CN117572138B - 一种大功率充电桩的计量检定装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于充电桩检定技术领域，具体提供一种大功率充电桩的计量检定装置，包括模拟电动汽车充电控制单元和与模拟电动汽车充电控制单元连接的智能显示单元；模拟电动汽车充电控制单元包括充电插座；充电插座通过液冷单元降温；智能显示单元控制与充电插座连接的待测大功率充电桩的启停，并采集待测大功率充电桩充电状态数据进行显示；计量采集单元采集待测大功率充电桩输出的电压和电流并计算充电时间段的待测大功率充电桩的工作误差，将采集的电压电流以及计算的工作误差传输给智能显示单元；智能显示单元根据计量采集单元采集的电流控制计量采集单元调整电流采集连接方式。保证了宽范围采集精度，保证大功率充电桩的计量准确。
Description
技术领域
本发明涉及充电桩计量检定技术领域，具体涉及一种大功率充电桩的计量检定装置。
背景技术
随着动力电池技术不断突破，锂电池能量密度与功率密度并行提升，一方面提高了电动汽车续驶里程，另一方面也让补给时长可与燃油车加油相媲美的“快充”有了可能。快速充电技术已经成为了电动汽车充电技术的重要发展趋势，其主要通过提高充电电流、电压、充电功率等参数来实现。
目前，由于液冷技术的发展，新版国标GB/T 20234.4-2023中定义了大功率直流充电连接组件额定值充电额定电压高达1500V，充电额定电流高达800A，这对检定装置的电压/电流/电能检定量程、范围、精度提出了更高要求。而现有的直流充电桩检定装置额定电流，均不大于250A, 各大检定机构没有相应的计量检定设备，无法开展相关计量工作，不利于大功率充电桩的推广及应用。
目前亟需研制满足大功率计量的计量检定的新设备，提升新型充电设施的计量检定水平。
发明内容
针对现有的直流充电桩检定装置额定电流，均不大于250A, 各大检定机构没有相应的计量检定设备，无法开展相关计量工作的问题，本发明提供一种大功率充电桩的计量检定装置，包括模拟电动汽车充电控制单元和与模拟电动汽车充电控制单元连接的智能显示单元、电池电压模拟单元和计量采集单元；
模拟电动汽车充电控制单元包括用于连接待测大功率充电桩的充电插座；充电插座通过液冷单元降温；
智能显示单元与充电插座通信，控制与充电插座连接的待测大功率充电桩的启停，并采集待测大功率充电桩充电状态数据进行显示；
智能显示单元分别与计量采集单元和电池电压模拟单元连接；获取电池电压模拟单元的电压进行显示；
计量采集单元，用于采集待测大功率充电桩输出的电压和电流并计算充电时间段的待测大功率充电桩的工作误差，将采集的电压电流以及计算的工作误差传输给智能显示单元；
智能显示单元，用于根据计量采集单元采集的电流控制计量采集单元调整电流采集连接方式。
作为本发明技术方案的优选，该装置还包括设置在充电插座位置用于监测装置温度的温度监测单元，所述温度监测单元与模拟电动汽车充电控制单元连接，当监测到温度大于设定温度阈值时控制模拟电动汽车充电控制单元与充电插座的充电线路断开。
作为本发明技术方案的优选，模拟电动汽车充电控制单元还包括控制模块、充电控制开关、自检模块和连接接口；
充电插座通过充电控制开关与连接接口连接，连接接口用于连接电池电压模拟单元和智能显示单元；
自检模块与充电插座连接；控制模块分别与自检模块和充电控制开关连接，通过控制自检模块完成充电桩自检后，控制充电控制开关动作启动充电；
控制模块与温度监测单元连接，当温度监测单元监测到温度大于设定温度阈值时，控制模块控制充电控制开关动作断开充电线路。
作为本发明技术方案的优选，充电插座设置有自检电压端、充电端和接地端；
充电端与充电控制开关连接；
自检模块包括二极管和电压检测子模块，二极管的阳极与自检电压端连接，二极管的阴极通过并联连接的第一引导电路、第二引导电路和第三引导电路与充电插座的接地端连接；
电压检测子模块与二极管的阴极连接，电压检测子模块、第二引导电路和第三引导电路与控制模块连接，通过控制第二引导电路和第三引导电路使电压检测子模块采集的电压满足设定值完成充电桩自检。
作为本发明技术方案的优选，第一引导电路包括第一电阻，第二引导电路包括串联连接的第二电阻和第一控制开关，第三引导电路包括串联连接的第三电阻和第二控制开关；
第一控制开关和第二控制开关分别与控制模块连接。
作为本发明技术方案的优选，充电插座还设置有信号端，连接接口包括充电接口和信号接口；
充电插座的充电端通过充电控制开关与充电接口连接；
智能显示单元与充电插座的信号端连接，用于控制充电桩的启停并采集充电桩充电状态数据。
作为本发明技术方案的优选，计量采集单元包括计量处理模块和与计量处理模块连接的电流传感器和电压传感器；
所述计量处理模块与智能显示单元连接；
电压传感器用于采集充电端输出的电压；
电流传感器用于采集充电端输出的电流；
计量处理模块，用于对采集的电压和电流进行处理并通过电能累计的方式计算充电桩的工作误差传输给智能显示单元进行存储并显示；
充电桩的工作误差；
E1为被检充电桩开始充电到停止充电输出的电能示值之差，E2为相同时间段内输出的标准电能值。
作为本发明技术方案的优选，充电插座的充电端通过两路并联的电缆连接电流传感器；两路并联的电缆包括第一路电缆和第二路电缆；
充电端通过第一路电缆穿过电流传感器与充电接口连接；
充电段通过第二路电缆缠绕电流互感器后与充电接口连接；
第一路电缆上连接有第一线路控制开关，第二路电缆上连接有第二线路控制开关；第一线路控制开关和第二线路控制开关分别与智能显示单元连接；
智能显示单元根据计量采集单元采集的电流，判断电流大于第一电流阈值时，控制第一线路控制开关闭合第二线路控制开关断开；判断电流小于或等于第一电流阈值时，控制第一线路控制开关断开第二线路控制开关闭合。
作为本发明技术方案的优选，该装置还包括用于给装置供电的电源供电单元。
作为本发明技术方案的优选，该装置还包括与模拟电动汽车充电控制单元连接的负载单元，通过配置负载单元满足相应功率工况下的计量检定。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：该检定装置可采用强制液冷方式，对大功率充电桩开展实时检定。提升大功率充电机的计量检定水平，电流采集采用双路采集方式，保证了宽范围采集精度，保证大功率充电桩的计量准确。具有电动汽车大功率直流充电桩的计量功能，具体便携式、通用性强的特点，极大的提高了检测效率，方便现场检定/检测工作。
此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明一个实施例的装置的示意框图。
图2是模拟电动汽车充电控制单元连接框图。
图3是模拟电动汽车充电控制单元的控制模块连接示意图。
图4是模拟电动汽车充电控制单元电路拓扑图。
图5是计量采集单元框图。
图6是本发明一个实施例的电压、电流采集原理图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明中的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明实施例提供一种大功率充电桩的计量检定装置，包括模拟电动汽车充电控制单元和与模拟电动汽车充电控制单元连接的智能显示单元、电池电压模拟单元和计量采集单元；
模拟电动汽车充电控制单元包括用于连接待测大功率充电桩的充电插座；充电插座通过液冷单元降温；
智能显示单元与充电插座通信，控制与充电插座连接的待测大功率充电桩的启停，并采集待测大功率充电桩充电状态数据进行显示；
智能显示单元分别与计量采集单元和电池电压模拟单元连接；获取电池电压模拟单元的电压进行显示；
计量采集单元，用于采集待测大功率充电桩输出的电压和电流并计算充电时间段的待测大功率充电桩的工作误差，将采集的电压电流以及计算的工作误差传输给智能显示单元；
智能显示单元，用于根据计量采集单元采集的电流控制计量采集单元调整电流采集连接方式。
需要说明的是，本发明采集的液冷单元可以是采用现有的结构设置在充电插座的底部或包覆在充电插座的周围进行充电插座的降温散热。具体的，采用液冷循环泵对充电插座进行强制降温，满足800A电流输出，避免充电插座过温。
电池电压模拟单元采用绿色环保的小容量、宽电压（0~1500V）、体积小的电压发生器实现模拟电池电压功能，满足1500V及以下充电桩的正常启停功能。
在有些实施例中，如图2和3所示，模拟电动汽车充电控制单元还包括控制模块、充电控制开关、自检模块和连接接口；
充电插座通过充电控制开关与连接接口连接，连接接口用于连接电池电压模拟单元和智能显示单元；
自检模块与充电插座连接；控制模块分别与自检模块和充电控制开关连接，通过控制自检模块完成充电桩自检后，控制充电控制开关动作启动充电；
控制模块与温度监测单元连接，当温度监测单元监测到温度大于设定温度阈值时，控制模块控制充电控制开关动作断开充电线路。
该装置还包括设置在充电插座位置用于监测装置温度的温度监测单元，所述温度监测单元与模拟电动汽车充电控制单元连接，当监测到温度大于设定温度阈值时控制模拟电动汽车充电控制单元与充电插座的充电线路断开。
温度监测单元采用pt1000对大功率充电桩计量检定装置进行温度监测，当检测到温度超过100度时，断开直流输出回路充电控制开关，防止设备过温。
如图2、3和图4所示，在有些实施例中，充电插座设置有自检电压端、充电端和接地端；
充电端与充电控制开关连接；
自检模块包括二极管和电压检测子模块，二极管的阳极与自检电压端连接，二极管的阴极通过并联连接的第一引导电路、第二引导电路和第三引导电路与充电插座的接地端连接；
电压检测子模块与二极管的阴极连接，电压检测子模块、第二引导电路和第三引导电路与控制模块连接，通过控制第二引导电路和第三引导电路使电压检测子模块采集的电压满足设定值完成充电桩自检。
第一引导电路包括第一电阻，第二引导电路包括串联连接的第二电阻和第一控制开关，第三引导电路包括串联连接的第三电阻和第二控制开关；
第一控制开关和第二控制开关分别与控制模块连接。
充电插座还设置有信号端，连接接口包括充电接口和信号接口；
充电插座的充电端通过充电控制开关与充电接口连接；
智能显示单元与充电插座的信号端连接，用于控制充电桩的启停并采集充电桩充电状态数据。采用pt1000对大功率充电桩计量检定装置进行温度监测，当检测到温度超过100度时，断开直流输出回路的C5和C6，防止设备过温。
如图5所示，计量采集单元包括计量处理模块和与计量处理模块连接的电流传感器和电压传感器；
所述计量处理模块与智能显示单元连接；
电压传感器用于采集充电端输出的电压；
电流传感器用于采集充电端输出的电流；
计量处理模块，用于对采集的电压和电流进行处理并通过电能累计的方式计算充电桩的工作误差传输给智能显示单元进行存储并显示；
充电桩的工作误差；
E1为被检充电桩开始充电到停止充电输出的电能示值之差，E2为相同时间段内输出的标准电能值。
智能显示单元作为检定装置的控制中心，负责控制检定装置的各个单元，自带存储功能、能够实现现场检定数据和检测数据的实时保存，可实现以下功能的监测与显示：①计量电压、电流、电量的获取；②与充电桩S+S-CAN通信实现充电桩充电状态数据的获取；③模拟电池电压数据的获取；④温度数据的获取。
如图6所示，充电插座的充电端通过两路并联的电缆连接电流传感器；两路并联的电缆包括第一路电缆和第二路电缆；
充电端通过第一路电缆穿过电流传感器与充电接口连接；
充电段通过第二路电缆缠绕电流互感器后与充电接口连接；
第一路电缆上连接有第一线路控制开关，第二路电缆上连接有第二线路控制开关；第一线路控制开关和第二线路控制开关分别与智能显示单元连接；
智能显示单元根据计量采集单元采集的电流，判断电流大于第一电流阈值时，控制第一线路控制开关闭合第二线路控制开关断开；判断电流小于或等于第一电流阈值时，控制第一线路控制开关断开第二线路控制开关闭合。具体的，计量采集单元采用采样频率高的ADC模块，通过高速采样，电能累积的方式计算误差，并将误差上传至智能显示单元进行存储，当电流＞50A时C3闭合，C4断开，电流通过L1电缆穿过电流互感器；当电流≤50A时C3断开，C4闭合，电流通过L2电缆缠绕电流互感器U1，采用导线多着缠绕方式保障小电流的测量精度。
该装置还包括用于给装置供电的电源供电单元。电源供电单元是将220V交流电压转换成12V直流，给内部的各单元运行供电：负责智能显示单元、计量采集单元等各个单元供电。
该装置还包括与模拟电动汽车充电控制单元连接的负载单元，可采用电子或电阻负载，通过配置负载单元满足相应功率工况下的计量检定。
如图4所示，首先通过模拟电动汽车充电控制单元中内部控制导引电路开关S2、S2’Sv开关的闭合，使检测点2电压（CC1，PE端电压）为5.6V，处于可充电状态，充电桩自检完成后，在进入预充时，充电控制开关C5C6闭合，电池电压模拟单元启动输出模拟电池电压，充电桩按照充电需求正常启动充电。调整充电需求，据 JJG 1149-2022 电动汽车非车载充电机（试行）计量要求，确定充电机输出电压电输出特性，选择计量点，控制充电桩按稳定输出。然后开启液冷单元，调整负载单元，使充电桩稳定输出且达到计量输出要求，根据输出特性，调整计量采集单元参数，保障测量精度。为保障宽范围的电流采集精度，电流采集采用双路采集方式。50A以下电流采集精度，采用多匝绕线式采集方式，外层小电流抽头绕在成品传感器线圈外层，来回绕N匝，当抽头通一电流I，等同于N*I的电流大小通过传感器，传感器测的是N*I的电流大小值。
需要说明的是，绝缘自检由充电桩发起，绝缘自检过程中，保证C5和C6断开。绝缘自检过程如下：
充电桩控制器先检测充电桩桩端输出直流接触器外侧电压的绝对值不应大于60V DC，确认车辆供电回路外侧正常；同时通过测量检测点2的电压值为5.60V以确认充电桩内开关为闭合状态，否则不允许充电。在自检阶段，充电桩应进行直流供电回路直流接触器触点粘连检测、短路检测以及充电机内部的绝缘监测。绝缘监测时充电机应闭合充电桩桩端输出直流接触器且输出电缆绝缘监测电压应为参数协商中车辆最高允许充电总电压和充电机最高充电电压中的较小值；绝缘监测完成后，将IMD以物理的方式从强电回路中分离，并投入泄放回路对直流输出电压进行泄放；泄放结束后，泄放电路应从强电回路中分离；当直流供电回路DC+与DC-之间电压降至60 V DC以下时，断开充电桩桩端输出直流接触器。图中的检测点3为车辆控制器通过其电压值确认车辆接口中CC2回路是否连接正常以及所连接至的充电机类型。（是模拟装置内部预留功能，Sv可设置成常闭，且本文只针对GB/T20234.4该类型充电桩的检定在此不做赘述）。
电能由计量采集单元按以下公式计算E2=计算并自动给出，被检充电机工作误差r按以下公示进行计算：r=/>*100%,其中E1为被检充电机停止充电与充电开始时输出的电能示值之差，E2为计量采集单元给出的标准电能值。
本发明以电阻或电子负载，采用最新大功率充电接口及控制导引技术方案，检定装置亦采用液冷枪座，并配置温度监测单元保证检定过程中设备安全。同时解决宽范围内电流采集保持高精度的问题，保障50A以下电流输出点的检定精度。采集电动汽车充电过程的全周期波形，分析电动汽车充电过程中的电压电流特性，构建电动汽车充电过程的全周期模型，比对检定装置的ADC采样频率，选取采样频率高的计量芯片，满足计量检定要求，实现了大功率充电机检定方法的研究。
应理解，上述实施例中各步骤的序号的大小并不意味着执行顺序的先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本发明实施例的实施过程构成任何限定。
尽管通过参考附图并结合优选实施例的方式对本发明进行了详细描述，但本发明并不限于此。在不脱离本发明的精神和实质的前提下，本领域普通技术人员可以对本发明的实施例进行各种等效的修改或替换，而这些修改或替换都应在本发明的涵盖范围内/任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种大功率充电桩的计量检定装置，其特征在于，包括模拟电动汽车充电控制单元和与模拟电动汽车充电控制单元连接的智能显示单元、电池电压模拟单元、计量采集单元和负载单元；通过配置负载单元满足相应功率工况下的计量检定；
模拟电动汽车充电控制单元包括用于连接待测大功率充电桩的充电插座；充电插座通过液冷单元降温；
智能显示单元与充电插座通信，控制与充电插座连接的待测大功率充电桩的启停，并采集待测大功率充电桩充电状态数据进行显示；
智能显示单元分别与计量采集单元和电池电压模拟单元连接；获取电池电压模拟单元的电压进行显示；
计量采集单元，用于采集待测大功率充电桩输出的电压和电流并计算充电时间段的待测大功率充电桩的工作误差，将采集的电压电流以及计算的工作误差传输给智能显示单元；
智能显示单元，用于根据计量采集单元采集的电流控制计量采集单元调整电流采集连接方式。
2.根据权利要求1所述的大功率充电桩的计量检定装置，其特征在于，该装置还包括设置在充电插座位置用于监测装置温度的温度监测单元，所述温度监测单元与模拟电动汽车充电控制单元连接，当监测到温度大于设定温度阈值时控制模拟电动汽车充电控制单元与充电插座的充电线路断开。
3.根据权利要求2所述的大功率充电桩的计量检定装置，其特征在于，模拟电动汽车充电控制单元还包括控制模块、充电控制开关、自检模块和连接接口；
充电插座通过充电控制开关与连接接口连接，连接接口用于连接电池电压模拟单元和智能显示单元；
自检模块与充电插座连接；控制模块分别与自检模块和充电控制开关连接，通过控制自检模块完成充电桩自检后，控制充电控制开关动作启动充电。
4.根据权利要求3所述的大功率充电桩的计量检定装置，其特征在于，控制模块与温度监测单元连接，当温度监测单元监测到温度大于设定温度阈值时，控制模块控制充电控制开关动作断开充电线路。
5.根据权利要求4所述的大功率充电桩的计量检定装置，其特征在于，充电插座设置有自检电压端、充电端和接地端；
充电端与充电控制开关连接；
自检模块包括二极管和电压检测子模块，二极管的阳极与自检电压端连接，二极管的阴极通过并联连接的第一引导电路、第二引导电路和第三引导电路与充电插座的接地端连接；
电压检测子模块与二极管的阴极连接，电压检测子模块、第二引导电路和第三引导电路与控制模块连接，通过控制第二引导电路和第三引导电路使电压检测子模块采集的电压满足设定值完成充电桩自检。
6.根据权利要求5所述的大功率充电桩的计量检定装置，其特征在于，第一引导电路包括第一电阻，第二引导电路包括串联连接的第二电阻和第一控制开关，第三引导电路包括串联连接的第三电阻和第二控制开关；
第一控制开关和第二控制开关分别与控制模块连接。
7.根据权利要求6所述的大功率充电桩的计量检定装置，其特征在于，充电插座还设置有信号端，连接接口包括充电接口和信号接口；
充电插座的充电端通过充电控制开关与充电接口连接；
智能显示单元与充电插座的信号端连接，用于控制充电桩的启停并采集充电桩充电状态数据。
8.根据权利要求7所述的大功率充电桩的计量检定装置，其特征在于，计量采集单元包括计量处理模块和与计量处理模块连接的电流传感器和电压传感器；
所述计量处理模块与智能显示单元连接；
电压传感器用于采集充电端输出的电压；
电流传感器用于采集充电端输出的电流；
计量处理模块，用于对采集的电压和电流进行处理并通过电能累计的方式计算充电桩的工作误差传输给智能显示单元进行存储并显示；
充电桩的工作误差；
E1为被检充电桩开始充电到停止充电输出的电能示值之差，E2为相同时间段内输出的标准电能值。
9.根据权利要求8所述的大功率充电桩的计量检定装置，其特征在于，充电插座的充电端通过两路并联的电缆连接电流传感器；两路并联的电缆包括第一路电缆和第二路电缆；
充电端通过第一路电缆穿过电流传感器与充电接口连接；
充电段通过第二路电缆缠绕电流互感器后与充电接口连接；
第一路电缆上连接有第一线路控制开关，第二路电缆上连接有第二线路控制开关；第一线路控制开关和第二线路控制开关分别与智能显示单元连接；
智能显示单元根据计量采集单元采集的电流，判断电流大于第一电流阈值时，控制第一线路控制开关闭合第二线路控制开关断开；判断电流小于或等于第一电流阈值时，控制第一线路控制开关断开第二线路控制开关闭合。
10.根据权利要求1所述的大功率充电桩的计量检定装置，其特征在于，该装置还包括用于给装置供电的电源供电单元。
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