CN116819425A - 充电桩远程校准系统及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种充电桩远程校准系统及校准方法。本系统基于卫星共视法、高精度电压频率转换模块和电流频率转换模块实现完成，可以实时的对被校准端充电桩进行电能校准。在频率偏差测量中，脉冲计数器和时间间隔计数器配合工作，频率值的小数部分由时间间隔计数器测得，秒脉冲周期内连续方波脉冲的脉冲数作为频率值的整数部分由脉冲计数器测得，完成电压值/电流值的远程校准。本发明设计高精度的电压频率转换模块和电流频率转换模块，利用这两个模块将标准电压源、电流源和待检电压源、电流源输出的电学参数分别转换为对应的频率信号，进而基于北斗卫星共视法及相关算法，完成充电桩远程校准过程。

Description

充电桩远程校准系统及校准方法

技术领域

本发明涉及电学计量校准领域，具体地说是一种充电桩远程校准系统及校准方法。

背景技术

随着生态环境问题走入大众的视野，新能源电动汽车市场迅速扩大，与之配套的电动汽车基础充电设施数量也出现了极速增长。而随着电动汽车充电桩(简称充电桩)数量的增加，对充电桩的检定需求必然也增加。

目前，充电桩检定采用传统的直流充电桩检定技术，直流充电桩传统检定技术是将电网输入的电压在直流充电桩内通过变压器等一系列转换后变成直流电压输出，此时通过标准的充电接口与测试仪连接，同时测试仪再与电子负载(模拟汽车电池负载)通过标准接口连接。从而形成一个方便快捷的直流充电桩检定系统。在整个系统连接成功后，充电桩内部会对电网输入的电量进行一系列转换和滤波处理，然后输出高电压和大电流进入到测试仪中，同时再串联一个电子负载形成一个完整的检测回路。该方法由计量工作人员携带标准器到现场进行检定，标准器可以是手动或全自动的测试设备。该方法的优点是检定结果精确，但缺点是检定周期长，效率低，需要消耗大量的人力物力，同时，计量工作人员的操作水平对检定结果影响较大。具体而言，体现在如下几个方面：

(1)耗时较长，成本提高。在直流充电桩的传统检定工作中，计量工作人员需携带标准器到达现场进行检定，无疑增加了检定工作的人力成本和物流成本。在能源紧缺与环境污染问题日趋严峻的大背景下，面对未来可能出现的数以万计的充电桩检定需求，传统方法检定周期过长，又会大大提高时间成本，造成计量工作的效率降低。

(2)物流运输，造成仪器损耗。在开展充电桩传统检定工作时虽无需将充电桩拆卸运输至上级检测机构，但计量人员仍需将标准装置通过物流运输的方式携带至检定现场。多次的运输搬运极易对仪器本身尤其是精度较高的仪器产生不可逆的仪器损耗，会大大降低计量仪器的准确度，对检定结果造成影响。

(3)离线校准，产生能源浪费。测试负载是充电桩检定工作中不可缺少的设备之一，测试负载通常可采用电动汽车、动力电池组、直流电子负载或电阻负载。传统的检定方法需要对充电桩进行离线校准，无法让充电桩兼顾正常工作与计量检定同时进行，则需连接测试负载以模拟电动车在不同充电状态下的负载情况，会造成一定程度的能源浪费。

在全球气候变暖、环境污染日益恶化的大背景下，各国都开始大力推进电动汽车的发展，电动汽车充电桩作为新能源车的配套设施发展同样迅速。同时作为贸易结算的计量工具，其也被纳入到了国家强制检定计量器具目录中。按照JJG1148-2018《电动汽车交流充电桩检定规程》和JJG1149-2018《电动汽车非车载充电机检定规程》实施检定，初步测算两个熟练检定人员每检定一个充电桩至少需要0.5小时。然而，面对数万计的充电设施，法定计量检定机构的检定测试能力相形见绌，且管理难度大、成本高、效率低。

发明内容

本发明的目的是提供一种充电桩远程校准系统及校准方法，以解决现有检定方法存在的效率低、成本高等的问题。

本发明是这样实现的：一种充电桩远程校准系统，包括实验室端和被校准端；

在实验室端设置有标准电压源、标准电流源、第一电压频率转换器、第一电流频率转换器、第一卫星同步时钟源、第一时间累计模块、第二时间累计模块、第一脉冲计数器、第二脉冲计数器、第一时间间隔计数器、第二时间间隔计数器、计算机；

标准电压源与第一时间累计模块和第一电压频率转换器相接，标准电压源用于将标准电压值同时输出给第一时间累计模块和第一电压频率转换器；第一时间累计模块用于根据标准电压源的输出信号计算校准时长，并输出信号给计算机；第一电压频率转换器同时还连接第一脉冲计数器和第一时间间隔计数器，第一电压频率转换器用于将标准电压值转换为脉冲信号并分别输出给第一脉冲计数器和第一时间间隔计数器；第一脉冲计数器和第一时间间隔计数器还分别连接第一卫星同步时钟源，第一卫星同步时钟源用于接收北斗卫星信号并输出卫星同步秒脉冲信号给第一脉冲计数器和第一时间间隔计数器；第一脉冲计数器用于测量由第一电压频率转换器输出的脉冲信号在每一个卫星同步秒脉冲信号完整周期内的脉冲数，并将脉冲数发送至计算机；第一时间间隔计数器用于测量第一电压频率转换器输出的脉冲信号和卫星同步秒脉冲信号的时间间隔，并将时间间隔发送至计算机；

标准电流源与第二时间累计模块和第一电流频率转换器相接，标准电流源用于将标准电流值同时输出给第二时间累计模块和第一电流频率转换器；第二时间累计模块用于根据标准电流源的输出信号计算校准时长，并输出信号给计算机；第一电流频率转换器同时还连接第二脉冲计数器和第二时间间隔计数器，第一电流频率转换器用于将标准电流值转换为脉冲信号并分别输出给第二脉冲计数器和第二时间间隔计数器；第二脉冲计数器和第二时间间隔计数器还分别连接第一卫星同步时钟源，第一卫星同步时钟源用于接收北斗卫星信号并输出卫星同步秒脉冲信号给第二脉冲计数器和第二时间间隔计数器；第二脉冲计数器用于测量由第一电流频率转换器输出的脉冲信号在每一个卫星同步秒脉冲信号完整周期内的脉冲数，并将脉冲数发送至计算机；第二时间间隔计数器用于测量第一电流频率转换器输出的脉冲信号和卫星同步秒脉冲信号的时间间隔，并将时间间隔发送至计算机；

在被校准端设置有第二电压频率转换器、第二电流频率转换器、第二卫星同步时钟源、第三时间累计模块、第四时间累计模块、第三脉冲计数器、第四脉冲计数器、第三时间间隔计数器、第四时间间隔计数器；充电桩位于被校准端；

充电桩的电压输出端与第三时间累计模块和第二电压频率转换器相接，充电桩通过其电压输出端将电压值输出给第三时间累计模块和第二电压频率转换器；第三时间累计模块用于根据充电桩输出的电压值计算校准时长，并将输出信号通过数据透传模块传输至计算机；第二电压频率转换器同时还连接第三脉冲计数器和第三时间间隔计数器，第二电压频率转换器用于将电压值转换为脉冲信号并分别输出给第三脉冲计数器和第三时间间隔计数器；第三脉冲计数器和第三时间间隔计数器还分别连接第二卫星同步时钟源，第二卫星同步时钟源用于接收北斗卫星信号并输出卫星同步秒脉冲信号给第三脉冲计数器和第三时间间隔计数器；第三脉冲计数器用于测量由第二电压频率转换器输出的脉冲信号在每一个卫星同步秒脉冲信号完整周期内的脉冲数，并将脉冲数通过数据透传模块传输至计算机；第三时间间隔计数器用于测量第二电压频率转换器输出的脉冲信号和卫星同步秒脉冲信号的时间间隔，并将时间间隔通过数据透传模块传输至计算机；

充电桩的电流输出端与第四时间累计模块和第二电流频率转换器相接，充电桩通过其电流输出端将电流值输出给第四时间累计模块和第二电流频率转换器；第四时间累计模块用于根据充电桩输出的电流值计算校准时长，并将输出信号通过数据透传模块传输至计算机；第二电流频率转换器同时还连接第四脉冲计数器和第四时间间隔计数器，第二电流频率转换器用于将电流值转换为脉冲信号并分别输出给第四脉冲计数器和第四时间间隔计数器；第四脉冲计数器和第四时间间隔计数器还分别连接第二卫星同步时钟源，第二卫星同步时钟源用于接收北斗卫星信号并输出卫星同步秒脉冲信号给第四脉冲计数器和第四时间间隔计数器；第四脉冲计数器用于测量由第二电流频率转换器输出的脉冲信号在每一个卫星同步秒脉冲信号完整周期内的脉冲数，并将脉冲数通过数据透传模块传输至计算机；第四时间间隔计数器用于测量第二电流频率转换器输出的脉冲信号和卫星同步秒脉冲信号的时间间隔，并将时间间隔通过数据透传模块发送至计算机；

计算机根据实验室端传输的脉冲数和时间间隔数据计算标准电能，并根据被校准端传输的脉冲数和时间间隔数据计算充电桩的电能，最后计算标准电能和充电桩电能的偏差，实现充电桩的远程校准。

优选的，各时间累计模块均由时间计数器电路组成；当输入信号为高电平时，时间累计模块开始计时；当输入信号为低电平时，时间累计模块停止计时。

优选的，第一电压频率转换器和第二电压频率转换器的核心均为LM331芯片；LM331芯片内部采用温度补偿能隙基准电路。

优选的，第一电流频率转换器和第二电流频率转换器均由积分器电路、比较器电路、同步电路、时序分配电路、电子开关及恒流源电路组成。

本发明还提供了一种充电桩远程校准方法，该校准方法采用了上述充电桩远程校准系统，该校准方法包括如下步骤：

①在实验室端，输出的标准电能如下：

式中，W_A为实验室端在校准时间内输出的电能，为实验室端输出电压的平均值，为实验室端输出电流的平均值，Δt_A为校准时长；

通过第一电压频率转换器将标准电压转换为脉冲信号，与脉冲信号的转换关系模型为：

式中，为第i时刻由第一时间间隔计数器测得的第一电压频率转换器输出的脉冲信号和卫星同步秒脉冲信号的时间间隔，/>为第i时刻由第一脉冲计数器测得的第一电压频率转换器输出的脉冲信号在每一个卫星同步秒脉冲信号完整周期内的脉冲数，n是卫星秒脉冲信号与脉冲信号的第一上升沿重合时的秒脉冲个数；k_U则是第一电压频率转换器的电压频率转换系数；

相同原理，通过第一电流频率转换器将电流转换为脉冲信号，与脉冲信号的转换关系模型为：

式中，为第i时刻由第二时间间隔计数器测得的第一电流频率转换器输出的脉冲信号和卫星同步秒脉冲信号的时间间隔，/>为i第时刻由第二脉冲计数器测得的第一电流频率转换器输出的脉冲信号在每一个卫星同步秒脉冲信号完整周期内的脉冲数，n为卫星秒脉冲信号与脉冲信号的第一上升沿重合时的秒脉冲个数，k_I则是第一电流频率转换器的电流频率转换系数；

②在被校准端，充电桩输出的电能公式如下：

式中，W_B为被标准端充电桩在校准时间内输出的电能，为被校准端充电桩输出电压的平均值，/>为被校准端充电桩输出电流的平均值，Δt_B为校准时长；

通过第二电压频率转换器将充电桩输出的电压转换为脉冲信号，与脉冲信号的转换关系模型为：

式中，为第i时刻由第三时间间隔计数器测得的第二电压频率转换器输出的脉冲信号和卫星同步秒脉冲信号的时间间隔，/>为第i时刻由第三脉冲计数器测得的第二电压频率转换器输出的脉冲信号在每一个卫星同步秒脉冲信号完整周期内的脉冲数，n为卫星秒脉冲信号与脉冲信号的第一上升沿重合时的秒脉冲个数，k_U则是第二电压频率转换器的电压频率转换系数；

相同原理，通过第二电流频率转换器将充电桩输出的电流转换为脉冲信号，与脉冲信号的转换关系模型为：

式中，为第i时刻由第四时间间隔计数器测得的第二电流频率转换器输出的脉冲信号和卫星同步秒脉冲信号的时间间隔，/>为第i时刻由第四脉冲计数器测得的第二电流频率转换器输出的脉冲信号在每一个卫星同步秒脉冲信号完整周期内的脉冲数，n为卫星秒脉冲信号与脉冲信号的第一上升沿重合时的秒脉冲个数，k_I则是第二电流频率转换器的电流频率转换系数；

③实验室端输出的标准电能与被校准端直流充电桩输出电能的差值为电能偏差，即ΔW，如下：

ΔW＝W_A-W_B

至此，充电桩电能校准工作完成。

本发明针对电动汽车充电桩的检定需求不断增加而传统的检定方式效率低、成本高等问题探索出采用物联网技术和远程校准技术紧密结合，提出了一种充电桩远程校准系统和远程校准方法，可以实现无需将标准器以物流方式运输到校准现场的在线校准办法，以改变其溯源流程，提高其校准效率，可靠地实现对电动汽车直流充电桩电能计量装置的远程检定。

本系统基于卫星共视法、高精度电压频率转换模块和电流频率转换模块实现完成，可以实时的对被校准端充电桩进行电能校准。其显著优点是：

(1)无需计量人员携带标准装置到达现场进行现场检定，在远端实验室通过软件系统上的操作即可完成校准工作。分别从人力、运输、时间等多方面大幅度降低成本，且标准装置不会因频繁运输而造成不可逆的仪器损耗，有效提升计量检定效率，为满足未来大基数充电桩检定需求创造可能。

(2)实现了在线检测，可实时获取直流充电桩的检定结果。电动汽车可以作为检定环节中的测试负载，在汽车充电过程中即可同时开展计量工作，不会造成额外的能源浪费，有效解决了充电桩正常工作和计量检定无法兼顾的问题，从另一方面提升了检定效率。

(3)本系统可以实现多台直流充电桩的同时校准。将多台充电桩的接口与安装在检定现场的系统硬件接口相连接，便可得到多台充电桩的实时校准数据，极大提高了直流充电桩的检定效率，有效降低计量成本。

本系统在采集到校准数据后，通过网络通信技术远传回实验室端，在计算机中进行数据处理并完成校准，充分考虑到被校准端所处环境等因素带来的附加误差，保证校准结果的准确性。同时大幅度地缩短了校准周期，降低了人工成本，提高了校准效率，真正意义上实现了电能远程计量及校准任务。

附图说明

图1为充电桩远程校准系统程序流程图。

图2为充电桩远程校准系统硬件结构图。

图3为充电桩远程校准上位机软件执行流程图。

具体实施方式

在理论分析及前期工作经验的基础上，本发明对充电桩远程校准系统进行设计，优化设计方案。现有的计量仪器远程量值传递与溯源技术的实现方法有三种：第一种是采用传递标准表的方式进行现场检定校准，此方法成本低、易实现，但是无法获知标准表的附加误差，而且标准表在传递过程中量值可能改变；第二种是将标准表安置于现场，需要标准表定期到中心实验室检定，此方法也容易实现，但与第一种方法具有相同缺点，且测量成本增加；第三种是计量标准器在实验室，基于物联网的远程量值传递与溯源，通过网络对现场仪表实现远程校准，此方法效率高、成本低，但存在一些技术难题。目前能够达到第三种方案水平的有时间频率远程校准，原理是通过卫星共视法计算被校准端仪器处的参考时间与标准的参考时间的时差，并利用相应的算法处理得到频率差，进而完成校准过程。

本发明所提供的充电桩远程校准系统就是基于物联网的远程量值传递与溯源技术来实现的。本发明设计了高精度的电压频率转换模块和电流频率转换模块，同时将直流电压源输出的电压量和直流电流源输出的电流量转换为对应的频率信号。进而基于北斗卫星共视法和数据处理的相关算法，完成充电桩远程校准系统的设计。本发明可以节约时间和人力成本，提高检定效率，促进我国检测校准技术发展。

本发明设计了一种基于共视法的充电桩远程校准系统。结合图2，整套系统硬件由被校准装置、标准源装置、电压频率转换模块、电流频率转换模块、脉冲计数器、时间间隔计数器及北斗卫星共视接收机等组成。河北大学的研究团队先前提出的电压源远程校准系统及校准方法(CN 113156356 B)中，电压源校准需要测量两端电压源的电压差值，其中两端电压偏差与两端频率偏差相对应，而两端的频率偏差导致了两端脉冲信号与卫星脉冲信号比对的时间偏差的产生。频率偏差作为系统能精确实现远程校准的关键因素，需要保证其准确性。在频率偏差的校准模型中，时差值(本地电压频率转换器或电流频率转换器的输出脉冲与接收机同步脉冲的时差)的测算是否准确对校准结果具有较大影响。时差数据采集周期为960s，时差值是通过对两端时间间隔计数器接收到960s的数据进行最小二乘线性拟合得来的，记录拟合直线的中点值作为最终的拟合结果，所以通过数据拟合的方法得来的时差值不够准确。频率偏差的校准模型在实际应用和实验验证过程中同样暴露出一些问题：(1)不准确：由于校准模型是假设了一个频率偏差与时间偏差的线性函数关系，并利用大量的实验数据拟合得来，所以降低了系统中频率偏差测量的准确性。(2)不唯一：在每一个校准点都需要用大量实验数据拟合一个相对应的校准模型，无法保证校准模型的稳定性。(3)耗时长：由于校准模型的准确度有限，则需要通过较长时间获得更多实验数据以保证校准结果的相对准确。

本发明在校准模型的构建以及硬件结构上都进行了升级。在校准模型方面，为了提高频率偏差的测量准确度，不再选用实验数据拟合的方法，而是在频率偏差的测量中加入了更多的参考值，将频率偏差拆分为整数部分和小数部分两部分分别测量，实现了频率偏差的量化计算。相应的，在硬件结构方面加入了脉冲计数器，脉冲计数器测量由电压频率转换器输出的脉冲信号在每一个卫星同步秒脉冲完整周期内的脉冲数，时间间隔计数器测量电压频率转换器输出的每一个脉冲信号和卫星同步秒脉冲的非完整周期的时间间隔，脉冲计数器和时间间隔计数器配合工作，频率值的小数部分由时间间隔计数器测得，秒脉冲周期内连续方波脉冲的脉冲数作为频率值的整数部分由脉冲计数器测得，完成电压值的远程校准。此方法可以完美解决上述问题，频率偏差的测量准确度显著提高，校准时长也有效降低。电流值的远程校准运用相同数学模型完成计算。综上，以北斗卫星同步秒脉冲信号作为共同观测的基准信号，电压源和电流源对应频率的脉冲信号结合卫星秒脉冲信号进行远程比对，再基于构建的电能偏差校准模型，对标准端和被校端的电能偏差完成测算，即可有效实现充电桩的远程校准。本发明不仅保证了计量数据的准确可靠，而且有效地提高了校准效率，为仪器的智能应用奠定了基础。

本发明首先需要设计高精度的电压频率转换模块和电流频率转换模块，利用这两个模块将标准电压源、电流源和待检电压源、电流源输出的电学参数分别转换为对应的频率信号，进而基于北斗卫星共视法及相关算法，完成充电桩远程校准过程。

(1)北斗卫星共视法原理：

北斗卫星共视法时间频率传递是目前时间频率远距离量值传递的主要方式之一。共视法的基本原理是在一颗北斗卫星视角内，位于不同两地的原子钟可利用在同一时间接收到的卫星的时间信号进行时间频率比对。校准实验室和被校准实验室两地的共视接收机在同一共视时间表作用下，在同一时刻接收同一颗北斗卫星信号，利用时间间隔计数器和脉冲计数器测量北斗卫星秒脉冲与本地原子钟秒脉冲的时差。待每个测量周期完成后，将被校准实验室端的数据通过互联网传到校准实验室端，然后将两端时差数据作差可得两台原子钟之间的时间差。设校准实验室端和被校准实验室端的钟时间分别为t_A和t_B，北斗卫星时间为t_BDS，校准实验室端和被校准实验室端原子钟秒脉冲与北斗卫星秒脉冲的时差分别为Δt_ABDS和Δt_BBDS，则有：

Δt_ABDS＝t_A-t_BDS

Δt_BBDS＝t_B-t_BDS

Δt_ABDS-Δt_BBDS＝t_A-t_B＝Δt_AB

经过多次测量后可得到一系列的Δt_ABi，由此可算出两台原子钟在一段时间内平均相对频率偏差。

其中f_A、f_B分别为校准实验室端和被校准实验室端时钟的频率，τ为平均时间间隔。

(2)电压频率转换模块(V/F)原理：

单片集成V/F转换器广泛用于自动控制、数字仪表和无线电设备中，用于完成电压和频率间的转换。将电压量转换成频率信号后其抗干扰能力增强，应用极为方便。实际信号转换过程中，主要转换方式包括多谐振荡式与电荷平衡式两种。由于电荷平衡式VFC设备较之其他设备具有较高准确度，本发明选择电荷平衡式电压频率转换模块。其基本原理是：以电容作为电荷的载体，输入电压V_IN生成与其成正比的电流I_IN对电容进行充电，同时用一已知的恒流源I_REF(其中I_REF＞I_INmax)对电容进行周期性的反向充电，且每次充电时间固定为T_c，从而实现每个周期或若干个周期内电容上的输入输出电荷平衡。同时这个周期也即为输出信号的周期，输出信号的频率或平均频率与输入的电压V_IN成正比。电压频率变换器实际上只是做到了将电压转换成脉冲串，最终的频率值还需要通过时间间隔计数器和脉冲计数器来对脉冲计数并计算得到。

经综合调研，选择以NS公司生产的LM331芯片为核心进行电压频率转换模块部分的设计。LM331芯片是性价比较高的集成芯片，该芯片用作电压频率转换器时，其输出是一个脉冲串，脉冲串的频率与所输入的电压成正比关系，且脉冲输出兼容所有的逻辑形式，其提供了所有电压频率转换技术的固有优势，可以较方便的应用到各类电压频率转换器中。LM331芯片内部采用了新的温度补偿能隙基准电路，使得其具有很好的温度稳定性，其在整个工作温度范围和电源电压较低时都有较高精度，最大可达±50ppm/℃。同时芯片的动态范围较宽，达100Db。芯片的电压频率转换精度高，数字分辨率可达12位。芯片的电压频率转换线性度较好，最大非线性失真小于0.01％。

(3)电流频率转换模块(I/F)原理：

电流频率转换器由积分器电路、比较器电路、同步电路、时序分配电路、电子开关及恒流源电路组成。其工作原理是：当输入电流I_in(假设为正电流)对积分器的积分电容进行充电时，使积分电容带有电荷，同时在积分器中的运放输出端上产生相应的电压，并与比较器电路的参考电压进行比较，其中一个比较器电路会产生脉冲输出(而另一个比较器电路无输出)，此输出信号送与同步电路与系统时钟同步，同步电路中的触发器输出脉冲信号经时序分配电路进行整形输出，得到正向频率输出信号F+。同时，时序分配电路产生的脉冲信号通过电子开关控制恒流源对积分电容进行放电，当积分电容上的电荷释放完后，输入电流又会对积分电容进行充电，使电路工作进入下一个循环。同理当输入电流为负时，由另一部分电路完成上述工作，并输出负向频率信号F-。

(4)时间累计模块

时间累计模块主要由计数器电路组成。该模块同时应用于实验室端和被校准端，用于计算校准的时长。具体而言，当输入信号为高电平时，时间累计模块开始计时；当输入信号为低电平时，时间累计模块停止计时。此外，该模块可以实现将测得的实验数据通过串口连接传输到实验室的计算机端。

(5)电能偏差测算原理

直流充电电能计量算法是高精度计量检定系统的设计核心。本系统参考的方法为平均值法，其运算表达式为：

式中，W为平均值法计量电能，P分别为Δt时间内的平均电压、平均电流和平均功率。

①在实验室端，标准装置输出的电能依据上式表示为：

式中，W_A为标准端在校准时间内输出的电能，为标准端输出电压的平均值，/>为标准端输出电流的平均值，Δt_A为校准时长。

通过高精度的电压频率转换模块将电压转换为脉冲信号，与脉冲信号的转换关系模型为：

式中，为第i时刻由时间间隔计数器测得的电压频率转换器输出的脉冲信号和卫星同步秒脉冲的时间间隔，/>为第i时刻由脉冲计数器测得的电压频率转换器输出的脉冲信号在每一个卫星同步秒脉冲完整周期内的脉冲数。/>是由时间间隔和脉冲数作为因变量构成的一个抽象函数，Δt_Ai代表实验室端第i+1时刻与第i时刻的时间间隔之差(即)，n为卫星秒脉冲信号与电压频率转换器输出的脉冲信号的第一上升沿重合时的秒脉冲个数，k_U则是电压频率转换器的电压频率转换系数。在本校准系统中，系数k_U可以通过配置进行调节，默认为一个恒定的常数。

相同原理，通过高精度的电流频率转换模块将电流转换为脉冲信号，与脉冲信号的转换关系模型为：

与脉冲信号的转换关系模型为：

式中，为第i时刻由时间间隔计数器测得的电流频率转换器输出的脉冲信号和卫星同步秒脉冲的时间间隔，/>为i第时刻由脉冲计数器测得的电流频率转换器输出的脉冲信号在每一个卫星同步秒脉冲完整周期内的脉冲数。/>是由时间间隔和脉冲数作为因变量构成的一个抽象函数，Δt_Ai代表实验室端第i+1时刻与第i时刻的时间间隔之差(即)，n为卫星秒脉冲信号与电流频率转换器输出的脉冲信号的第一上升沿重合时的秒脉冲个数，k_I则是电流频率转换器的电流频率转换系数。在本校准系统中，系数k_I可以通过配置进行调节，默认为一个恒定的常数。

②在被校准端，被校准充电桩输出的电能依据平均值法计量电能公式表示为：

式中，W_B为被标准端在校准时间内输出的电能，为被校准端输出电压的平均值，为被校准端输出电流的平均值，Δt_B为校准时长。

通过高精度的电压频率转换模块将电压转换为脉冲信号，与脉冲信号的转换关系模型为：

式中，为第i时刻由时间间隔计数器测得的电压频率转换器输出的脉冲信号和卫星同步秒脉冲的时间间隔，/>为第i时刻由脉冲计数器测得的电压频率转换器输出的脉冲信号在每一个卫星同步秒脉冲完整周期内的脉冲数。/>是由时间间隔和脉冲数作为因变量构成的一个抽象函数，Δt_Bi代表被校准端第i+1时刻与第i时刻的时间间隔之差(即)，n为卫星秒脉冲信号与电压频率转换器输出的脉冲信号的第一上升沿重合时的秒脉冲个数，k_U则是电压频率转换器的电压频率转换系数。在本校准系统中，系数k_U可以通过配置进行调节，默认为一个恒定的常数。

相同原理，通过高精度的电流频率转换模块将电流转换为脉冲信号，与脉冲信号的转换关系模型为：

式中，为第i时刻由时间间隔计数器测得的电流频率转换器输出的脉冲信号和卫星同步秒脉冲的时间间隔，/>为第i时刻由脉冲计数器测得的电流频率转换器输出的脉冲信号在每一个卫星同步秒脉冲完整周期内的脉冲数。/>是由时间间隔和脉冲数作为因变量所构成的一个抽象函数，Δt_Bi代表被校准端第i+1时刻与第i时刻的时间间隔之差(即)，n为卫星秒脉冲信号与电流频率转换器输出的脉冲信号的第一上升沿重合时的秒脉冲个数，k_I则是电流频率转换器的电流频率转换系数。在本校准系统中，系数k_I可以通过配置进行调节，默认为一个恒定的常数。

③实验室端标准装置输出电能与被校准端直流充电桩输出电能的差值为电能偏差，即式中的ΔW。由此，本系统完成电能校准工作。

ΔW＝W_A-W_B

本发明基于LabVIEW编写系统软件，由系统软件控制各检定参数的设置。校准过程中，标准器发出标准信号、待检直流充电桩发出待检信号，再由时间间隔计数器和脉冲计数器实时采集信号，校准软件计算出误差及不确定度，并于计算机中完成电能偏差的测算，完成充电桩的远程校准工作。结合图1，本系统完整的校准过程如下：(1)系统初始化：启动客户端校准程序，系统的设备管理模块向系统硬件发出初始化指令，完成对各个测试仪器接口的功能检测，并记录标准装置和待测直流充电桩的参数信息等。(2)系统检测点设置：在校准系统主页面选择设置电能校准点和校准点对应模型以及采集时间等相关参数，并自动检测远程校准仪器是否正常启动。(3)发送校准指令并采集电能偏差数据：系统的校准控制模块发送校准开始指令，读取设置好的检测点，采集标准端和待检直流充电桩输出的平均电压、平均电流、校准时长等数据，并存储到对应路径。(4)校准数据处理及报告生成：系统每个检测周期结束时，系统的实时测试模块根据设定好的数据算法分析校准数据，并判定测试结果。进而通过软件算法处理得到两端的电能偏差并给出相应的误差和不确定度分析，生成相应报告或校准证书，完成直流充电桩远程校准过程。

图2为充电桩远程校准系统硬件结构图。本系统硬件由标准电压源、标准电流源、时间计数器、电压频率转换器、电流频率转换器、时间间隔计数器、脉冲计数器、北斗卫星接收器等构成。被校准端和实验室端的北斗卫星接收器内置了原子钟，可以在同一时间接收同步卫星时钟信号，并以北斗卫星同步秒脉冲信号作为本系统中的基准信号。控制计算机通过标准接口获取实验室端时间间隔计数器和脉冲计数器的数据信息，并运用数据远传技术，实时获取被校准端脉冲频率，完成校准计算。

(1)充电桩输出电压值远程校准

在实验室端，标准电压源将电压值同时输出给高精度的电压频率转换器和时间累计模块。电压频率转换器的通道3和通道1分别与脉冲计数器和时间间隔计数器各自的通道2相连接，该模块将电压转换为脉冲信号分别输出给脉冲计数器和时间间隔计数器。时间累计模块则主要由时间计数器电路组成，用于计算校准时长，当输入信号为高电平时，时间累计模块开始计时；当输入信号为低电平时，时间累计模块停止计时。其他硬件连接上，将卫星同步时钟源自身的通道1和通道2与时间计数器和脉冲计数器各自的通道1分别连接，并提供给二者同步秒脉冲频率信号。脉冲计数器测量由电压频率转换器输出的脉冲信号在每一个卫星同步秒脉冲完整周期内的脉冲数，时间间隔计数器测量电压频率转换器输出的脉冲信号和卫星同步秒脉冲的时间间隔。由此，电压源对应频率的脉冲信号结合卫星秒脉冲信号于上述两个硬件装置中完成信号比对。时间间隔计数器和脉冲计数器的输出接口又分别与计算机的串口1和串口2连接，并将时间间隔数据和脉冲数数据传输至计算机。

在被校准端，充电桩的实际电压值同时输出给高精度的电压频率转换器和时间累计模块。电压频率转换器的通道3和通道1分别与脉冲计数器和时间间隔计数器各自的通道2相连接，该模块将电压转换为脉冲信号分别输出给脉冲计数器和时间间隔计数器。时间累计模块则主要由时间计数器电路组成，用于计算校准时长。当输入信号为高电平时，时间累计模块开始计时；当输入信号为低电平时，时间累计模块停止计时。实验室端和被校准端的时间累计模块同时计时，能够实现关于校准时长的双向比对，以保证时间测量的准确性。卫星同步时钟源自身的通道1和通道2与时间间隔计数器和脉冲计数器各自的通道1分别连接，并提供给二者同步秒脉冲频率信号。被校准端的脉冲计数器和时间间隔计数器与实验室端的装置具有相同硬件功能。由此，充电桩实际输出电压转换为对应频率的脉冲信号，并于上述两个硬件装置中同卫星秒脉冲信号完成信号比对。时间间隔计数器和脉冲计数器的输出接口又分别与数据透传模块的串口1和串口2连接，处理得到的时间间隔数据和脉冲数数据传输至数据透传模块。数据透传模块采集到数据后，通过移动通信网络远传至实验室端计算机。

(2)充电桩输出电流值远程校准

标准电流源部分，实验室端的标准电流值将同时输出给高精度的电流频率转换器和时间累计模块。电流频率转换器的通道3和通道1分别与脉冲计数器和时间间隔计数器各自的通道2相连接，该模块会将电流转换为脉冲信号分别输出给脉冲计数器和时间间隔计数器。时间累计模块则主要由时间计数器电路组成，用于计算校准时长。相同的，将卫星同步时钟源自身的通道4和通道3分别与脉冲计数器和时间间隔计数器各自的通道1连接，实现秒脉冲频率信号的同步输出。由此，电流源对应频率的脉冲信号结合卫星秒脉冲信号于上述两个硬件装置中完成信号比对。时间间隔计数器和脉冲计数器的输出接口又分别与计算机的串口4和串口5连接，并将时间间隔数据和脉冲数数据传输至计算机。

在被校准端，充电桩的实际电流值同时输出给高精度的电流频率转换器和时间累计模块。电流频率转换器的通道3和通道1分别与脉冲计数器和时间间隔计数器各自的通道2相连接，该模块将电流转换为脉冲信号分别输出给脉冲计数器和时间间隔计数器。时间累计模块则主要由时间计数器电路组成，用于计算校准时长。实验室端和被校准端的时间累计模块同时计时，能够实现关于校准时长的双向比对，以保证时间测量的准确性。卫星同步时钟源自身的通道3和通道4与时间间隔计数器和脉冲计数器各自的通道1分别连接，并提供给二者同步秒脉冲频率信号。被校准端的脉冲计数器和时间间隔计数器与实验室端的装置具有相同硬件功能。由此，充电桩实际输出电流转换为对应频率的脉冲信号，并于上述两个硬件装置中同卫星秒脉冲信号完成信号比对。时间间隔计数器和脉冲计数器的输出接口又分别与数据透传模块的串口4和串口5连接，处理得到的时间间隔数据和脉冲数数据传输至数据透传模块。数据透传模块采集到数据后，通过移动通信网络远传至实验室端计算机。

(3)充电桩输出电能远程校准

在计算机程序中对两端采集的数据进行处理，由两端电压和电流参量转换而来的脉冲信号的频率偏差，基于远程校准模型关系式，得到两端的电能偏差。远程校准模型的具体算法为：

①电能的平均值计算法表示为：

式中，W为平均值法计量电能，P分别为Δt时间内的平均电压、平均电流和平均功率。

②通过高精度的电压频率转换模块和电流频率转换模块可以将电压和电流转换为脉冲信号，转换关系式为：

式中，t_i为第i时刻由时间间隔计数器测得的电压频率转换器或电流频率转换器输出的脉冲信号和卫星同步秒脉冲的时间间隔，N_i为第i时刻由脉冲计数器测得的电压频率转换器或电流频率转换器输出的脉冲信号在每一个卫星同步秒脉冲完整周期内的脉冲数。是第i时刻的时间间隔和脉冲数作为因变量所构成的一个抽象函数。k则是电压/电流频率转换器的转换系数。在本校准系统中，系数k可以通过配置进行调节，默认为一个恒定的常数。

③实验室端标准装置输出电能与被校准端直流充电桩输出电能的差值为电能偏差，即式中的ΔW。

ΔW＝W_A-W_B

在计算机中完成相应的算法处理，即可实现被校准端与实验室端的电能远程校准。

图3为充电桩远程校准上位机软件执行流程图。上位机软件系统是人机交互的控制枢纽，本系统采用LabVIEW软件和相关仪器驱动编制自动校准程序及软件调用框架。软件设计部分需依据相应的计量检定规程，优化系统控制算法，能够不失控制精度的达到所有校准要求，同时尽可能地节约测试时间。上位机软件系统主要设计了UI界面刷新、实时测试流程、实时数据存储三个线程的并发方案。系统正式启动后，上位机软件进入初始化程序，主要检测各个测试仪器接口功能是否正常。随后进入校准系统初始主页，主要提供设备管理、实时测试、数据处理及报表管理等UI交互功能。首先进入设备管理终端配置待测充电桩参数以及测试仪器的环境参数，之后进入实时测试终端，配置相应的校准工程和项目。随后启动远程校准流程，在校准过程中，针对采集的数据分析处理，实现对各项进度和数据的实时显示，包括测量进度显示、测量数据显示和单点复测显示等，并将数据完整保存到数据库中。测试结束后，系统能够进行校准结果和故障反馈。用户通过历史数据终端，可以浏览校准数据并导出相应的校准报告。也可通过报表终端自定义校准报告模板，并针对校准数据进行报告导出。

Claims (5)

1.一种充电桩远程校准系统，其特征是，包括实验室端和被校准端；

在实验室端设置有标准电压源、标准电流源、第一电压频率转换器、第一电流频率转换器、第一卫星同步时钟源、第一时间累计模块、第二时间累计模块、第一脉冲计数器、第二脉冲计数器、第一时间间隔计数器、第二时间间隔计数器、计算机；

标准电压源与第一时间累计模块和第一电压频率转换器相接，标准电压源用于将标准电压值同时输出给第一时间累计模块和第一电压频率转换器；第一时间累计模块用于根据标准电压源的输出信号计算校准时长，并输出信号给计算机；第一电压频率转换器同时还连接第一脉冲计数器和第一时间间隔计数器，第一电压频率转换器用于将标准电压值转换为脉冲信号并分别输出给第一脉冲计数器和第一时间间隔计数器；第一脉冲计数器和第一时间间隔计数器还分别连接第一卫星同步时钟源，第一卫星同步时钟源用于接收北斗卫星信号并输出卫星同步秒脉冲信号给第一脉冲计数器和第一时间间隔计数器；第一脉冲计数器用于测量由第一电压频率转换器输出的脉冲信号在每一个卫星同步秒脉冲信号完整周期内的脉冲数，并将脉冲数发送至计算机；第一时间间隔计数器用于测量第一电压频率转换器输出的脉冲信号和卫星同步秒脉冲信号的时间间隔，并将时间间隔发送至计算机；

标准电流源与第二时间累计模块和第一电流频率转换器相接，标准电流源用于将标准电流值同时输出给第二时间累计模块和第一电流频率转换器；第二时间累计模块用于根据标准电流源的输出信号计算校准时长，并输出信号给计算机；第一电流频率转换器同时还连接第二脉冲计数器和第二时间间隔计数器，第一电流频率转换器用于将标准电流值转换为脉冲信号并分别输出给第二脉冲计数器和第二时间间隔计数器；第二脉冲计数器和第二时间间隔计数器还分别连接第一卫星同步时钟源，第一卫星同步时钟源用于接收北斗卫星信号并输出卫星同步秒脉冲信号给第二脉冲计数器和第二时间间隔计数器；第二脉冲计数器用于测量由第一电流频率转换器输出的脉冲信号在每一个卫星同步秒脉冲信号完整周期内的脉冲数，并将脉冲数发送至计算机；第二时间间隔计数器用于测量第一电流频率转换器输出的脉冲信号和卫星同步秒脉冲信号的时间间隔，并将时间间隔发送至计算机；

在被校准端设置有第二电压频率转换器、第二电流频率转换器、第二卫星同步时钟源、第三时间累计模块、第四时间累计模块、第三脉冲计数器、第四脉冲计数器、第三时间间隔计数器、第四时间间隔计数器；充电桩位于被校准端；

充电桩的电压输出端与第三时间累计模块和第二电压频率转换器相接，充电桩通过其电压输出端将电压值输出给第三时间累计模块和第二电压频率转换器；第三时间累计模块用于根据充电桩输出的电压值计算校准时长，并将输出信号通过数据透传模块传输至计算机；第二电压频率转换器同时还连接第三脉冲计数器和第三时间间隔计数器，第二电压频率转换器用于将电压值转换为脉冲信号并分别输出给第三脉冲计数器和第三时间间隔计数器；第三脉冲计数器和第三时间间隔计数器还分别连接第二卫星同步时钟源，第二卫星同步时钟源用于接收北斗卫星信号并输出卫星同步秒脉冲信号给第三脉冲计数器和第三时间间隔计数器；第三脉冲计数器用于测量由第二电压频率转换器输出的脉冲信号在每一个卫星同步秒脉冲信号完整周期内的脉冲数，并将脉冲数通过数据透传模块传输至计算机；第三时间间隔计数器用于测量第二电压频率转换器输出的脉冲信号和卫星同步秒脉冲信号的时间间隔，并将时间间隔通过数据透传模块传输至计算机；

充电桩的电流输出端与第四时间累计模块和第二电流频率转换器相接，充电桩通过其电流输出端将电流值输出给第四时间累计模块和第二电流频率转换器；第四时间累计模块用于根据充电桩输出的电流值计算校准时长，并将输出信号通过数据透传模块传输至计算机；第二电流频率转换器同时还连接第四脉冲计数器和第四时间间隔计数器，第二电流频率转换器用于将电流值转换为脉冲信号并分别输出给第四脉冲计数器和第四时间间隔计数器；第四脉冲计数器和第四时间间隔计数器还分别连接第二卫星同步时钟源，第二卫星同步时钟源用于接收北斗卫星信号并输出卫星同步秒脉冲信号给第四脉冲计数器和第四时间间隔计数器；第四脉冲计数器用于测量由第二电流频率转换器输出的脉冲信号在每一个卫星同步秒脉冲信号完整周期内的脉冲数，并将脉冲数通过数据透传模块传输至计算机；第四时间间隔计数器用于测量第二电流频率转换器输出的脉冲信号和卫星同步秒脉冲信号的时间间隔，并将时间间隔通过数据透传模块发送至计算机；

计算机根据实验室端传输的脉冲数和时间间隔数据计算标准电能，并根据被校准端传输的脉冲数和时间间隔数据计算充电桩的电能，最后计算标准电能和充电桩电能的偏差，实现充电桩的远程校准。

2.根据权利要求1所述的充电桩远程校准系统，其特征是，各时间累计模块均由时间计数器电路组成；当输入信号为高电平时，时间累计模块开始计时；当输入信号为低电平时，时间累计模块停止计时。

3.根据权利要求1所述的充电桩远程校准系统，其特征是，第一电压频率转换器和第二电压频率转换器的核心均为LM331芯片；LM331芯片内部采用温度补偿能隙基准电路。

4.根据权利要求1所述的充电桩远程校准系统，其特征是，第一电流频率转换器和第二电流频率转换器均由积分器电路、比较器电路、同步电路、时序分配电路、电子开关及恒流源电路组成。

5.一种充电桩远程校准方法，其特征是，该校准方法采用了权利要求1所述充电桩远程校准系统，该校准方法包括如下步骤：

①在实验室端，输出的标准电能如下：

式中，W_A为实验室端在校准时间内输出的电能，为实验室端输出电压的平均值，/>为实验室端输出电流的平均值，Δt_A为校准时长；

通过第一电压频率转换器将标准电压转换为脉冲信号，与脉冲信号的转换关系模型为：

式中，为第i时刻由第一时间间隔计数器测得的第一电压频率转换器输出的脉冲信号和卫星同步秒脉冲信号的时间间隔，/>为第i时刻由第一脉冲计数器测得的第一电压频率转换器输出的脉冲信号在每一个卫星同步秒脉冲信号完整周期内的脉冲数；n是卫星秒脉冲信号与脉冲信号的第一上升沿重合时的秒脉冲个数；k_U则是第一电压频率转换器的电压频率转换系数；

相同原理，通过第一电流频率转换器将电流转换为脉冲信号，与脉冲信号的转换关系模型为：

式中，为第i时刻由第二时间间隔计数器测得的第一电流频率转换器输出的脉冲信号和卫星同步秒脉冲信号的时间间隔，/>为i第时刻由第二脉冲计数器测得的第一电流频率转换器输出的脉冲信号在每一个卫星同步秒脉冲信号完整周期内的脉冲数；n为卫星秒脉冲信号与脉冲信号的第一上升沿重合时的秒脉冲个数，k_I则是第一电流频率转换器的电流频率转换系数；

②在被校准端，充电桩输出的电能公式如下：

式中，W_B为被标准端充电桩在校准时间内输出的电能，为被校准端充电桩输出电压的平均值，/>为被校准端充电桩输出电流的平均值，Δt_B为校准时长；

通过第二电压频率转换器将充电桩输出的电压转换为脉冲信号，与脉冲信号的转换关系模型为：

式中，为第i时刻由第三时间间隔计数器测得的第二电压频率转换器输出的脉冲信号和卫星同步秒脉冲信号的时间间隔，/>为第i时刻由第三脉冲计数器测得的第二电压频率转换器输出的脉冲信号在每一个卫星同步秒脉冲信号完整周期内的脉冲数，n为卫星秒脉冲信号与脉冲信号的第一上升沿重合时的秒脉冲个数，k_U则是第二电压频率转换器的电压频率转换系数；

相同原理，通过第二电流频率转换器将充电桩输出的电流转换为脉冲信号，与脉冲信号的转换关系模型为：

式中，为第i时刻由第四时间间隔计数器测得的第二电流频率转换器输出的脉冲信号和卫星同步秒脉冲信号的时间间隔，/>为第i时刻由第四脉冲计数器测得的第二电流频率转换器输出的脉冲信号在每一个卫星同步秒脉冲信号完整周期内的脉冲数，n为卫星秒脉冲信号与脉冲信号的第一上升沿重合时的秒脉冲个数，k_I则是第二电流频率转换器的电流频率转换系数；

③实验室端输出的标准电能与被校准端直流充电桩输出电能的差值为电能偏差，即ΔW，如下：

ΔW＝W_A-W_B

至此，充电桩电能校准工作完成。