CN113933580B - 一种基于瞬时有功同步的直流充电桩效率检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于瞬时有功同步的直流充电桩效率检测系统及方法，系统包括交流瞬时有功测量电路、直流瞬时有功测量电路、同步采样电路和主控模块；同步采样电路，对交流瞬时有功测量电路输出的交流有功功率信号和直流瞬时有功测量电路输出的直流有功功率信号，使用1MSPS的采样速率进行同步采样，主控模块基于同步采样值，在采样周期内计算直流充电桩的效率。三相交流有功功率和直流有功功率的同步测量达到us级别，整体准确度优于0.1％，实现了直流充电桩的效率检定与交流电源的稳定度和直流输出的稳定度无关；降低成本，提高检测准确度，消除信号非同步的误差，测量一致性好，准确测量。
Description
技术领域
本发明属于充电桩检测技术领域，更具体地，涉及一种基于瞬时有功同步的直流充电桩效率检测系统及方法。
背景技术
随着新能源汽车的大量使用，目前充电桩数量正在急剧增加，充电桩的工作可靠性及安全性得到了社会前所未有的关注。根据国家标准《NB/T33001-2018电动汽车非车载传导式充电机技术条件》的相关规定，要求非车载传导式充电机，即直流充电桩，当实际输出功率达到50％以上时充电效率要达到93％以上，可见，充电效率是直流充电桩最重要的指标之一。
现有技术中，对直流充电桩的充电效率的主流测试方法是分体式测量方案，对三相交流输入的电压和电流用三相交流功率表测量，然后再用直流表分别测量直流充电桩的输出电压和输出电流，或用直流充电桩校验仪直接测试直流功率，通过计算得出直流充电桩的效率；分体式测量方案中，由于交流测量和直流测量使用不同仪器，只能通过人工的方式或软件读取的方式进行同步，同步时间一般为秒级；分体式测量方案采用三相电网作为测试电源，然而380V电网的电压的谐波失真度最高可达5％，由于电网的电压稳定差，三相交流表和直流电压表、直流电流表不在同一时间段内测量，测量准确度和电网的稳定度有直接相关，同时也和充电机的直流输出的电压、输出电流稳定度有关，测量的重复性差，一般用于测量准确度小于5％的场合。为了提高分体式测量方案的准确度，增加使用三相稳压电源，但是三相稳压电源价格昂贵，并且随着测量准确度的提高，对三相稳压电源稳定度要求更高，根据计量的通用准则，测量准确度若要达到0.1％，则稳压源的稳定度要达到0.02％，对于大功率，尤其是60kW～240kW，其稳定度达到0.02％的稳压电源通用商品难以采购；此外，一般60kW以上的三相稳压电源均使用开关功放技术，稳定性和准确度在0.5％的水平，同样由于三相交流表和直流电压表、直流电流表不在同一时间段内测量，测量准确度和三相稳压电源的输出稳定度有直接关系，也和充电机的直流输出的电压、输出电流稳定度有关，测量的重复性较差，同时，三台仪表的准确度，还存在系统综合误差，在交流功率表、直流电压表、直流电流表的准确度都是0.05％，也只能达到0.05×3＝0.15％的准确度，由于三相稳压电源的电压会波动，最多只能获得不到0.5％的效率测量准确度。
现有技术中，对直流充电桩的充电效率的另一种测试方法是多通道录波仪集中式测量方案，直接采购8通道以上的多通道录波仪，进行相对同步测量，录波仪的6个通道用测量交流三相电压和电流，另外2个通道用来测量直流电压和直流电流。一般录波仪都是使用频域算法类似FFT、DFT算法，并且使用固定采样率，无论是电网或三相稳压电压的频率都会有波动，会造成电网频率和采样率不整除的同步误差，而且频域算法的准确测量也需要至少一个周波，约20ms左右的延时，所以使用多通道录波仪集中式测量，只是比分体式测量的同步性能提高了，其同步至少需要延时20ms以上，一般需要100ms以上，因此多通道录波仪集中式测量尽管从同个通道是同步进行录波的，但是不同的软件处理会带来很多的非同步测量巨大差异，其值一般在20ms～500ms之间。多通道录波仪集中式测量方案中，交流有功率和直流有功功率的同步性相对于分体式测量方案有提高，但是仍然不足，特别是在直接使用电网的三相供电电源时，并且多通道录波仪集中式测量的价格需要数十万成本的高昂成本。
此外，直流充电桩的直流输出功率也需要非常稳定，按照国家标准《NB/T33001-2018电动汽车非车载传导式充电机技术条件》规定的直流充电桩的稳压精度为0.5％，稳流精度为1％，因此，现有技术中采用的测量方案均无法满足高准确度充电效率的检测要求。因此，需要研制一种高准确度的直流充电桩效率检测系统及方法。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于瞬时有功同步的直流充电桩效率检测系统及方法，能保证交流功率和直流功率能够在信号us级别进行同步测量，无论电网的电压的谐波失真度有多高，无论直流充电桩的稳压和稳流准确度多低，均能准确测量直流充电桩的效率，测量准确度优于0.1级，为准确测量直流充电桩的充电效率，促进直流充电桩厂家降低充电机的整机损耗，提升能效利用率，减少能源浪费具有巨大推进作用。
本发明采用如下的技术方案。
一种基于瞬时有功同步的直流充电桩效率检测系统，直流充电桩的交流侧经用户侧交流供电插座和电网侧交流供电插座接入交流电网，直流充电桩的直流侧接入电池模拟装置及BMS模拟器；
检测系统包括：交流瞬时有功测量电路、直流瞬时有功测量电路、同步采样电路和主控模块；
交流瞬时有功测量电路的第一交流输入端经交流电流电压转换模块、第二交流输入端经交流电压跟踪模块，均接入用户侧交流供电插座和电网侧交流供电插座之间的交流线路中；
直流瞬时有功测量电路的第一直流输入端经直流电压跟踪模块、第二直流输入端直流电压放大模块，均接入直流充电桩与电池模拟装置及BMS模拟器之间的直流线路中；
同步采样电路，对交流瞬时有功测量电路输出的交流有功功率信号和直流瞬时有功测量电路输出的直流有功功率信号，使用设定的采样速率进行同步采样，得到交流瞬时有功功率采样值和直流瞬时有功功率采样值；所述主控模块利用交流瞬时有功功率采样值和直流瞬时有功功率采样值，在采样周期内计算直流充电桩的效率。
用户侧交流供电插座和电网侧交流供电插座之间的交流线路中串联有交流电流互感器、并联有交流电压分压电阻模块，交流电流电压转换模块接入交流电流互感器的二次侧，交流电压跟踪模块接入交流电压分压电阻模块的二次侧。
直流充电桩与电池模拟装置及BMS模拟器之间的直流线路的正极和负极之间并联有直流电压分压电阻网络；直流充电桩与电池模拟装置及BMS模拟器之间的直流线路的正极串联有直流电流互感器；直流电压跟踪模块接入直流电压分压电阻网络的二次侧，所述直流电压放大模块接入直流电流互感器的二次侧。
交流电流电压转换模块包括第一运算放大器和射频电阻。
交流电压跟踪模块和直流电压跟踪模块均采用射随电路结构，射随电路包括第二运算放大器。
直流电压放大模块包括仪表放大器和增益电阻。
交流瞬时有功测量电路包括：第一乘法器、第二乘法器和第三乘法器；
第一乘法器的第一差动输入端接入第一交流A相输入端、第二差动输入端接入第二交流A相输入端，输出端接入第二乘法器的第三差动输入端；
第二乘法器的第一差动输入端接入第一交流B相输入端、第二差动输入端接入第二交流B相输入端，输出端接入第三乘法器的第三差动输入端；
第三乘法器的第一差动输入端接入第一交流C相输入端、第二差动输入端接入第二交流C相输入端，输出端输出交流有功功率信号。
直流瞬时有功测量电路包括：第四乘法器；
第四乘法器的第一差动输入端接入第一直流输入端、第二差动输入端接入第二直流输入端，输出端输出直流有功功率信号。
所述同步采样电路包括双通道同步采样芯片、电源变换器和采样分压网络；所述双通道同步采样芯片的输入端分别经分压电阻接入交流有功功率信号和直流有功功率信号；
所述双通道同步采样芯片的采样速率为4MSPS，两个采样通道之间的延时不大于1ns。
一种基于瞬时有功同步的直流充电桩效率检测方法，包括：
步骤1，采集直流充电桩的交流电压、交流电流、直流电压、直流电流；并将交流电流转换为交流电压、将直流电流转换为直流电压；
步骤2，利用交流电压和经交流电流转换得到的交流电压，计算交流有功功率信号Pac(t)；利用直流电压和经直流电流转换得到的直流电压，计算直流有功功率信号Pdc(t)；
步骤3，使用设定的采样速率对交流有功功率信号Pac(t)和直流有功功率信号Pdc(t)进行同步采样，得到交流瞬时有功功率采样值和直流瞬时有功功率采样值
步骤4，在每个采样周期内，以如下关系式计算交流输入有功功率Pac和直流输出有功功率Pdc：
式中，N表示每个采样周期内的采样点总数；
步骤5，在采样周期内，每当采样点的数量达到设定数量时，以如下关系式计算直流充电桩效率η：
式中，Pac表示交流输入有功功率，Pdc表示直流输出有功功率。
步骤2中，利用交流电压U1a、U1b、U1c，以及经交流电流转换得到的交流电压U′1a、U′1b、U′1c，计算交流有功功率信号Pac(t)，满足如下关系式：
利用直流电压Udc，以及经直流电流转换得到的直流电压U′dc，计算直流有功功率信号Pdc(t)，满足如下关系式：
以上两式中，V为分母电压，即交流瞬时有功测量电路中各乘法器的分母电压控制端输入电压。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
(1)利用直流充电桩的交流输入为三相电路，并且三相有功功率的瞬时值在理想的情况下等于三相有功功率的平均值的特点，研制了基于硬件乘法器级联原理的三相交流有功功率的瞬时值硬件电路，实现交流有功功率能够在时域上进行快速精确获取，且输出为单一的直流信号，为双通道AD同步测量提供了us级别的交流有功功率信号，即一种带纹波的直流信号Pac。
(2)研制了直流瞬时有功测量电路，实现直流带纹波的电压和电流有功功率在时域上进行快速精确获取，且输出为单一的直流信号，为双通道AD同步测量提供了us级别的直流有功功率信号，即一种带纹波的直流信号Pdc。
(3)通过对交流变换网络和直流变换网络的准确设计，实现直流功率的输出值和交流有功功率的输出的对应值完全一样，利用高速的高准确度AD进行同步采样，根据采样数据计算直流充电桩的效率。
本发明提出的一种可实现三相交流有功功率和直流有功功率同步测量电路，三相交流有功功率和直流有功功率的同步测量达到us级别，整体准确度优于0.1％，实现了直流充电桩的效率检定与交流电源的稳定度和直流输出的稳定度无关；显著降低成本，不需要昂贵的三相稳压电源就可以获得优于0.1％的测量准确度；显著提高检测准确度，严格的同步测量消除信号非同步的误差，并且采用硬件乘法器原理和交直流零磁通传感器、长期漂移小、测量稳定、准确度高；测量一致性好，通过硬件的方法把三相交流有功功率和直流有功功率变换为带纹波的直流信号，通过最简单的求平均方法就可以实现准确测量，不存在交流采样算法的频率和采样率不整除的非同步误差以及DFT算法的频率泄露和栏栅效益。
附图说明
图1为本发明的一种基于瞬时有功同步的直流充电桩效率检测系统的结构示意图；
图2为本发明的一种基于瞬时有功同步的直流充电桩效率检测系统中的交流瞬时有功测量电路的局部示意图；
图3为本发明一实施例中交流瞬时有功测量电路的电路示意图；
图4为本发明的一种基于瞬时有功同步的直流充电桩效率检测系统中的直流瞬时有功测量电路的局部示意图；
图5为本发明一实施例中直流瞬时有功测量电路的电路示意图；
图6为本发明一实施例中同步采样电路、主控模块及其外设的电路示意图；
图7为本发明的一种基于瞬时有功同步的直流充电桩效率检测系统中的交流电压分压电阻模块的局部示意图；
图8为本发明的一实施例中的单个交流电压转换模块的电路示意图；
图9为本发明的一种基于瞬时有功同步的直流充电桩效率检测系统中的直流电压分压电阻模块的局部示意图；
图10为本发明一实施例中交流电压跟踪模块和直流电压跟踪模块的电路示意图；
图11为本发明一实施例中直流电压放大模块的电路示意图；
其中，图1至图11中的附图标记说明如下：
其中附图标记说明如下：
1-电网侧交流供电插座；
2-电源模块；
3a-A相电流互感器；3b-B相电流互感器；3c-C相电流互感器；
4-交流电压分压电阻模块；
5a-交流A相电流电压转换模块；
5b-交流B相电流电压转换模块；
5c-交流C相电流电压转换模块；
6-用户侧交流供电插座；
7a-交流A相电压跟踪模块；
7b-交流B相电压跟踪模块；
7c-交流C相电压跟踪模块；
7d-直流电压跟踪模块；
8-交流瞬时有功测量电路；
9-直流瞬时有功测量电路；
10-同步采样电路；
11-主控模块；
12-键盘；
13-显示器；
14-直流电压放大模块；
15-直流电流互感器；
16-直流电压分压电阻模块；
17-直流电流互感器二次侧电阻R0；
18-电源转换模块；
S1-交流电流互感器的电网侧；S2-交流电流互感器的用户侧；
L1-交流A相线路；L2-交流B相线路；L3-交流C相线路；N-交流零线；
交流瞬时有功测量电路的第一交流输入端子包括：X1a、X2a、X1b、X2b、X1c、X2c；
交流瞬时有功测量电路的第二交流输入端子包括：Y1a、Y2a、Y1b、Y2b、Y1c、Y2c；
直流瞬时有功测量电路的第一直流输入端子包括：U1a、U2a；
直流瞬时有功测量电路的第二直流输入端子包括：Z1a、Z2a；
DC+-直流充电桩的直流线路的正极端子；
DC--直流充电桩的直流线路的负极端子；
R1-第一分压电阻；R2-第二分压电阻；R3-第三分压电阻；R4-第四分压电阻；
R5-第五分压电阻；R6-第六分压电阻；R7-第七分压电阻；R8-第八分压电阻；
81-第三乘法器；
82-第二乘法器；
83-第一乘法器；
84-第四乘法器；
101-电源变换器；
102-双通道同步采样芯片；
U5-第一运算放大器；
U7-第二运算放大器；
U14-第三运算放大器；
图12为本发明的一种基于瞬时有功同步的直流充电桩效率检测方法的步骤框图；
图13为本发明一实施例中采用传统检测系统得到的波形示意图；
图14为本发明一实施例中采用本发明提出的检测系统得到的波形示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
如图1，一种基于瞬时有功同步的直流充电桩效率检测系统，直流充电桩的交流侧经用户侧交流供电插座6和电网侧交流供电插座1接入交流电网，直流充电桩的直流侧接入电池模拟装置及BMS模拟器。
检测系统包括：交流瞬时有功测量电路8、直流瞬时有功测量电路9、同步采样电路10和主控模块11。
如图1和2，交流瞬时有功测量电路8的第一交流输入端中，A相输入端X1a和X2a经交流A相电流电压转换模块5a接入用户侧交流供电插座6和电网侧交流供电插座1之间的交流A相线路L1中；B相输入端X1b和X2b经交流B相电流电压转换模块5b，接入用户侧交流供电插座6和电网侧交流供电插座1之间的交流B相线路L2中；C相输入端X1c和X2c经交流C相电流电压转换模块5c接入用户侧交流供电插座6和电网侧交流供电插座1之间的交流C相线路L3中。
交流瞬时有功测量电路8的第二交流输入端中，A相输入端Y1a和Y2a经交流A相电压跟踪模块7a接入用户侧交流供电插座6和电网侧交流供电插座1之间的A相交流线路L1中；B相输入端Y1b和Y2b经交流B相电压跟踪模块7b接入用户侧交流供电插座6和电网侧交流供电插座1之间的B相交流线路L2中；C相输入端Y1c和Y2c经交流C相电压跟踪模块7c接入用户侧交流供电插座6和电网侧交流供电插座1之间的C相交流线路L3中。
本发明优选实施例中交流瞬时有功测量电路8的电路如图3，包括：第一乘法器83、第二乘法器82和第三乘法器81。
第一乘法器83的第一差动输入端X1和X2对应接入第一交流A相输入端X1a和X2a，第二差动输入端Y1和Y2对应接入第二交流A相输入端Y1a和Y2a，输出端W与第三差动输入端的一个端子Z1一起接入第二乘法器82的第三差动输入端的另一个端子Z2；第一乘法器83的第三差动输入端的另一个端子Z2接地；
第二乘法器82的第一差动输入端X1和X2对应接入第一交流B相输入端X1b和X2b，第二差动输入端Y1和Y2对应接入第二交流B相输入端Y1b和Y2b；输出端W与第三差动输入端的一个端子Z1一起接入第三乘法器81的第三差动输入端的另一个端子Z2；
第三乘法器81的第一差动输入端X1和X2对应接入第一交流C相输入端X1c和X2c，第二差动输入端Y1和Y2对应接入第二交流C相输入端Y1c和Y2c；输出端W与第三差动输入端的一个端子Z1一起输出交流有功功率信号Pac(t)；
三个乘法器中，分母电压第一控制端U0、分母电压第二控制端U1和分母电压第三控制端U2均接地，此时各乘法器的分母电压为10V；正电源供电端VP均接+15V的工作电压，负电源供电端VN均接-15V的工作电压，电压控制使能端DD和参考电压端ER均悬空。
本优选实施例中，第一乘法器83、第二乘法器82和第三乘法器81均采用高准确度、高带宽的四象限模拟乘法器AD734实现，AD734可以实现四象限乘法并且还可以实现加法电路，每个AD734芯片的传递函数W满足以下关系式：
本优选实施例中，分母电压V为10V，而第三差动输入端的Z2端子处于短路状态，即为0。
因此，采用本优选实施例中的交流瞬时有功测量电路8，得到的交流有功功率信号Pac(t)满足如下关系式：
如图1和4，直流瞬时有功测量电路9的第一直流输入端U1a和U2a经直流电压跟踪模块7d接入直流充电桩与电池模拟装置及BMS模拟器之间的直流线路中，第二直流输入端Z1a和Z2a经直流电压放大模块14接入直流充电桩与电池模拟装置及BMS模拟器之间的直流线路中。
本发明优选实施例中直流瞬时有功测量电路9的电路如图5，包括：第四乘法器84；
第四乘法器84的第一差动输入端X1和X2对应接入第一直流输入端U1a和U2a，第二差动输入端Y1和Y2对应接入第二直流输入端Z1a和Z2a，输出端W与第三差动输入端的一个端子Z1一起输出直流有功功率信号Pdc(t)；第四乘法器84的第三差动输入端的另一个端子Z2接地；
第四乘法器84中，分母电压第一控制端U0、分母电压第二控制端U1和分母电压第三控制端U2均接地，此时各乘法器的分母电压为10V；正电源供电端VP均接+15V的工作电压，负电源供电端VN均接-15V的工作电压，电压控制使能端DD和参考电压端ER均悬空。
本优选实施例中，第四乘法器84采用高准确度、高带宽的四象限模拟乘法器AD734实现，AD734可以实现四象限乘法并且还可以实现加法电路，AD734芯片的传递函数W满足以下关系式：
本优选实施例中，分母电压V为10V；对于第四乘法器84，第三差动输入端的另一个端子Z2处于短路状态，因此上式中，Z2＝0。
因此，采用本优选实施例中的直流瞬时有功测量电路9，得到的直流有功功率信号Pdc(t)满足如下关系式：
如图1同步采样电路10，对交流瞬时有功测量电路8输出的交流有功功率信号Pac(t)和直流瞬时有功测量电路9输出的直流有功功率信号Pdc(t)，使用的设定的采样速率进行同步采样，得到交流瞬时有功功率采样值和直流瞬时有功功率采样值本优选实施例中，设定的采样频率为1MSPS。
本发明优选实施例中的同步采样电路10如图6所示，同步采样电路包括双通道同步采样芯片102、电源变换器101和采样分压网络，其中采样分压网络包括第一采样分压电阻Ra1、第二采样分压电阻Rb1、第三采样分压电阻Ra2和第四采样分压电阻Rb2。
双通道同步采样芯片的输入端分别经分压电阻接入交流有功功率信号和直流有功功率信号；
本优选实施例中，双通道同步采样芯片102采用双通道的AD7380，该芯片为16Bit采样率为4MSPS的双通道同步AD，两个AD直接的延时不大于1纳秒，保证两个AD严格同步测量，目前实际使用采样率为1MSPS，在1秒钟的窗口时间内，只有1PPM的偏差。
如图6，双通道同步采样芯片102中的第一通道ADCA经第一采样分压电阻Ra1和第二采样分压电阻Rb1接入交流有功功率信号Pac，第二通道ADCB经第三采样分压电阻Ra2和第四采样分压电阻Rb2接入直流有功功率信号Pdc。
如图1，用户侧交流供电插座6和电网侧交流供电插座1之间的交流线路中串联有三相交流电流互感器3a、3b、3c，并联有交流电压分压电阻模块4；交流电流电压转换模块5a、5b、5c对应接入三相交流电流互感器3a、3b、3c的二次侧，交流电压跟踪模块7a、7b、7c均接入交流电压分压电阻模块4的二次侧。
本发明优选实施例中，三相交流电流互感器3a、3b、3c采用两个0.01级的零磁通电流互感器，两个零磁通电流互感器的变比为40000∶1，即输入400A电流，二次侧输出10mA电流。
如图7所示，交流电压分压电阻模块4包括：第一分压电阻R1、第二分压电阻R2、第三分压电阻R3、第四分压电阻R4、第五分压电阻R5、第六分压电阻R6；其中，各分压电阻均采用1ppm温漂、0.01％准确度的高稳定电阻，交流电压分压电阻模块4的分压比为40∶1，即输入200V电压，二次侧输出5V电压。
如图8，本发明优选实施例中，交流电流电压转换模块5a、5b、5c的结构相同，均包括第一运算放大器U5和射频电阻RF。第一运算放大器U5采用OPA2277，电阻RF采用1ppm温漂、0.01％准确度的射频电阻，电阻阻值为500欧；交流电流电压转换模块，将10mA电流输出转换为5V电压输出。
如图1，直流充电桩与电池模拟装置及BMS模拟器之间的直流线路的正极DC+和负极DC-之间并联有直流电压分压电阻模块16、直流充电桩与电池模拟装置及BMS模拟器之间的直流线路的正极DC+串联有直流电流互感器15，直流电压跟踪模块7d接入直流电压分压电阻模块16的二次侧，直流电压放大模块14接入直流电流互感器15的二次侧。
如图9，直流电压分压电阻模块16包括第七分压电阻R7和第八分压电阻R8，本发明优选实施例中，第八分压电阻R8为5k欧姆、0.01％准确度的精密电阻，第七分压电阻R7为995K欧姆、0.01％准确度的精密电阻，直流电压分压电阻模块16的变比为1000∶5，即200∶1。
交流电压跟踪模块7a、7b、7c和直流电压跟踪模块7d均采用相同的射随电路结构，该电路结构如图10所示，射随电路包括第二运算放大器U7。本发明优选实施例中，第二运算放大器U7采用OPA2277。
进一步，本发明优选实施例中，电源模块2采用+/-15V和5V输出的开关小电源，电流输出0.5A；直流电流互感器15采用直流零磁通互感器，最大输出250A，输入200A电路，输出200mA电路，即变比1000∶1；直流电流互感器17的二次侧电阻R0，采用2欧姆、0.01％准确度的精密电阻。
如图11，直流电压放大模块14包括：第三运算放大器U14和增益电阻Rg。其中，第三运算放大器U14采用AD620。
以如下关系式计算编程增益放大的放大倍数：
充电桩输出240A的直流时，直流电流互感器15的输出为0.24A的直流，通过阻值为2欧姆的二次侧电阻R0变换后，输出电压为0.24A×2Ω＝0.48V，即变换为5V，刚好为直流瞬时有功测量电路的中间值。因此，放大倍数为G＝5V/0.48V＝10.417。
如图1，主控模块利用交流瞬时有功功率采样值和直流瞬时有功功率采样值，在采样周期内计算直流充电桩的效率。
如图6，本发明优选实施例中，主控模块及其外设由处理器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、2个SPORT接口、3个外部定时器、16个通用IO接口、AMC接口(异步存储接口)，处理器BF533芯片及其外设采用完成核心算法、任务调度及显示和输入等。
外设包括键盘12和显示器13，其中，显示器13为LCD液晶显示模块，直接由BF533芯片通过AMC接口驱动显示；键盘12为简易键盘，共6个键盘输入到处理器BF533芯片的6个IO接口上。
如图12，一种基于瞬时有功同步的直流充电桩效率检测方法，包括：
步骤1，采集直流充电桩的交流电压、交流电流、直流电压、直流电流；并将交流电流转换为交流电压、将直流电流转换为直流电压。
步骤2，利用交流电压和经交流电流转换得到的交流电压，计算交流有功功率信号Pac(t)；利用直流电压和经直流电流转换得到的直流电压，计算直流有功功率信号Pdc(t)。
具体地，步骤2中，利用交流电压U1a、U1b、U1c，以及经交流电流转换得到的交流电压U′1a、U′1b、U′1c，计算交流有功功率信号Pac(t)，满足如下关系式：
利用直流电压Udc，以及经直流电流转换得到的直流电压U′dc，计算直流有功功率信号Pdc(t)，满足如下关系式：
以上两式中，V为分母电压，即交流瞬时有功测量电路中各乘法器的分母电压控制端输入电压。
步骤3，使用设定的采样速率对交流有功功率信号Pac(t)和直流有功功率信号Pdc(t)进行同步采样，得到交流瞬时有功功率采样值和直流瞬时有功功率采样值
本优选实施例中，采样速率采用1MSPS。
步骤4，在每个采样周期内，以如下关系式计算交流输入有功功率Pac和直流输出有功功率Pdc：
式中，N表示每个采样周期内的采样点总数，本发明优选实施例中N＝1000000。
步骤5，在采样周期内，每当采样点的数量达到设定数量时，以如下关系式计算直流充电桩效率η：
式中，Pac表示交流输入有功功率，Pdc表示直流输出有功功率。
本优选实施例中，当采样点的数量达到10000时，计算直流充电桩效率η。
实施例1。
直流充电桩的交流电压输入为Ua、Ub、Uc，交流电流输入为Ia、Ib、Ic；当交流电压分压电阻模块的分压比为40∶1，交流电流互感器的变比为40000∶1时，设置交流电流电压转换模块中射频电阻阻值为500欧姆，此时，交流瞬时有功测量电路8的输出三相交流电压电流的有功功率Pac，满足如下关系式：
当直流电压分压电阻模块的分压比为200∶1，直流电流互感器15的变比为1000∶1，二次侧电阻R0阻值为2欧姆，直流电压放大模块14的放大比为5/0.48，即实现240A的对应电路转换为5V的电压，此时，直流瞬时有功测量电路9输出的直流电压电流的有功功率Pdc，满足如下关系式：
主控模块控制同步采样电路10，同时对交流瞬时有功测量电路8输出的Pac和直流瞬时有功测量电路9输出的Pdc，按采样率为1MSPS进行同步采样，并且每秒钟计算一次效率，具体如下：
任一采样点下，电压和电流的瞬时值满足如下关系式：
则A相有功功率的瞬时值满足如下关系式：
pA＝uAiA＝2UI cos(ωt)cos(ωt-φ)＝UI[cosφ+cos(2ωt-φ)]
同理B相和C相的有功功率的瞬时值分别满足如下关系式：
pB＝uBiB＝UI cosφ+UIcos[(2ωt-240°)-φ]
pC＝uCiC＝UI cosφ+UIcos[(2ωt+240°)-φ]
因此，第i采样点下三相交流有功功率满足如下关系式：
对于三相交流有功功率的瞬时值Pac实际上等于全部采样点下的三相有功功率的平均值，也就是在理想的情况下Pac输出为一个恒定的直流，由于实际电压波动和三相不平衡，Pac为带纹波的直流输出信号，满足如下关系式：
同理，三相直流有功功率的瞬时值Pdc满足如下关系式：
式中，N为1秒钟的采样点数，N＝1000000；
则直流充电桩的效率η以如下关系式计算：
实施例2。
如图13，在传统方案中，假如使用分体式测量方案有会延时Td，Td一般为秒级，在测量时间T内，波形不重叠造成误差，假如使用多通道录波仪集中式测量会有延时Tc(频域计算时间)，一般为几十ms级别，同样在测量时间T内，波形也不重叠造成误差。本发明利用三相交流有功功率的瞬时值硬件电路和直流瞬时有功测量电路以及同步AD采集电路，波形如图14，可在us级别(可忽略)实现交流和直流测量功率的完全同步，发明的创新核心为保证直流充电桩的输入的交流有功率和直流有功功率能够完全同步测量(us级别)。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
(1)利用直流充电桩的交流输入为三相电路，并且三相有功功率的瞬时值在理想的情况下等于三相有功功率的平均值的特点，研制了基于硬件乘法器级联原理的三相交流有功功率的瞬时值硬件电路，实现交流有功功率能够在时域上进行快速精确获取，且输出为单一的直流信号，为双通道AD同步测量提供了us级别的交流有功功率信号，即一种带纹波的直流信号Pac。
(2)研制了直流瞬时有功测量电路，实现直流带纹波的电压和电流有功功率在时域上进行快速精确获取，且输出为单一的直流信号，为双通道AD同步测量提供了us级别的直流有功功率信号，即一种带纹波的直流信号Pdc。
(3)通过对交流变换网络和直流变换网络的准确设计，实现直流功率的输出值和交流有功功率的输出的对应值完全一样，利用高速的高准确度AD进行同步采样，根据采样数据计算直流充电桩的效率。
本发明提出的一种可实现三相交流有功功率和直流有功功率同步测量电路，三相交流有功功率和直流有功功率的同步测量达到us级别，整体准确度优于0.1％，实现了直流充电桩的效率检定与交流电源的稳定度和直流输出的稳定度无关；显著降低成本，不需要昂贵的三相稳压电源就可以获得优于0.1％的测量准确度；显著提高检测准确度，严格的同步测量消除信号非同步的误差，并且采用硬件乘法器原理和交直流零磁通传感器、长期漂移小、测量稳定、准确度高；测量一致性好，通过硬件的方法把三相交流有功功率和直流有功功率变换为带纹波的直流信号，通过最简单的求平均方法就可以实现准确测量，不存在交流采样算法的频率和采样率不整除的非同步误差以及DFT算法的频率泄露和栏栅效益。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于瞬时有功同步的直流充电桩效率检测系统，所述直流充电桩的交流侧经用户侧交流供电插座和电网侧交流供电插座接入交流电网，所述直流充电桩的直流侧接入电池模拟装置及BMS模拟器，其特征在于，
所述检测系统包括：交流瞬时有功测量电路、直流瞬时有功测量电路、同步采样电路和主控模块；
所述交流瞬时有功测量电路的第一交流输入端经交流电流电压转换模块、第二交流输入端经交流电压跟踪模块，均接入用户侧交流供电插座和电网侧交流供电插座之间的交流线路中；其中交流电流电压转换模块用于将交流输入端的输入信号通过隔离转换成可供主控模块读取的小信号，而交流电压跟踪模块可实时监测输入交流电压的变化情况；其中，所述交流瞬时有功测量电路包括：第一乘法器、第二乘法器和第三乘法器；所述第一乘法器的第一差动输入端接入第一交流A相输入端、第二差动输入端接入第二交流A相输入端，输出端接入第二乘法器的第三差动输入端；所述第二乘法器的第一差动输入端接入第一交流B相输入端、第二差动输入端接入第二交流B相输入端，输出端接入第三乘法器的第三差动输入端；所述第三乘法器的第一差动输入端接入第一交流C相输入端、第二差动输入端接入第二交流C相输入端，输出端输出交流有功功率信号；
所述直流瞬时有功测量电路的第一直流输入端经直流电压跟踪模块、第二直流输入端直流电压放大模块，均接入直流充电桩与电池模拟装置及BMS模拟器之间的直流线路中；其中直流电压跟踪模块用于实时监测直流充电桩输出电压的变化情况，而直流电压放大模块将直流充电桩的电压信号放大；其中，所述直流瞬时有功测量电路包括：第四乘法器；所述第四乘法器的第一差动输入端接入第一直流输入端、第二差动输入端接入第二直流输入端，输出端输出直流有功功率信号；
所述同步采样电路，对交流瞬时有功测量电路输出的交流有功功率信号和直流瞬时有功测量电路输出的直流有功功率信号，使用设定的采样速率进行同步采样，得到交流瞬时有功功率采样值和直流瞬时有功功率采样值；所述主控模块利用交流瞬时有功功率采样值和直流瞬时有功功率采样值，在采样周期内计算直流充电桩的效率。
2.根据权利要求1所述的一种基于瞬时有功同步的直流充电桩效率检测系统，其特征在于，
所述用户侧交流供电插座和电网侧交流供电插座之间的交流线路中串联有交流电流互感器、并联有交流电压分压电阻模块，所述交流电流电压转换模块接入交流电流互感器的二次侧，所述交流电压跟踪模块接入交流电压分压电阻模块的二次侧。
3.根据权利要求1所述的一种基于瞬时有功同步的直流充电桩效率检测系统，其特征在于，
所述直流充电桩与电池模拟装置及BMS模拟器之间的直流线路的正极和负极之间并联有直流电压分压电阻网络；所述直流充电桩与电池模拟装置及BMS模拟器之间的直流线路的正极串联有直流电流互感器；所述直流电压跟踪模块接入直流电压分压电阻网络的二次侧，所述直流电压放大模块接入直流电流互感器的二次侧。
4.根据权利要求2所述的一种基于瞬时有功同步的直流充电桩效率检测系统，其特征在于，
交流电流电压转换模块包括第一运算放大器和射频电阻。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的一种基于瞬时有功同步的直流充电桩效率检测系统，其特征在于，
交流电压跟踪模块和直流电压跟踪模块均采用射随电路结构，所述射随电路包括第二运算放大器。
6.根据权利要求3所述的一种基于瞬时有功同步的直流充电桩效率检测系统，其特征在于，
所述直流电压放大模块包括仪表放大器和增益电阻。
7.根据权利要求1所述的一种基于瞬时有功同步的直流充电桩效率检测系统，其特征在于，
所述同步采样电路包括双通道同步采样芯片、电源变换器和采样分压网络；所述双通道同步采样芯片的输入端分别经分压电阻接入交流有功功率信号和直流有功功率信号；
双通道同步采样芯片的输入端分别经分压电阻接入交流有功功率信号和直流有功功率信号；
所述双通道同步采样芯片的采样速率为4MSPS，两个采样通道之间的延时不大于1ns。
8.利用权利要求1至7任一项所述的一种基于瞬时有功同步的直流充电桩效率检测系统而实现的检测方法，其特征在于，
所述方法包括：
步骤1，采集直流充电桩的交流电压、交流电流、直流电压、直流电流；并将交流电流转换为交流电压、将直流电流转换为直流电压；
步骤2，利用交流电压和经交流电流转换得到的交流电压，计算交流有功功率信号；利用直流电压和经直流电流转换得到的直流电压，计算直流有功功率信号；
步骤3，使用设定的采样速率对交流有功功率信号和直流有功功率信号进行同步采样，得到交流瞬时有功功率采样值和直流瞬时有功功率采样值；
步骤4，在每个采样周期内，以如下关系式计算交流输入有功功率和直流输出有功功率：
式中，N表示每个采样周期内的采样点总数；
步骤5，在采样周期内，每当采样点的数量达到设定数量时，以如下关系式计算直流充电桩效率：
式中，表示交流输入有功功率，表示直流输出有功功率。
9.根据权利要求8所述的一种基于瞬时有功同步的直流充电桩效率检测方法，其特征在于，
步骤2中，利用交流电压、、，以及经交流电流转换得到的交流电压、、，计算交流有功功率信号，满足如下关系式：
利用直流电压，以及经直流电流转换得到的直流电压，计算直流有功功率信号，满足如下关系式：
以上两式中，为分母电压，即交流瞬时有功测量电路中各乘法器的分母电压控制端输入电压。
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