CN113075484B - 一种电动汽车充电设备远程智慧计量质量监测系统 - Google Patents

Abstract

一种电动汽车充电设备远程智慧计量质量监测系统，属于电动汽车充电桩计量质量监测技术领域，包括充电设备远程智慧计量质量监测装备和云平台，充电设备远程智慧计量质量监测装备包括采样模块、采样CPU和DTU通信模块，采样模块采集充电设备充电过程中的电流电压，并传输至采样CPU，采样CPU接收采集的电流电压，对电流电压进行电能积分，获取电能值，并将电能值通过DTU通信模块传输至云平台，云平台将电能值与充电设备反馈的电能示值进行比对，获取误差值，根据误差值对充电设备进行计量质量监测结果判断。本发明采用交直流一体式监测，同时具备非车载充电机和交流充电桩的监测功能，可满足国家检定规程和检测标准中对准确度的要求。

Description

一种电动汽车充电设备远程智慧计量质量监测系统

技术领域

本发明属于电动汽车充电桩计量质量监测技术领域，具体是涉及一种电动汽车充电设 备远程智慧计量质量监测系统。

背景技术

随着国家新能源电动汽车战略政策的深入实施，电动汽车充电设施快速增长，且电动 汽车充电桩产业的运作模式大多建立在互联网基础上，有统一的运营平台进行日常充电运 营。在这样的市场背景下，传统的计量质量监管方式，难以满足市场监管实时高效的要求。

因此需要提出一种新的方案来解决这个问题。

发明内容

本发明主要是解决上述现有技术所存在的技术问题，提供一种电动汽车充电设备远程 智慧计量质量监测系统。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：一种电动汽车充电设备 远程智慧计量质量监测系统，包括充电设备远程智慧计量质量监测装备和云平台，所述充 电设备远程智慧计量质量监测装备与云平台通信连接，所述充电设备远程智慧计量质量监 测装备包括采样模块、采样CPU和DTU通信模块，所述采样模块连接充电设备，采集充电 设备充电过程中的电流电压，并将电流电压传输至采样CPU，所述采样CPU接收采样模块 采集的电流电压，对电流电压进行电能积分，获取电能值，并将电能值通过DTU通信模块传输至云平台，所述云平台将电能值与充电设备反馈的电能示值进行比对，获取误差值，根据误差值对充电设备进行计量质量监测结果判断。

作为优选，所述采样模块包括用于采集充电设备充电过程中直流电压的直流电压信号 取样电路、用于采集充电设备充电过程中直流电流的直流电流信号取样电路、用于采集充 电设备充电过程中交流电压的交流电压信号取样电路、以及用于采集充电设备充电过程中 交流电流的交流电流信号取样电路，所述直流电压信号取样电路、直流电流信号取样电路、 交流电压信号取样电路、交流电流信号取样电路可分别单独测量或同时测量。

作为优选，所述直流电压信号取样电路包括电阻分压电路、可编程增益放大电路、ADC 转换电路、以及ADC基准电压电路，所述电阻分压电路将直流电压分压成小信号，小信号 经可编程增益放大电路放大后满量程输入至ADC转换电路进行模数转换。

作为优选，所述直流电流信号取样电路包括零磁通电流传感器、取样电阻、可编程增 益放大电路、ADC转换电路、以及ADC基准电压电路，所述零磁通电流传感器测量取样电阻上的直流电流，经可编程增益放大电路放大后满量程输入至ADC转换电路进行模数转换。

作为优选，所述交流电压信号取样电路包括电阻分压电路、可编程增益放大电路、ADC 转换电路、以及ADC基准电压电路，所述电阻分压电路将交流电压分压成小信号，小信号 经可编程增益放大电路放大后满量程输入至ADC转换电路进行模数转换。

作为优选，所述交流电流信号取样电路包括有源补偿电流互感器、取样电阻、可编程 增益放大电路、ADC转换电路、以及ADC基准电压电路，所述有源补偿电流互感器测量取样电阻上的交流电流，经可编程增益放大电路放大后满量程输入至ADC转换电路进行模数转换。

作为优选，所述有源补偿电流互感器包括一次绕组、二次绕组、补偿绕组、励磁绕组、 以及补偿电路，所述补偿绕组和励磁绕组分别与补偿电路相连，所述二次绕组与取样电阻 相连，所述取样电阻包括大电流档位电阻和小电流档位电阻，并用继电器进行控制选择， 所述小电流档位电阻的电阻值为大电流档位电阻的电阻值的10倍。

作为优选，还包括信号隔离电路，所述信号隔离电路用于采样CPU接收电流电压时， 对干扰数字部分信号的模拟部分信号进行隔离。

作为优选，还包括PC人机交互模块，所述PC人机交互模块与采样CPU通信连接，所述PC人机交互模块为工业级一体机。

作为优选，所述DTU通信模块包括控制器MCU和无线模块，所述控制器MCU和无线模块相连，所述无线模块上设有SIM卡接口，所述DTU通信模块通过4G网络将数据信息上 传至云平台，所述控制器MCU上设有RS-485通信模块和/或RS-232通信模块，所述控制 器MCU与采样CPU之间通过RS-485通信模块和/或RS-232通信模块相连。

本发明具有的有益效果：本发明采用交直流一体式监测，使其同时具备非车载充电机 和交流充电桩的监测功能，可满足国家检定规程和检测标准中对检测设备准确度的要求， 同时本发明还具备远程同步传输的功能。本发明将国家检定规程、检测标准中关于充电设 备计量和质量检测结果的限定值作为云平台启动预警软件的阀值，便于对市场上充电设备 的计量准确度和质量开展日常监测、及产品质量的监控。本发明通过充电设备远程智慧计 量质量监测装备数据采集、并与相应软件配合、及云平台监测数据的长期积累，可形成标 准的充电设备充电监测曲线，及标准数据库，最终实现充电设备的计量质量相关性能的远 程大数据监管。

附图说明

图1是本发明的一种结构示意图；

图2是本发明充电设备远程智慧计量质量监测装备的一种结构示意图；

图3是本发明DTU通信模块的一种结构示意图；

图4是本发明有源补偿电流互感器的一种原理示意图；

图5是本发明补偿电路的一种电路结构示意图；

图6是本发明交流电流信号取样电路中取样电阻的一种使用示意图。

图中：1、充电设备远程智慧计量质量监测装备；2、云平台；3、采样CPU；4、DTU 通信模块；5、直流电压信号取样电路；6、直流电流信号取样电路；7、交流电压信号取 样电路；8、交流电流信号取样电路；9、信号隔离电路；10、PC人机交互模块；11、充电 设备。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：一种电动汽车充电设备远程智慧计量质量监测系统，如图1-图6所示，包括 充电设备远程智慧计量质量监测装备1和云平台2，所述充电设备远程智慧计量质量监测 装备1用于与充电设备11连接，所述充电设备远程智慧计量质量监测装备1、云平台2和充电设备11之间建立通信连接，即所述充电设备远程智慧计量质量监测装备1、云平台2 和充电设备11之间通过统一的通信协议进行工作。当充电设备11给电动汽车进行充电时， 充电设备远程智慧计量质量监测装备1连接在充电设备11与电动汽车之间。所述充电设 备11与云平台2通信连接，所述充电设备11包括非车载充电机和交流充电桩。

所述充电设备远程智慧计量质量监测装备1包括采样模块、采样CPU3和DTU通信模块4，所述采样模块与充电设备11相连接，采集充电设备11充电过程中的电流电压，并 将电流电压传输至采样CPU3；所述采样CPU3接收采样模块采集的电流电压，对电流电压 进行电能积分，获取电能值，并将电能值通过DTU通信模块4传输至云平台2，所述云平 台2将电能值与充电设备11反馈的电能示值进行比对，获取误差值，根据误差值对充电 设备11进行计量质量监测结果判断。检定依据为国家现行有效的《电动汽车交流充电桩》、 《电动汽车非车载充电机》检定规程以及检测标准。

所述采样模块包括用于采集充电设备11充电过程中直流电压的直流电压信号取样电 路5、用于采集充电设备11充电过程中直流电流的直流电流信号取样电路6、用于采集充 电设备11充电过程中交流电压的交流电压信号取样电路7、以及用于采集充电设备11充电过程中交流电流的交流电流信号取样电路8，所述直流电压信号取样电路5、直流电流 信号取样电路6、交流电压信号取样电路7、交流电流信号取样电路8均设有多路，所述 直流电压信号取样电路5、直流电流信号取样电路6、交流电压信号取样电路7、交流电流 信号取样电路8可根据实际需求分别单独测量或同时测量，运用灵活。

所述直流电压信号取样电路5包括电阻分压电路、可编程增益放大电路、ADC转换电 路、以及ADC基准电压电路，所述电阻分压电路将直流电压分压成小信号，小信号经可编程增益放大电路放大后满量程输入至ADC转换电路进行模数转换。电阻采用意杰公司生产的低温度系数、高精密的UPR系统金属膜电阻，温度系数为2ppm/℃。所述ADC转换电路 采用满量程输入，提高了采样准确度。所述ADC基准电压电路给ADC转换电路供电，选用 超精密低噪声的ADR421，长期稳定性好，可达50ppm/1000h。上述器件的选用保证了模拟 输入信号的稳定性，提高了计量装置的稳定性和准确性。

所述直流电流信号取样电路6包括零磁通电流传感器、取样电阻、可编程增益放大电 路、ADC转换电路、以及ADC基准电压电路，所述零磁通电流传感器测量取样电阻上的直流电流，经可编程增益放大电路放大后满量程输入至ADC转换电路进行模数转换。零磁通电流传感器基于磁-电转换，依赖于磁材料的强非线性，采用两个反激的直流磁芯和一个交流感应磁芯，以达到磁通平衡，具有极高的测量动态范围和精度，2ppm的零点失调、2ppm的线性度、0.1ppm/k的温漂系数确保了宽量程电流的测量准确性。直流电流信号取样电路6中，其他电路采用的器件与直流电压信号取样电路5相同。

所述交流电压信号取样电路7包括电阻分压电路、可编程增益放大电路、ADC转换电 路、以及ADC基准电压电路，所述电阻分压电路将交流电压分压成小信号，小信号经可编程增益放大电路放大后满量程输入至ADC转换电路进行模数转。交流电压信号取样电路7采用的器件与直流电压信号取样电路5相同。

所述交流电流信号取样电路8包括有源补偿电流互感器、取样电阻、可编程增益放大 电路、ADC转换电路、以及ADC基准电压电路，所述有源补偿电流互感器测量取样电阻上的交流电流，经可编程增益放大电路放大后满量程输入至ADC转换电路进行模数转换。所述有源补偿电流互感器除了常规的一次绕组、二次绕组外，还多了补偿绕组、励磁绕组和补偿电路，并通过补偿电路使主铁芯达到零磁通，以提高准确性。所述补偿绕组和励磁绕组分别与补偿电路相连，所述一次绕组作为输入绕组，二次绕组作为输出绕组，二次绕组与取样电阻相连。所述取样电阻包括大电流档位电阻和小电流档位电阻，并用继电器进行控制选择，小电流档位电阻的电阻值为大电流档位电阻的电阻值的10倍。交流电流信号 取样电路8中，其他电路采用的器件与直流电压信号取样电路5相同。

在充电过程中，尤其最后小电流涓流充电时，为了测量的准确性，需要切换至小电流 档位，根据充电所需的连续性，现有的电流互感器无法采用互感器一次侧换挡的方式，会 产生开路状态，从而影响电能的累计。如图6所示，本计量装置的有源补偿电流互感器采用互感器二次侧切换取样电阻的方式，在大电流时，电流通过互感器一次侧，二次产生感应电流，并通过电阻R218//电阻R221转换成取样电压，然后经PGA205AU可编程增益放大 器适量放大后进入ADC转换电路；当电流减小，低于大电流档位量程的10％时，继电器K1 自动断开，取样电阻变为电阻R218，由于取值关系R218＝10*(R218//R221)，因此仍旧满 足PGA205AU可编程增益放大器的取样电压。采用上述设计，有效确保了小电流时的测量 准确性。

所述直流电压信号取样电路5、直流电流信号取样电路6、交流电压信号取样电路7、 交流电流信号取样电路8中的可编程增益放大电路均为独立采样，相互之间不受干扰，可 根据测量数据自动调节增益倍率，提高测量的准确性。

所述采样CPU3采用了ST公司的32位ARM核心的STM32F4xx系列处理器，提供了工作频率为168MHZ的Cortex^TM-M4内核性能，内置32位乘法器和除法器、及单精度浮点运 算单元，提高了离散傅里叶变换运算的效率，保证了直流系统的纹波和交流系统的谐波计 量。

所述DTU通信模块4包括控制器MCU和无线模块，所述控制器MCU和无线模块相连，所述无线模块上设有SIM卡接口，所述DTU通信模块4通过4G网络将数据信息上传至云 平台2，所述控制器MCU上设有RS-485通信模块和/或RS-232通信模块，所述控制器MCU 与采样CPU3之间通过RS-485通信模块和/或RS-232通信模块相连。所述控制器MCU上还 设有指示灯，用于连接状态显示。

所述云平台2，将国家检定规程、检测标准中关于充电设备11计量和质量检测结果的 限定值作为云平台2启动预警软件的阀值，以便于对市场上充电设备11的计量准确度和质量开展日常监测、及产品质量的监控。

上述计量质量监测系统，还包括信号隔离电路9，所述信号隔离电路9用于采样CPU3 接收电流电压时，对干扰数字部分信号的模拟部分信号进行隔离。所述信号隔离电路9采 用ADI公司的磁耦，具有低功耗、高传输速率、瞬态共模抑制能力25KV/us、以及小于3ns的脉宽失真的特点，能有效减少模拟部分信号对数字部分信号的干扰。

上述计量质量监测系统，还包括PC人机交互模块10，所述PC人机交互模块10上设有RS-232通信模块，并通过RS-232通信模块与采样CPU3通信连接。所述PC人机交互模 块10采用工业级一体机，端口配置丰富，体积小，功耗低，稳定性强，采用Windows系 统，软件适配度高。

上述计量质量监测系统使用时，将充电设备11(非车载充电机或交流充电桩)的充电 枪接入充电设备远程智慧计量质量监测装备1的输入端插座，确保可靠连接，使用配套的 双枪线将待充电车辆与充电设备远程智慧计量质量监测装备1的输出端插座相连，并检查 充电设备11的连接状态；连接就绪后，刷卡启动充电设备11，待充电设备11与待充电车辆完成交互后进入能量传输充电阶段。

充电设备远程智慧计量质量监测装备1实时测量充电设备11的充电电压和充电电流。 模拟量数据经ADC转换电路转换为数字量数据后，由采样CPU3读取并存放于相应的寄存 器内，通过DMA搬运至内存中。中断处理程序将周波数据存于各自的数组内，采用双数组交替存储。在主循环程序中，当检测到一个周波数据存储完成后，即刻运算得出相应的电压、电流、功率因数、功率等，根据所测有功功率随时间积分出该次充电的累计电能和总 电能，然后与充电设备11该次充电输出的电能示值进行比对，使用走字法计算误差值。

自充电设备远程智慧计量质量监测装备1开机之时起，采样CPU3通过DTU通信模块4 与云平台2实时通信，报文交互经二次握手后，确认连接成功，随后以心跳机制确保连接的有效性，并上传实时监测数据。

综上所述，本发明采用交直流一体式监测，使其同时具备非车载充电机和交流充电桩 的监测功能，可满足国家检定规程和检测标准中对检测设备准确度的要求，同时本发明还 具备远程同步传输的功能。本发明将国家检定规程、检测标准中关于充电设备计量和质量 检测结果的限定值作为云平台启动预警软件的阀值，便于对市场上充电设备的计量准确度 和质量开展日常监测、及产品质量的监控。本发明通过充电设备远程智慧计量质量监测装 备数据采集、并与相应软件配合、及云平台监测数据的长期积累，可形成标准的充电设备 充电监测曲线，及标准数据库，最终实现充电设备的计量质量相关性能的远程大数据质量 监管。

最后，应当指出，以上实施例仅是本发明较有代表性的例子。显然，本发明不限于上 述实施例，还可以有许多变形。凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单 修改、等同变化与修饰，均应认为属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电动汽车充电设备远程智慧计量质量监测系统，其特征在于，包括充电设备远程智慧计量质量监测装备和云平台，所述充电设备远程智慧计量质量监测装备与云平台通信连接，所述充电设备远程智慧计量质量监测装备包括采样模块、采样CPU和DTU通信模块，所述采样模块连接充电设备，采集充电设备充电过程中的电流电压，并将电流电压传输至采样CPU，所述采样CPU接收采样模块采集的电流电压，对电流电压进行电能积分，获取电能值，并将电能值通过DTU通信模块传输至云平台，所述云平台将电能值与充电设备反馈的电能示值进行比对，获取误差值，根据误差值对充电设备进行计量质量监测结果判断；

所述采样模块包括用于采集充电设备充电过程中交流电流的交流电流信号取样电路；所述交流电流信号取样电路包括有源补偿电流互感器、取样电阻、可编程增益放大电路、ADC转换电路、以及ADC基准电压电路，所述有源补偿电流互感器测量取样电阻上的交流电流，经可编程增益放大电路放大后满量程输入至ADC转换电路进行模数转换；

所述有源补偿电流互感器包括一次绕组、二次绕组、补偿绕组、励磁绕组、以及补偿电路，所述补偿绕组和励磁绕组分别与补偿电路相连，所述一次绕组作为输入绕组，二次绕组作为输出绕组，所述二次绕组与取样电阻相连，所述取样电阻包括大电流档位电阻和小电流档位电阻，并用继电器进行控制选择，所述小电流档位电阻的电阻值为大电流档位电阻的电阻值的10倍；

所述补偿电路包括电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、二极管D1、二极管D2、二极管D3、二极管D4、电容C1、电容C2、电容C3、电容C4、运算放大器IC1、运算放大器IC2、NPN三极管Q1、以及PNP三极管Q2，所述电阻R1的一端分别接二极管D1的负极和二极管D2的正极，且其公共连接端为接线口COMPA1，所述电阻R1的另一端分别接运算放大器IC1的反相输入端、电阻R2的一端、电容C1的一端和电容C2的一端，所述运算放大器IC1的同相输入端分别接二极管D1的正极和二极管D2的负极，且其公共连接端接地，所述运算放大器IC1的输出端分别接电阻R3的一端、电容C3的一端、电容C2的另一端、电容C1的另一端和电阻R2的另一端，所述电容C3的另一端接电阻R4的一端，所述运算放大器IC2的反相输入端分别接电阻R3的另一端、电阻R4的另一端、电阻R7的一端、电容C4的一端和电阻R6的一端，所述电容C4的另一端接电阻R5的一端，所述运算放大器IC2的同相输入端接地，所述运算放大器IC2的输出端分别接二极管D4的正极、电阻R7的另一端和二极管D3的负极，所述二极管D3的正极分别接电阻R8的一端和NPN三极管Q1的基极，所述NPN三极管Q1的集电极接电阻R8的另一端，且其公共连接端接电压+12V，所述NPN三极管Q1的发射极接电阻R10的一端，所述二极管D4的负极分别接电阻R9的一端和PNP三极管Q2的基极，所述PNP三极管Q2的集电极接电阻R9的另一端，且其公共连接端接电压-12V，所述PNP三极管Q2的发射极接电阻R11的一端，所述电阻R11的另一端分别接电阻R10的一端、电阻R5的另一端和电阻R6的另一端，且其公共连接端为接线口COMPA2。

2.根据权利要求1所述的一种电动汽车充电设备远程智慧计量质量监测系统，其特征在于，所述采样模块还包括用于采集充电设备充电过程中直流电压的直流电压信号取样电路、用于采集充电设备充电过程中直流电流的直流电流信号取样电路、以及用于采集充电设备充电过程中交流电压的交流电压信号取样电路，所述直流电压信号取样电路、直流电流信号取样电路、交流电压信号取样电路、交流电流信号取样电路可分别单独测量或同时测量。

3.根据权利要求2所述的一种电动汽车充电设备远程智慧计量质量监测系统，其特征在于，所述直流电压信号取样电路包括电阻分压电路、可编程增益放大电路、ADC转换电路、以及ADC基准电压电路，所述电阻分压电路将直流电压分压成小信号，小信号经可编程增益放大电路放大后满量程输入至ADC转换电路进行模数转换。

4.根据权利要求2所述的一种电动汽车充电设备远程智慧计量质量监测系统，其特征在于，所述直流电流信号取样电路包括零磁通电流传感器、取样电阻、可编程增益放大电路、ADC转换电路、以及ADC基准电压电路，所述零磁通电流传感器测量取样电阻上的直流电流，经可编程增益放大电路放大后满量程输入至ADC转换电路进行模数转换。

5.根据权利要求2所述的一种电动汽车充电设备远程智慧计量质量监测系统，其特征在于，所述交流电压信号取样电路包括电阻分压电路、可编程增益放大电路、ADC转换电路、以及ADC基准电压电路，所述电阻分压电路将交流电压分压成小信号，小信号经可编程增益放大电路放大后满量程输入至ADC转换电路进行模数转换。

6.根据权利要求1所述的一种电动汽车充电设备远程智慧计量质量监测系统，其特征在于，还包括信号隔离电路，所述信号隔离电路用于采样CPU接收电流电压时，对干扰数字部分信号的模拟部分信号进行隔离。

7.根据权利要求1所述的一种电动汽车充电设备远程智慧计量质量监测系统，其特征在于，还包括PC人机交互模块，所述PC人机交互模块与采样CPU通信连接，所述PC人机交互模块为工业级一体机。

8.根据权利要求1所述的一种电动汽车充电设备远程智慧计量质量监测系统，其特征在于，所述DTU通信模块包括控制器MCU和无线模块，所述控制器MCU和无线模块相连，所述无线模块上设有SIM卡接口，所述DTU通信模块通过4G网络将数据信息上传至云平台，所述控制器MCU上设有RS-485通信模块和/或RS-232通信模块，所述控制器MCU与采样CPU之间通过RS-485通信模块和/或RS-232通信模块相连。

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