能表脉冲实现对电能表的检定，并生成检定报表，可进行打印，检定完成。电能计量误差采用标准法进行测量，被检表的误差计算公式如式(2)：

式中：m—实测脉冲数；

m₀—算定脉冲数，即假定被检电能表没有误差时，计数器变化N个字，标准电能表应发出的脉冲数。

被检表为电子式电能表时，m₀由式(3)确定：

式中：M—计数器乘数，采用10的整数次方表示；

N—被检电能表计数器选定的数字变化，即电能表转的圈数对应显示的字码；

—标准电能表的脉冲常数，J/脉冲。

实时脉冲周期比较法的关键，在于被检电能表和标准电能表要在相同的时间窗内进行测量和计算电能误差。

通过本发明电动汽车非车载直流充电机直流电能表在线检定系统与方法，利用虚拟电池管理系统实现直流充电桩对电动汽车充电的同时对直流电能表实时在线检定，确保能够做到安全检定和全面准确地在线检定被检直流电能表的电能计量性能。

需要强调的是，本发明所述的实施例是说明性的，而不是限定性的，因此本发明包括并不限于具体实施方式中所述的实施例，凡是由本领域技术人员根据本发明的技术方案得出的其他实施方式，同样属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种电动汽车非车载直流充电机直流电能表在线检定系统，其特征在于，包括：充电模块、测量检定模块、负载模块和工控机模块；所述充电模块连接所述负载模块，所述测量检定模块连接所述充电模块，所述工控机模块连接所述充电模块、所述测量检定模块以及所述负载模块；

所述充电模块包括三相交流电源、非车载直流充电机整流模块和直流电能表；所述三相交流电源为非车载直流充电机提供交流电源；所述非车载直流充电机的整流模块将交流电转换为直流电，对电动汽车动力电池进行充电；所述直流电能表可以测量、记录、显示所述负载模块当前所充直流电的电压、电流、功率，并且能够输出与所计量电能成正比的电脉冲；

所述测量检定模块包括标准直流电能表；所述标准直流电能表可以测量、记录、显示被检直流电能表计量的直流电的电压、电流、功率参数，并且能够输出与所计量电能成正比的标准电脉冲；

所述负载模块包括动力电池组和程控电子负载；所述动力电池组作为检定系统的标准负载，并存储所充的电能；所述程控电子负载结合动力电池模型构成虚拟电池，作为检定系统的负载；

所述工控机模块实时监控所述充电模块、负载模块和测量检定模块的工作状态，并实现检定数据的采集、存储和分析。

2.根据权利要求1所述的一种电动汽车非车载直流充电机直流电能表在线检定系统，其特征在于，所述工控机模块包括中央控制单元、CAN通信接口、数据采集单元、动力电池模型、程控负载接口单元以及人机交互界面；所述CAN通信接口用于和所述充电模块通信，实现了通信握手阶段、参数配置阶段的参数设置数据、充电阶段的充电数据即充电机输出电压电流等信息；所述数据采集单元用于采集所述直流电能表和所述标准直流电能表的电脉冲信息；所述动力电池模型能够配置电池参数，通过所述程控负载接口单元将电池参数输送至所述程控电子负载；所述人机交互界面供人机交互界面包含输入设置、采样信号的实时显示、检定显示功能；；所述中央控制单元一方面用于接收人机交互界面的指令、对其他所述CAN通信接口、数据采集单元、动力电池模型、程控负载接口单元以及人机交互界面发送指令或数据，另一方面对数据采集单元采集的电脉冲信息进行分析处理实现对直流电能表的检定。

3.根据权利要求1所述的一种电动汽车非车载直流充电机直流电能表在线检定系统，其特征在于，所述标准直流电能表通过精密分压电阻对加在电压端子的电压信号进行高速采样并产生电压数字信号，通过零磁通电流比较式直流电流互感器对流过电流端子的电流信号进行高速采样并产生电流数字信号。

4.根据权利要求1所述的一种电动汽车非车载直流充电机直流电能表在线检定系统，其特征在于，所述充电模块中的整流模块采用IGBT整流。

5.根据权利要求2所述的一种电动汽车非车载直流充电机直流电能表在线检定系统，其特征在于，中央控制单元采用可编程逻辑器件PLC，数据采集单元采用NI公司的18位高进度多通道数据采集卡PCI-6821实现。

6.一种电动汽车非车载直流充电机直流电能表在线检定方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，设置动力电池模型参数，构建动力电池模型的初始状态；然后根据电池的参数辨识获得模板数据、电池当前的充电状态数据及设定的充电参数，计算下一时刻的充电状态数据，并根据计算的充电状态数据，配置程控电子负载使之呈现充电特性对负载模块充电；

步骤2，对负载模块按充电特性进行充电的同时在线检定直流电能表；具体包括：

首先将充电模块、负载模块、测量检定模块正确连接后通电，检查三者之间的电气连接和通讯是否正常，如有故障，查找问题处理故障，直至电气连接电路和通讯没有故障；

开始对直流电能表进行检定：首先对检定装置初始化并设置参数，其中包括设置电压、电流输出值以及被检电能表电能脉冲常数；充电的过程中，按电池的充电特性对负载模块进行充电，同时在线实时检定非车载充电机的直流电能表、标准直流电能表通过精密分压电阻对加在电压端子的电压信号进行高速采样并产生电压数字信号，以及通过零磁通电流比较式直流电流互感器对流过电流端子的电流信号进行高速采样并产生电流数字信号，标准直流电能表计量标准电能和输出标准电能脉冲；中央控制单元控制数据采集单元同步采集被检直流电能表输出的被检脉冲和标准直流电能表输出的标准脉冲，通过比较标准脉冲和被检直流电能表脉冲实现对电能表的检定。

7.根据权利要求6所述的一种电动汽车非车载直流充电机直流电能表在线检定方法，其特征在于，所述步骤1还包括计算电池荷电量以确定充电是否完成，方法如下：

步骤1.1，工控机从存储模块中读取电池当前荷电状态作为初始荷电状态SOC₀，对初始荷电状态SOC₀值进行修正，在存储器模块中调取上一采样周期T内充电电流I(t)值，计算电池荷电状态SOC值：

式中μ为温度修正系数，由电池的技术参数资料得到，取值范围为[0,1]；T₀表示起始时刻；T为充电电流I(t)的采样周期；I(t)为上一采样周期T内充电电流；

步骤1.2，再根据计算的充电状态数据，程控电子负载可编程设置关断电平，充电过程中可观测负载的电压，充电电流和电池已充电量，使之呈现电池的充电特性。

8.根据权利要求6所述的一种电动汽车非车载直流充电机直流电能表在线检定方法，其特征在于，所述步骤2中的误差计算表达式为：

9.根据权利要求6所述的一种电动汽车非车载直流充电机直流电能表在线检定方法，其特征在于，所述电池模型参数包括电池类型、串并联结构、额定容量、当前容量、散热方式。

10.根据权利要求6所述的一种电动汽车非车载直流充电机直流电能表在线检定方法，其特征在于，所述充电参数包括充电方式、充电电流和电压值。