CN111722044B - 基于扫频校准分流器的直流充电桩测试方法、装置及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于扫频校准分流器的直流充电桩测试方法、装置及设备，测试方法包括以下步骤：采集电动汽车充电时直流充电桩输出的电流电压信号，其中，在直流充电桩输出回路中设置分流器采集电流信号，并利用扫频法实时校准电路对分流器的阻值进行实时校准，采用分压电阻网络采集电压信号；对采集的电流电压信号进行模数转换获取直流充电桩输出的二次直流电压Uv和分流器的直流电压Ui；利用采集的Uv、Ui和校准后的分流器的阻值计算直流充电桩输出的实时直流有功功率；采集被检充电桩内电能表的脉冲数；根据实时直流有功功率和被检充电桩内电能表的脉冲数计算直流充电桩的有功电能误差。本发明能够监测充电桩的有功电能误差、确保充电桩运营公司的充电桩计量计费的公平公正。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于扫频法校准分流器阻值的直流充电桩测试方法、装置及设备，属于电动汽车充电技术领域。
背景技术
电动汽车充电桩与加油机一样，都是用于贸易结算的计量器具，其计量(计费)是否准确直接影响到贸易双方的经济利益。对电动汽车充电桩开展计量法制管理，加强充电桩计量监管，保证充电桩电能量值准确可靠，维护电能贸易结算的公平、公正，具有重大意义。
截止到2020年5月，全国充电基础设施累计数量为129万台左右，其中，全国充电桩联盟内成员单位总计上报公共类充电桩55.1万台，未来充电桩的电能计量检测工作量巨大，对很多小的运营商，难以采购设备昂贵的充电桩校验仪及其配套的负载(高达几十万)。
目前非车载直流充电桩的有功电能误差检定采用直流充电桩校验仪+直流充电桩负载箱来实现。直流充电桩校验仪由直流标准电能表、电动汽车互操作模拟器、BMS协议模拟器等构成。直流充电桩负载箱一般为电阻性负载或电子负载，对于电阻负载，内部电阻值通过多个档位组合来实现、对于电子负载，电阻值通过控制电子的导通来实现。
但是，直流充电桩校验仪一般采用直接采样原理，一般配置交直流零磁通电流互感器和直流电压互感器，其中，交直流零磁通电流传感器价格昂贵(LEM公司250A差不多5000元一个)，也可以配置0.01级250A的标准电阻(价格更加昂贵)，校验仪有功电能的准确度依赖昂贵的直流电流传感器。另外，现有的非车载直流充电桩的有功电能误差检定设备不但体积偏大，运输不方便，而且设备昂贵。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于扫频校准分流器的直流充电桩测试方法、装置及设备，能够监测充电桩的有功电能误差、确保充电桩运营公司的充电桩计量计费的公平公正。
本发明解决其技术问题采取的技术方案是：
第一方面，本发明实施例提供的一种基于扫频校准分流器的直流充电桩测试方法，包括以下步骤：
采集电动汽车充电时直流充电桩输出的电流电压信号，其中，在直流充电桩输出回路中设置分流器采集电流信号，并利用扫频法实时校准电路对分流器的阻值进行实时校准，采用分压电阻网络采集电压信号；
对采集的电流电压信号进行模数转换获取直流充电桩输出的二次直流电压Uv和分流器的直流电压Ui；
利用采集的Uv、Ui和校准后的分流器的阻值计算直流充电桩输出的实时直流有功功率；
采集被检充电桩内电能表的脉冲数；
根据实时直流有功功率和被检充电桩内电能表的脉冲数计算直流充电桩的有功电能误差。
作为本实施例一种可能的实现方式，对分流器的阻值进行实时校准，包括：
在分流器上叠加一个交流信号；
测量该交流信号的电流值以及分流器的电压值，同时采样直流电流信号；
采用FFT算法计算出分流器的实时电阻：
式中，Ure为分流器的直流阻抗电压，Uim为分流器的感抗电压，Ire为分流器的直流阻抗电流，Iim为分流器的感抗电流。
作为本实施例一种可能的实现方式，直流充电桩输出的实时直流有功功率的计算公式为：
式中，Uv为直流充电桩输出的二次直流电压Uv，Kv为分压电阻网络构成直流电压传感器变比，i为每个时刻的采样点值，Ui为分流器的实时直流电压，R(i)为扫频校准后的分流器的阻值。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述有功电能误差的计算公式为：
式中，γ为被检电能表的有功误差，Wx为被检充电桩N个脉冲时间内的等效电能值，Wb为标准电能表在被检表N个脉冲时间的等效电能值,Cx为被检电能表的脉冲常数，N为检测电能表的脉冲圈数，Ts为直流电能表采样间隔，(k2-k1)×Ts和被检电能表的N个脉冲时间重叠且相等。
第二方面，本发明实施例提供的一种基于扫频校准分流器的直流充电桩测试装置，其特征是，包括：
电流电压信号采集模块，用于采集电动汽车充电时直流充电桩输出的电流电压信号，其中，在直流充电桩输出回路中设置分流器采集电流信号，并利用扫频法实时校准电路对分流器的阻值进行实时校准，采用分压电阻网络采集电压信号；
模数转换模块，用于对采集的电流电压信号进行模数转换获取直流充电桩输出的二次直流电压Uv和分流器的直流电压Ui；
有功功率计算模块，用于利用采集的Uv、Ui和校准后的分流器的阻值计算直流充电桩输出的实时直流有功功率；
脉冲采集模块，用于采集被检充电桩内电能表的脉冲数；
有功电能误差计算模块，用于根据实时直流有功功率和被检充电桩内电能表的脉冲数计算直流充电桩的有功电能误差。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述电流电压信号采集模块包括分流器实时校准模块，所述分流器实时校准模块，用于：
在分流器上叠加一个交流信号；
测量该交流信号的电流值以及分流器的电压值，同时采样直流电流信号；
采用FFT算法计算出分流器的实时电阻：
式中，Ure为分流器的直流阻抗电压，Uim为分流器的感抗电压，Ire为分流器的直流阻抗电流，Iim为分流器的感抗电流。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述有功功率计算模块计算直流充电桩输出的实时直流有功功率的公式为：
式中，Uv为直流充电桩输出的二次直流电压Uv，Kv为分压电阻网络构成直流电压传感器变比，i为每个时刻的采样点值，Ui为分流器的实时直流电压，R(i)为扫频校准后的分流器的阻值。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述有功电能误差计算模块计算有功电能误差的公式为：
式中，γ为被检电能表的有功误差，Wx为被检充电桩N个脉冲时间内的等效电能值，Wb为标准电能表在被检表N个脉冲时间的等效电能值,Cx为被检电能表的脉冲常数，N为检测电能表的脉冲圈数，Ts为直流电能表采样间隔，(k2-k1)×Ts和被检电能表的N个脉冲时间重叠且相等。
第三方面，本发明实施例提供的一种基于扫频校准分流器的直流充电桩测试设备，包括供电插座、测试部、充电插座和充电线，所述供电插座、测试部件和充电插座通过充电线依次连接；所述测试部包括壳体、分流器、直流电能采集电路、扫频实时校准电路、分压电阻网络、无分频校验光电头、处理器、电源模块和显示屏；所述分流器设置在充电线直流回路中，并与直流电能采集电路连接，用于采集电动汽车充电时直流充电桩输出的电流信号；所述分压电阻网络设置在充电线直流回路中，并与直流电能采集电路连接，用于采集直流充电桩输出的二次直流电压Uv；所述直流电能采集电路与处理器连接，用于计算直流充电桩输出的实时直流有功功率；扫频实时校准电路的输入端与分流器连接，输出端与处理器连接，用于实时校准分流器的阻值；所述无分频校验光电头连接到充电桩的脉冲输出上，用于获取直流充电桩的电能脉冲的光信号并发送给处理器；所述处理器用于计算电能基本误差并发送给显示屏进行显示；所述电源模块的输入端连接到充电线直流回路上，输出端分别与直流电能采集电路、扫频实时校准电路、无分频校验光电头和处理器连接。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述供电插座和测试部一体成型，所述充电插座通过延长充电线与测试部连接。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述电源模块设置有控制开关，所述控制开关设置所述测试部的壳体上。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述直流电能采集电路包括第一双通道AD转换器、电压可编程增益放大器、电流可编程增益放大器、增益电阻Rg2、低通滤波器电容CL和低通滤波器电阻RL，所述电压可编程增益放大器的输入端与分压电阻网络连接，输出端与第一双通道AD转换器的一输入端连接；所述电流可编程增益放大器的输入端与分流器连接，所述低通滤波器电阻RL设置在电流可编程增益放大器的正极输入电路中，所述低通滤波器电容CL的两端分别与电流可编程增益放大器的正负输入端连接，所述增益电阻Rg2的两端分别与电流可编程增益放大器的两个RG引脚连接，所述电流可编程增益放大器的的输出端与第一双通道AD转换器的另一输入端连接，所述第一双通道AD转换器的输出端与处理器连接。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述扫频实时校准电路包括扫频发生器DDS、跨导功放、升流器、电流互感器、隔直电容、I/V转换器、I/V转换器反馈电阻、可编程增益放大器、增益电阻、高通滤波电容Ch、高通电阻Rh、第二双通道AD转换器、电位参考电阻Rref1和电位参考电阻Rref2，所述升流器的输入侧一端与分流器连接直流充电桩的一端连接，输入侧另一端依次经过隔直电容和电流互感器与分流器连接电动汽车的一端连接，升流器的输出经过跨导功放与扫频发生器DDS的输入端连接，所述扫频发生器DDS的输出端与处理器连接；所述电流互感器的输出端经过I/V转换器与第二双通道AD转换器的一输入端连接；所述可编程增益放大器的输入端与分流器连接，输出端与第二双通道AD转换器的另一输入端连接，所述第二双通道AD转换器的输出端与处理器连接。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述扫频发生器DDS包括波形发生器AD9833以及由电容C3、电容C4和有源晶体构成的外围电路。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述分压电阻网络包括分压电阻R1和分压电阻R2，所述分压电阻R1和分压电阻R2串联在充电线的正负极之间，所述分压电阻R1与充电线的负极连接，所述分压电阻R2与充电线的正极连接，所述直流电能采集电路的正负相电压输入端分别连接在分压电阻R2的两端。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述处理器包括定时器Timer1，所述定时器Timer1与无分频校验光电头连接。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述处理器采用下式计算电能基本误差γ：
式中，γ为被检电能表的有功误差，Wx为被检充电桩N个脉冲时间内的等效电能值，Wb为标准电能表在被检表N个脉冲时间的等效电能值,Cx为被检电能表的脉冲常数，N为检测电能表的脉冲圈数，Ts为直流电能表采样间隔，(k2-k1)×Ts和被检电能表的N个脉冲时间重叠且相等。
本发明实施例的技术方案可以具有的有益效果如下：
本发明利用直流充电桩测试线连接到充电桩的充电线插座和电动汽车的充电插座，直流充电桩测试线内部所有的连接信号直通，保证充电桩和电动汽车充电桩的互操作正常工作，再通过在电压和电流线路上增加电压和电流传感器获取直流电能的有功功率和有功电能，并与被检电能表的有功能做比对，检测被检充电桩的有功电能误差。
本发明采用基于扫频法实时校准的低成本分流器传感器方案、同时采用延长充电线的结构(电插座和充电插座两个转接头)、设备小巧、价格便宜，可以长时间串联接入到充电桩的充电桩线上，利用前来的充电的电动汽车作为负载，免其笨重的配套负载，以及复杂的互操作模拟器，本发明的测试线在电动汽车充电的过程中，检测电能误差的准确度，使用简单、价格低廉(成本不足4000元)、未来可以随时自查充电桩的有功电能误差、确保充电桩运营公司的充电桩计量计费的公平公正。
附图说明：
图1是根据一示例性实施例示出的一种基于扫频校准分流器的直流充电桩测试方法流程图；
图2是根据一示例性实施例示出的一种基于扫频校准分流器的直流充电桩测试装置结构图；
图3是根据一示例性实施例示出的一种基于扫频校准分流器的直流充电桩测试设备的原理框图；
图4是根据一示例性实施例示出的一种基于扫频校准分流器的直流充电桩测试设备的结构图；
图5是本发明一种基于扫频校准分流器的直流充电桩测试设备的现场实施示意图；
图6是本发明的一种扫频实时校准电路的电路示意图；
图7是本发明的一种扫频发生器DDS的电路图；
图8是本发明的一种跨导功放的电路图；
图9是本发明的一种直流电能采集电路的电路图；
图10是图5的一种简化电路图；
图11是本发明的一种分流器的等效电路图；
图12是一种基于扫频校准分流器的直流充电桩测试的操作流程图；
图13是本发明基于扫频法实时校准分流器阻值计算有功功率的补偿算法流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
图1是根据一示例性实施例示出的一种基于扫频校准分流器的直流充电桩测试方法流程图。如图1所示，本发明实施例提供的一种基于扫频校准分流器的直流充电桩测试方法，包括以下步骤：
采集电动汽车充电时直流充电桩输出的电流电压信号，其中，在直流充电桩输出回路中设置分流器采集电流信号，并利用扫频法实时校准电路对分流器的阻值进行实时校准，采用分压电阻网络采集电压信号；
对采集的电流电压信号进行模数转换获取直流充电桩输出的二次直流电压Uv和分流器的直流电压Ui；
利用采集的Uv、Ui和校准后的分流器的阻值计算直流充电桩输出的实时直流有功功率；
采集被检充电桩内电能表的脉冲数；
根据实时直流有功功率和被检充电桩内电能表的脉冲数计算直流充电桩的有功电能误差。
作为本实施例一种可能的实现方式，对分流器的阻值进行实时校准，包括：
在分流器上叠加一个交流信号；
测量该交流信号的电流值以及分流器的电压值，同时采样直流电流信号；
采用FFT算法计算出分流器的实时电阻：
式中，Ure为分流器的直流阻抗电压，Uim为分流器的感抗电压，Ire为分流器的直流阻抗电流，Iim为分流器的感抗电流。
作为本实施例一种可能的实现方式，直流充电桩输出的实时直流有功功率的计算公式为：
式中，Uv为直流充电桩输出的二次直流电压Uv，Kv为分压电阻网络构成直流电压传感器变比，i为每个时刻的采样点值，Ui为分流器的实时直流电压，R(i)为扫频校准后的分流器的阻值。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述有功电能误差的计算公式为：
式中，γ为被检电能表的有功误差，Wx为被检充电桩N个脉冲时间内的等效电能值，Wb为标准电能表在被检表N个脉冲时间的等效电能值,Cx为被检电能表的脉冲常数，N为检测电能表的脉冲圈数，Ts为直流电能表采样间隔，(k2-k1)×Ts和被检电能表的N个脉冲时间重叠且相等。
图2是根据一示例性实施例示出的一种基于扫频校准分流器的直流充电桩测试装置结构图。如图2所示，本发明实施例提供的一种基于扫频校准分流器的直流充电桩测试装置，其特征是，包括：
电流电压信号采集模块，用于采集电动汽车充电时直流充电桩输出的电流电压信号，其中，采用分压电阻网络采集电压信号，采用分流器采集电流信号，并对分流器的阻值进行实时校准；
模数转换模块，用于对采集的电流电压信号进行模数转换获取直流充电桩输出的二次直流电压Uv和分流器的直流电压Ui；
有功功率计算模块，用于利用采集的Uv、Ui和校准后的分流器的阻值计算直流充电桩输出的实时直流有功功率；
脉冲采集模块，用于采集被检充电桩内电能表的脉冲数；
有功电能误差计算模块，用于根据实时直流有功功率和被检充电桩内电能表的脉冲数计算直流充电桩的有功电能误差。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述电流电压信号采集模块包括分流器实时校准模块，所述分流器实时校准模块，用于：
在分流器上叠加一个交流信号；
测量该交流信号的电流值以及分流器的电压值，同时采样直流电流信号；
采用FFT算法计算出分流器的实时电阻：
式中，Ure为分流器的直流阻抗电压，Uim为分流器的感抗电压，Ire为分流器的直流阻抗电流，Iim为分流器的感抗电流。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述有功功率计算模块计算直流充电桩输出的实时直流有功功率的公式为：
式中，Uv为直流充电桩输出的二次直流电压Uv，Kv为分压电阻网络构成直流电压传感器变比，i为每个时刻的采样点值，Ui为分流器的实时直流电压，R(i)为扫频校准后的分流器的阻值。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述有功电能误差计算模块计算有功电能误差的公式为：
式中，γ为被检电能表的有功误差，Wx为被检充电桩N个脉冲时间内的等效电能值，Wb为标准电能表在被检表N个脉冲时间的等效电能值,Cx为被检电能表的脉冲常数，N为检测电能表的脉冲圈数，Ts为直流电能表采样间隔，(k2-k1)×Ts和被检电能表的N个脉冲时间重叠且相等。
如图3和图4所示，本发明实施例提供的一种基于扫频校准分流器的直流充电桩测试设备，其特征是，包括供电插座101、测试部102、充电插座103和充电线，所述供电插座101、测试部件102和充电插座103通过充电线依次连接；所述测试部102包括壳体、分流器3、直流电能采集电路4、扫频实时校准电路5、分压电阻网络(11、12)、无分频校验光电头7、处理器6、电源模块10和显示屏8；所述分流器设置在充电线直流回路中，并与直流电能采集电路连接，用于采集电动汽车充电时直流充电桩输出的电流信号；所述分压电阻网络设置在充电线直流回路中，并与直流电能采集电路连接，用于采集直流充电桩输出的二次直流电压Uv；所述直流电能采集电路与处理器连接，用于计算直流充电桩输出的实时直流有功功率；扫频实时校准电路的输入端与分流器连接，输出端与处理器连接，用于实时校准分流器的阻值；所述无分频校验光电头连接到充电桩的脉冲输出上，用于获取直流充电桩的电能脉冲的光信号并发送给处理器；所述处理器用于计算电能基本误差并发送给显示屏进行显示；所述电源模块的输入端连接到充电线直流回路上，输出端分别与直流电能采集电路、扫频实时校准电路、无分频校验光电头和处理器连接。
如图4所示，作为本实施例一种可能的实现方式，所述供电插座101和测试部103一体成型，所述充电插座103通过延长充电线104与测试部102连接。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述电源模块设置有控制开关，所述控制开关设置所述测试部的壳体上。
所述显示屏设置在所述测试部的壳体上，所述的分流器、直流电能采集电路、扫频实时校准电路、分压电阻网络、无分频校验光电头、处理器和电源模块均设置在所述测试部的壳体内部。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述直流电能采集电路包括第一双通道AD转换器、电压可编程增益放大器、电流可编程增益放大器、增益电阻Rg2、低通滤波器电容CL和低通滤波器电阻RL，所述电压可编程增益放大器的输入端与分压电阻网络连接，输出端与第一双通道AD转换器的一输入端连接；所述电流可编程增益放大器的输入端与分流器连接，所述低通滤波器电阻RL设置在电流可编程增益放大器的正极输入电路中，所述低通滤波器电容CL的两端分别与电流可编程增益放大器的正负输入端连接，所述增益电阻Rg2的两端分别与电流可编程增益放大器的两个RG引脚连接，所述电流可编程增益放大器的的输出端与第一双通道AD转换器的另一输入端连接，所述第一双通道AD转换器的输出端与处理器连接。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述扫频实时校准电路包括扫频发生器DDS、跨导功放、升流器、电流互感器、隔直电容、I/V转换器、I/V转换器反馈电阻、可编程增益放大器、增益电阻、高通滤波电容Ch、高通电阻Rh、第二双通道AD转换器、电位参考电阻Rref1和电位参考电阻Rref2，所述升流器的输入侧一端与分流器连接直流充电桩的一端连接，输入侧另一端依次经过隔直电容和电流互感器与分流器连接电动汽车的一端连接，升流器的输出经过跨导功放与扫频发生器DDS的输入端连接，所述扫频发生器DDS的输出端与处理器连接；所述电流互感器的输出端经过I/V转换器与第二双通道AD转换器的一输入端连接；所述可编程增益放大器的输入端与分流器连接，输出端与第二双通道AD转换器的另一输入端连接，所述第二双通道AD转换器的输出端与处理器连接。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述扫频发生器DDS包括波形发生器AD9833以及由电容C3、电容C4和有源晶体构成的外围电路。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述分压电阻网络包括分压电阻R1和分压电阻R2，所述分压电阻R1和分压电阻R2串联在充电线的正负极之间，所述分压电阻R1与充电线的负极连接，所述分压电阻R2与充电线的正极连接，所述直流电能采集电路的正负相电压输入端分别连接在分压电阻R2的两端。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述处理器包括定时器Timer1，所述定时器Timer1与无分频校验光电头连接。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述处理器采用下式计算电能基本误差γ：
式中，γ为被检电能表的有功误差，Wx为被检充电桩N个脉冲时间内的等效电能值，Wb为标准电能表在被检表N个脉冲时间的等效电能值,Cx为被检电能表的脉冲常数，N为检测电能表的脉冲圈数，Ts为直流电能表采样间隔，(k2-k1)×Ts和被检电能表的N个脉冲时间重叠且相等。
本发明采用基于扫频法校准分流器阻值的的直流充电桩测试设备，实现了直流充电桩的有功电能误差试验，并采用延长充电线的结构设计，可以长期运行并测试直流充电桩的有功电能误差。
如图5所示，本发明的一种基于扫频法校准分流器阻值的直流充电桩测试线(设备)，由直流充电桩供电插座1(即图4中供电插座101)、电动汽车充电插座2(即图4中充电插座103)、分流器S13、直流电能采集电路4、扫频实时校准电路5、BF533主板6、无分频校验光电头7、显示LCD 8、键盘KEY 9、电源模块10、分压电阻R2 11、分压电阻R1 12、电源转换芯片REG1117F3.3 13组成。
其中，
1、直流充电桩充电插座1，和充电桩插座匹配。
2、电动汽车充电插座2，和电动汽车充电插座匹配。
3、分流器S1 3，使用250A/75mA的分流器，型号:FL-2,准确度优于1％。
4、直流电能采集电路4由双通道AD转换AD7380 41、可编程增益放大器42、可编程增益放大器43、增益电阻Rg2 44和电源变换器45、低通滤波器电容CL 46、低通滤波器电阻RL 47组成,如图9所示。
低通滤波电容CL和低通滤波器电阻RL构成了对直流叠加扫频信号I+和I-信号的低通滤波，由于CL＝10uF，折算容抗Xc＝1/(2*pi*f*CL)在1KHz时为1.6欧。
RL和CL构成的滤波器在1kHz时交流信号衰减，有：
由于扫频信号只占用满量程信号的0.0707A/250A，不到0.1％,并且根据有功功率的电压和电流值的正交原理，直流电压没有叠加扫频信号不会构成扫频信号的的有功功率，所以经过低通滤波后，扫频信号对电能的影响可以忽悠，低于千万分之一。
双通道AD转换AD7380 41内置2.5V参考电压，可以对两个模拟量输入进行16Bit的AD转换，输入电压范围为0到+2.5V，直流电流的电压输入的最大值为75mV通过可编程增益放大器AD620 43放大20倍后，输入到双通道AD转换AD7380 41的B通道输入AinB+、AinB-上，直流电压的最大输入为2V，通过可编程增益放大器AD620 42放大1倍后(运放主要起阻抗匹配的作用)输入到双通道AD转换AD7380 41的A通道输入AinA+、AinA-上，电源变换器45采用REG 1117F-3.3V，把5V的电源转换为3.3V的电源。
双通道AD转换AD7380 41通过SPI接口把采样到的数据送到BF533主板6上。可编程增益放大的放大倍数计算公式如下：
Rg2为2.6k增益G＝20倍。
直流电压输入在满量程时约为2V，直流分流器在满量程为75mV经过20倍放大后为1.5V，均工作在AD转换AD7380 41的准确度良好的工作点上。
计算电压和电流的乘积为直流有功功率P。
直流有功功率P为：
P＝U×I(假设直流分流器为0.3欧)(式2)
由于直流分流器的阻值会随着温度和电流大小的变化而变化，本发明采用扫频法实时校准分流器阻值，并对有功功率进行校准。
设直流分流器的设定为Rset＝0.3mΩ；
经过扫频法实时校准分流器阻值Rm＝0.31mΩ，
则实际有功电能直流为：
校准系数为0.9677419。
5、如图6所示，扫频实时校准电路5由扫频发生器DDS 51、跨导功放52、升流器53、电流互感器54、隔直电容55、I/V转换器56、I/V转换器反馈电阻56a、可编程增益放大器57、增益电阻57a、高通滤波电容Ch 57b、高通电阻Rh 57c、双通道AD转换AD7380 58、电源变换器59以及电位参考电阻Rref1 56c和Rref2 56b组成。
5.1如图7所示，扫频发生器DDS 51由AD9833直接数字频率合成51a、电容C3 51b、电容51c、晶体51d组成，其中，AD9833为ADI公司的DDS芯片，电容C3 51b的值为10nF、电容C451c的值为100nF，晶体为10M的有源晶体。AD9833的频率输出为：
D：为程序设定值；
BF533主板5通过SPI接口设定扫频实时校准电路5的输出频率为f＝1kHz，输出扫频信号的幅值为1V峰峰值。
把f1代入公式4，可得：
5.2跨导功放电路52如图8所示由功放OPA548 52a、隔直电容C552b、对地电阻Ra52c、反馈电阻Rb52d组成。
其中，C5 52b和Ra52c构成隔直流电路，交流部分被放大。
Rb的值100欧的电阻主要用来对电流进行反馈。
由于交流信号的频率为1kHz，所以电流C5的等效阻抗为：
当f＝1kHZ时Xc＝0.0474Ω，
相对于对地电阻52c的1MΩ阻值，交流信号的衰减不足千万分之一可以忽略。
所以，跨导电路52的输出电流Io值为：
VDDS的峰峰值为2V，折算到有效值为0.707V。
Io只是扫频测试的电流信号，电流信号的准确度由交流标准电流互感器T1 54通过AD转换器58精确采集,其自身准确度不做要求。
5.3升流器T2 53用于把Io放大10倍并实现隔离叠加到分流器的端子Is+和Is-上，Io的输出有效值为7.07mA，所以经过升流后的电流值为70.7mA。
5.4电流互感器T1 54，用于把扫频交流信号准确地变换并通过AD转换器AD738058实现同步测量(和分流器的反馈电压同步)。
5.5隔离电容由两个3300uf的电容C1C2反向串接而成，用于隔离IS+和IS-的直流电压产生的直流电流，保证交流电流互感器T1 54的准确度不受到直流偏磁的影响。
5.6运放OPA277 56和反馈电阻Rf构成了精密的I/V转换器，其中Rf的电阻准确度为0.01％,由于T1的输出为升流器T253输出缩小10倍，为7.07mA，经过转换后的交流电压为7.07*100＝0.707V，峰峰值约为2V。Rref2和Rref1通过5V的电压提供一个共模电压为Rref1/(Rref1+Rref2)*5V＝1.25V的电压,所以运放OPA277 56的输出范围为1.25V-1V(负峰值)到1.25V+1V(正峰值)也就是0.25V到2.25V，从而保证AD转换器AD7380 59获得最良好的性能。
5.7运放OPA277 57、增益电阻Rg 57a、高通滤波电阻Rh 57c、高通低通电阻Ch 57b构成了对扫频信号的精确放大。其中，Ch和Rh构成隔直电路，根据公式5Ch的的容抗X不足0.1欧，相对于Rh 1M欧，对交流的影响不足千万万分之一，可以忽略。
根据公式1可得运放放大器AD620的增益为10000倍。由于扫频信号的频率的有效值约为70.7mA，峰峰值为200mA，经过分流器3后的扫频信号的电压为70.7mA*0.3mΩ＝21.21uV，经过运放放大器AD620 58放大后的交流有效值为21.21*10000uV＝212.1mV，峰峰值为600mV运放输出参考电压为1.25V，所有到AD转换器AD7380 58的输入范围为1.25V-300mV到1.25+300mV，保证AD工作在良好的工作点上。
5.8AD转换器AD7380 58为16Bit同步转换器，能够同步采集两个信号，在本发明中用于同步采集分流器的扫频电流输入和扫频电压输出。
备注：直流部分从硬件上全部隔离了。
AD转换器AD7380 58为最高采样率为4MSPS，由于扫频信号的频率为1kHZ，本方面使用的采样率为256kSPS,在1kHz使用256点的FFT计算扫频的电流和分流器的电压值。
对于阻值非常小的分流器的电阻可以认为是一个电阻和一个电感的串联，如图11所示。分流器阻抗可以看做是有直流阻抗R和感抗jWL之和，由于AD转换器AD7380 58的两个通道为严格的同步采样，所以，通过FFT计算结果的实部就是分流器3的直流电阻值。
设，FFT计算后的扫频频率的电压向量为：
U＝Ure+jUim
设，FFT计算后的扫频频率的电流向量为：
I＝Ire+jIim
则分流器的阻抗为：
通过公式6可得：
由于采样率为256kSPS，每个周波采样256点，这样每1ms(毫秒)算一次分流器的实施电阻值R。
保证计算直流功率时，电阻值能够得到实施补偿。
5.9 REG1117F-3.3V电源转换59，主要用于给芯片提供3.3V的工作电源。
6、BF533主板主要由ADI公司的BF533芯片及其外设构成，芯片内置了大量的外设，包括1个SPI接口、两个SPORT接口、3个外部定时器、16个通用IO口、AMC接口(异步存储接口)等，完成本发明的核心算法、任务调度及显示和输入等。
7、无分频校验光电头7、采用珠海泰易自动化设备有限公司的TP11-5a，实现充电桩的有功电能的LED灯的闪烁时间的采集，也就是把电能脉冲的光信号转换成电信号。
8、显示LCD 8：液晶显示模块，直接由BF533 6通过AMC接口驱动显示。
9、键盘9、为简易键盘，共6个键盘输入到处理器BF533主板的6个IO上。
10、电源模块10、采用+/-15V和5V输出的开关小电源，+/-15V输出为直流电能采集电路和扫频实时校准电路提供工作电源，5V输出为无分频校验光电头和处理器(电源模块10输出5V，经电源变换器13转换为3.3V后为处理器供电)提供工作电源，电流输出0.5A。
11、分压电阻R2 11为2k 0.01％的精密电阻和分压电阻R1 12构成直流电压传感器变比为1000:2。
12、分压电阻R1 12或者为998k 0.01％的精密电阻和分压电阻R2 11构成直流电压传感器变比为1000:2，分压电阻R1、R2均采用百万分之一稳定度，0.01％准确度的精密电阻，一般阻值高的电阻容易做且价格便宜。
13、电源变换器13为5转3.3V的线性稳压模块，把5V的电源转换为3.3V供BF533主板6使用，使用固定电压输出的芯片REG1117F-3.3转换。
本发明的工作原理如下如图10(图5的简化)所示。
直流电能采集电路4、采集电压变换二次直流电压Uv和电流变换后的直流电压Ui，通过BF533主板58计算直流有功功率。
其中：
Uv为直流充电桩输出的二次直流电压Uv，Kv为分压电阻网络构成直流电压传感器变比，U为分流器的直流电压，R为扫频校准后的分流器的阻值。
由于R2和R1的阻值大，功率小，均为1ppm高稳定度电阻，长期准确度和稳定性均可以保证。分流器电阻阻值低，电流大，温升大，温度漂移大，所以阻值(R)是一个动态变化的值。
所有实时功率值为：
i:每个时刻的采样点值，也就是当前采样点，
R(i)的采样率为1kHZ也就是间隔为1ms，
R(i)值的计算通过扫频校准电路实现，
R(i)的计算见公式7，
所以，标准电能表的电能值的计算公式为：
Ts:为1ms
BF533主通过定时器(Timer1)采集被检的电能表的脉冲输出计算电能，并且与被标准表(本发明测试线)采样值计算的电能值做比较，计算出被检电能表的电能值。
电能表误差检测使用电能比较法。
标准电能表(本发明测试线)与被检充电桩都在连续工作的情况下,用被检充电机输出电能脉冲等效的电能(公式12)与同一时间内的标准电能表计算的电能值(公式13)做比较，计算电能误差，如公式(11)所示:
其中，
----Cx为被检电能表的脉冲常数单位为imp/kWh
----N为检测电能表的脉冲圈数，一般取5
---Ts为直流电能表采样间隔1ms
------(k2-k1)×Ts和被检电能表的N个脉冲时间重叠且相等
------
为Wh转换为kWh和被检电能表的kWh保持一致
式中:
Wx———被检充电桩N个脉冲时间内的等效电能值kWh；
Wb———标准电能表(本发明测试线)在被检表N个脉冲时间的等效电能值,kWh；
γ——被检电能表的有功误差
本发明研制了一种基于扫频法实时校准分流器阻值的电路。该电路的核心思想是：通过叠加一个交流信号，精确测量分流器的直流电阻值，用于直流有功功率计算的补偿且该信号不会影响有功功率的测量。
具体为：通过在分流器上任意叠加一个交流信号、该交流信号的频率可以根据需要任意设定由于我们测试的是直流有功功率，在电流分流器上叠加的电流交流信号只会影响到电流的有效值不会影响到有功功率，因为有功功率必须是电压和电流有同频率的交流信号才可以正交出交流有功功率。
通过精确测量该交流信号的电流值以及分流器的电压值，并通过同步AD转换器，同时采样电压和电流信号，通过FFT算法计算出分流器的直流电阻(R)。
本电路首先利用DDS 51产生任意频率的波形，并通过跨导放大器52进行放大后驱动升流器53，升流器53起隔离和放大电流作用，同时为了防止分流器上的直流电压输出对互感器有偏磁作用，增加了C1C2 55电容用于隔离分流器反送过来的直流信号。
通过精密的交流传感器54(交流精密传感器价格低廉)和精密IV转换运放56，把交流电流精确转换为AD转换58的电压输入值。
同时，分流器的电压的交流部分通过隔直(隔离通过电容器Ch 57b和Rh 57c构成的高通滤波器)、并把它放大10000倍，把分流器的交流小电压值为AD转换58的电压输入值。
AD转换58通过同步采样扫频信号的电压和电流值根据公式7，精确计算出分流器的直流电阻值。
如图12所示，直流充电桩测试的工作步骤如下：
步骤一、把充电桩测试线连接到充电桩和电动汽车接口上，并把无分频校验光电头连接到充电桩的脉冲输出上(采集被检电能表脉冲)。
步骤二、通过键盘输入被检充电桩内的电能表的脉冲常数。
步骤三、通过处理器BF533通过芯片上的定时器Timer1采集被检表的脉冲数，并实时计算本机电能，根据公式11，计算有功电能误差
步骤四、显示有功电能基本误差。
本发明利用直流充电桩测试线连接到充电桩的充电线插座和电动汽车的充电插座，直流充电桩测试线内部所有的连接信号直通，保证充电桩和电动汽车充电桩的互操作正常工作，再通过在电压和电流线路上增加电压和电流传感器获取直流电能的有功功率和有功电能，并与被检电能表的有功能做比对，检测被检充电桩的有功电能误差。
如图13所示，基于扫频法实时校准分流器阻值计算有功功率的补偿算法如下：
步骤一、BF533主板6通过SPI接口向扫频实时校准电路5设定DDS 51的频率值为1KHz(也可以其他合适频率)。
步骤二、BF533主板设定SOPRT1的采样率为1ksps，SOPRT2的采样率为256ksps。
步骤三、同步读取AD转换器58的两个AD通道数据，每隔256点，按公式7计算一次分流器的电阻(R)。
步骤四、同步读取AD转换器41的两个通道数据，同时把步骤三计算出来的R值代入公式9，每个1ms(采样率为1kHz)计算补偿的有功功率P。
本发明具有以下特点：
1)测试线采用延长线结构，可以直接在充电桩和电动汽车之间通过充电线延长接入、使用方便；
2)采用扫频法实时校准技术、实时校准普通分流器的阻值，提高准确度，大大减低成本(普通分流器非常便宜几百元甚至几十元，0.01级高精度的交流电流互感器非常便宜，一般低于200元)；
3)使用简单、设备小、价格便宜，成本不足传统校验装置(校验仪+负载结构)的1/10；
4)直接使用电动汽车作为负载，省去了大功率负载的成本和以及负载的电能消耗；
5)用电动汽车作为互操作模拟器、大大减低充电桩测试设备的使用难度、操作人员无需了解互操作知识。
以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视作为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种基于扫频校准分流器的直流充电桩测试方法，其特征是，包括以下步骤：
采集电动汽车充电时直流充电桩输出的电流电压信号，其中，在直流充电桩输出回路中设置分流器采集电流信号，并利用扫频法实时校准电路对分流器的阻值进行实时校准，采用分压电阻网络采集电压信号；
对采集的电流电压信号进行模数转换获取直流充电桩输出的二次直流电压Uv和分流器的直流电压Ui；
利用采集的Uv、Ui和校准后的分流器的阻值计算直流充电桩输出的实时直流有功功率；
采集被检充电桩内电能表的脉冲数；
根据实时直流有功功率和被检充电桩内电能表的脉冲数计算直流充电桩的有功电能误差；
对分流器的阻值进行实时校准，包括：
在分流器上叠加一个交流信号；
测量该交流信号的电流值以及分流器的电压值，同时采样直流电流信号；
采用FFT算法计算出分流器的实时电阻：
式中，Ure为分流器的直流阻抗电压，Uim为分流器的感抗电压，Ire为分流器的直流阻抗电流，Iim为分流器的感抗电流。
2.根据权利要求1所述的基于扫频校准分流器的直流充电桩测试方法，其特征是，直流充电桩输出的实时直流有功功率的计算公式为：
式中，Uv为直流充电桩输出的二次直流电压Uv，Kv为分压电阻网络构成直流电压传感器变比，i为每个时刻的采样点值，Ui为分流器的实时直流电压，R(i)为扫频校准后的分流器的阻值。
3.根据权利要求2所述的基于扫频校准分流器的直流充电桩测试方法，其特征是，所述有功电能误差的计算公式为：
式中，γ为被检电能表的有功误差，Wx为被检充电桩N个脉冲时间内的等效电能值，Wb为标准电能表在被检表N个脉冲时间的等效电能值,Cx为被检电能表的脉冲常数，N为检测电能表的脉冲圈数，Ts为直流电能表采样间隔，(k2-k1)×Ts和被检电能表的N个脉冲时间重叠且相等。
4.一种基于扫频校准分流器的直流充电桩测试装置，其特征是，包括：
电流电压信号采集模块，用于采集电动汽车充电时直流充电桩输出的电流电压信号，其中，在直流充电桩输出回路中设置分流器采集电流信号，并利用扫频法实时校准电路对分流器的阻值进行实时校准，采用分压电阻网络采集电压信号；
模数转换模块，用于对采集的电流电压信号进行模数转换获取直流充电桩输出的二次直流电压Uv和分流器的直流电压Ui；
有功功率计算模块，用于利用采集的Uv、Ui和校准后的分流器的阻值计算直流充电桩输出的实时直流有功功率；
脉冲采集模块，用于采集被检充电桩内电能表的脉冲数；
有功电能误差计算模块，用于根据实时直流有功功率和被检充电桩内电能表的脉冲数计算直流充电桩的有功电能误差；
所述电流电压信号采集模块包括分流器实时校准模块，所述分流器实时校准模块，用于：
在分流器上叠加一个交流信号；
测量该交流信号的电流值以及分流器的电压值，同时采样直流电流信号；
采用FFT算法计算出分流器的实时电阻：
式中，Ure为分流器的直流阻抗电压，Uim为分流器的感抗电压，Ire为分流器的直流阻抗电流，Iim为分流器的感抗电流。
5.一种基于扫频校准分流器的直流充电桩测试设备，其特征是，包括供电插座、测试部、充电插座和充电线，所述供电插座、测试部件和充电插座通过充电线依次连接；所述测试部包括壳体、分流器、直流电能采集电路、扫频实时校准电路、分压电阻网络、无分频校验光电头、处理器、电源模块和显示屏；所述分流器设置在充电线直流回路中，并与直流电能采集电路连接，用于采集电动汽车充电时直流充电桩输出的电流信号；所述分压电阻网络设置在充电线直流回路中，并与直流电能采集电路连接，用于采集直流充电桩输出的二次直流电压Uv；所述直流电能采集电路与处理器连接，用于计算直流充电桩输出的实时直流有功功率；扫频实时校准电路的输入端与分流器连接，输出端与处理器连接，用于实时校准分流器的阻值；所述无分频校验光电头连接到充电桩的脉冲输出上，用于获取直流充电桩的电能脉冲的光信号并发送给处理器；所述处理器用于计算电能基本误差并发送给显示屏进行显示；所述电源模块的输入端连接到充电线直流回路上，输出端分别与直流电能采集电路、扫频实时校准电路、无分频校验光电头和处理器连接；
所述扫频实时校准电路包括扫频发生器DDS、跨导功放、升流器、电流互感器、隔直电容、I/V转换器、I/V转换器反馈电阻、可编程增益放大器、增益电阻、高通滤波电容Ch、高通电阻Rh、第二双通道AD转换器、电位参考电阻Rref1和电位参考电阻Rref2，所述升流器的输入侧一端与分流器连接直流充电桩的一端连接，输入侧另一端依次经过隔直电容和电流互感器与分流器连接电动汽车的一端连接，升流器的输出经过跨导功放与扫频发生器DDS的输入端连接，所述扫频发生器DDS的输出端与处理器连接；所述电流互感器的输出端经过I/V转换器与第二双通道AD转换器的一输入端连接；所述可编程增益放大器的输入端与分流器连接，输出端与第二双通道AD转换器的另一输入端连接，所述第二双通道AD转换器的输出端与处理器连接。
6.根据权利要求5所述的基于扫频校准分流器的直流充电桩测试设备，其特征是，所述直流电能采集电路包括第一双通道AD转换器、电压可编程增益放大器、电流可编程增益放大器、增益电阻Rg2、低通滤波器电容CL和低通滤波器电阻RL，所述电压可编程增益放大器的输入端与分压电阻网络连接，输出端与第一双通道AD转换器的一输入端连接；所述电流可编程增益放大器的输入端与分流器连接，所述低通滤波器电阻RL设置在电流可编程增益放大器的正极输入电路中，所述低通滤波器电容CL的两端分别与电流可编程增益放大器的正负输入端连接，所述增益电阻Rg2的两端分别与电流可编程增益放大器的两个RG引脚连接，所述电流可编程增益放大器的的输出端与第一双通道AD转换器的另一输入端连接，所述第一双通道AD转换器的输出端与处理器连接。
7.根据权利要求5所述的基于扫频校准分流器的直流充电桩测试设备，其特征是，所述分压电阻网络包括分压电阻R1和分压电阻R2，所述分压电阻R1和分压电阻R2串联在充电线的正负极之间，所述分压电阻R1与充电线的负极连接，所述分压电阻R2与充电线的正极连接，所述直流电能采集电路的正负相电压输入端分别连接在分压电阻R2的两端。
8.根据权利要求5所述的基于扫频校准分流器的直流充电桩测试设备，其特征是，所述处理器采用下式计算电能基本误差γ：
式中，γ为被检电能表的有功误差，Wx为被检充电桩N个脉冲时间内的等效电能值，Wb为标准电能表在被检表N个脉冲时间的等效电能值,Cx为被检电能表的脉冲常数，N为检测电能表的脉冲圈数，Ts为直流电能表采样间隔，(k2-k1)×Ts和被检电能表的N个脉冲时间重叠且相等。
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| CN202010608799.8A CN111722044B (zh) | 2020-06-29 | 2020-06-29 | 基于扫频校准分流器的直流充电桩测试方法、装置及设备 |
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