關(guān)鍵詞：電動(dòng)汽車，充電樁，電能計(jì)量

DOI編碼：10.3969/j.issn.1002-5944.2025.03.037

0 引言

電動(dòng)汽車充電樁是為電動(dòng)汽車提供電能補(bǔ)給的充電設(shè)備，是電動(dòng)汽車基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，包括交流充電樁和直流充電樁兩種類型。目前電動(dòng)汽車充電樁在電能計(jì)量方面還存在一些問題，其技術(shù)發(fā)展還需要不斷進(jìn)步，開發(fā)更加智能化、網(wǎng)絡(luò)化、更強(qiáng)環(huán)境適應(yīng)性與安全性的充電樁，為電動(dòng)汽車用戶提供更加便捷的充電體驗(yàn)。

1 電動(dòng)汽車充電樁電能計(jì)量原理和關(guān)鍵技術(shù)

1.1 電動(dòng)汽車充電樁電能計(jì)量原理

電動(dòng)汽車充電樁中電能計(jì)量是指對(duì)充電過程中傳輸給電動(dòng)汽車電池的電能進(jìn)行精確測量。電能計(jì)量系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)部分組成，分別是電流傳感器、電壓傳感器、計(jì)量芯片、顯示屏與通信模塊。其中電流傳感器被用于測量充電電流的大??；電壓傳感器被用于測量充電電壓大小；計(jì)量芯片用于處理傳感器采集的數(shù)據(jù)，計(jì)算電能消耗；顯示屏用于顯示計(jì)量結(jié)果；通信模塊用于數(shù)據(jù)傳輸。采樣是指將連續(xù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為離散的數(shù)字信號(hào)的過程。電能計(jì)量的計(jì)算原理基于電功率的概念，即電能是電壓和電流相互作用的結(jié)果。在充電樁中，計(jì)算電能消耗量通常涉及以下兩個(gè)主要步驟：第一，通過實(shí)時(shí)采樣的電壓和電流數(shù)據(jù)計(jì)算瞬時(shí)功率。第二，通過對(duì)瞬時(shí)功率進(jìn)行時(shí)間積分來計(jì)算在特定時(shí)間段內(nèi)的電能消耗。瞬時(shí)功率計(jì)算公式為p （t ）=u （t ）i （t ），其中u （t ）、i （t ）分別指代瞬時(shí)電壓和瞬時(shí)電流。電能累計(jì)通過對(duì)瞬時(shí)功率隨時(shí)間的積分來計(jì)算，積分則一般通過數(shù)值積分來實(shí)現(xiàn)，如梯形法則或辛普森法則。

1.2 電動(dòng)汽車充電樁電能計(jì)量關(guān)鍵技術(shù)

電動(dòng)汽車充電樁電能計(jì)量關(guān)鍵技術(shù)是實(shí)現(xiàn)精確、高效電能測量的核心，主要有電流電壓采樣技術(shù)、AD轉(zhuǎn)換技術(shù)、數(shù)據(jù)處理與校準(zhǔn)技術(shù)以及通信與接口技術(shù)。電流電壓采樣技術(shù)通過傳感器實(shí)現(xiàn)，常見電流傳感器有霍爾效應(yīng)傳感器、CT、羅格夫斯基線圈等，其精度和線性度會(huì)對(duì)電能計(jì)量準(zhǔn)確性產(chǎn)生直接影響，高精度的傳感器能夠在更寬的電流范圍內(nèi)提供穩(wěn)定輸出。為了提高安全性，電壓傳感器通常需要進(jìn)行電氣隔離以防止過高電壓對(duì)計(jì)量系統(tǒng)的影響。AD轉(zhuǎn)換是從模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)變，在選擇轉(zhuǎn)換器時(shí)要注意AD轉(zhuǎn)換器采樣率要滿足奎斯特定理，避免混疊現(xiàn)象出現(xiàn)。

數(shù)據(jù)處理與校準(zhǔn)技術(shù)主要是應(yīng)用數(shù)字濾波器來去除采樣信號(hào)中的噪聲和干擾，再通過軟件算法對(duì)傳感器和AD轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)誤差進(jìn)行補(bǔ)償。并通過離散傅里葉變換或快速傅里葉變換來計(jì)算有功功率、無功功率和視在功率。校準(zhǔn)是通過標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)源對(duì)整個(gè)計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，以確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性。通信與接口技術(shù)主要是通信協(xié)議與用戶接口，充電樁需要支持多種通信協(xié)議才能便利充電網(wǎng)絡(luò)和用戶界面進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2 電動(dòng)汽車充電樁電動(dòng)計(jì)量存在問題

2.1 采樣精度低

影響采樣精度的主要因素有傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、A D轉(zhuǎn)換器性能、采樣頻率以及環(huán)境因素。傳感器可能本身存在一定的制造誤差，或輸入與輸出不成正比，溫度變化也會(huì)影響傳感器的輸出。信號(hào)調(diào)理電路則可能來源于放大器的增益誤差和偏置誤差，或?yàn)V波器的截止頻率選擇不當(dāng)，可能導(dǎo)致有用信號(hào)成分丟失或噪聲過濾不充分。AD轉(zhuǎn)換器有時(shí)存在離散化誤差，其線性度、非線性誤差也會(huì)影響采樣準(zhǔn)確性。采樣精度低首先會(huì)導(dǎo)致電能計(jì)量結(jié)果偏差大，影響充電樁的運(yùn)營商與用戶利益，其次會(huì)使得充電效率降低，長期的采樣精度低還可能會(huì)導(dǎo)致充電樁整體性能下降，增加運(yùn)營維護(hù)成本。

2.2 線損與漏電

電流通過非預(yù)期路徑流向地面或其他回路的現(xiàn)象為漏電，除了會(huì)導(dǎo)致電能浪費(fèi)外，還容易引起觸電、火災(zāi)等安全事故。線損可能由傳輸線路的電阻損耗造成，也可能是在高頻電流傳輸時(shí)，電流集中在導(dǎo)線表面導(dǎo)致有效截面積減少，電阻增加，產(chǎn)生集膚效應(yīng)造成。此外，接觸電阻和線路老化也會(huì)導(dǎo)致線損。漏電主要由外部原因造成。線損會(huì)造成部分電能無法被有效利用，增加能源消耗，還會(huì)導(dǎo)致額外的電費(fèi)支出，造成運(yùn)營經(jīng)濟(jì)損失，由線損而產(chǎn)生的熱量會(huì)導(dǎo)致充電設(shè)備過熱，影響設(shè)備使用壽命。漏電有可能引發(fā)觸電事故，對(duì)人身安全構(gòu)成威脅，持續(xù)的漏電會(huì)損壞充電樁內(nèi)部電路，縮短設(shè)備壽命。

2.3 環(huán)境適應(yīng)性差

電動(dòng)汽車的充電樁環(huán)境適應(yīng)性較差，在不同的環(huán)境條件下無法保持穩(wěn)定運(yùn)行和計(jì)量的準(zhǔn)確性。溫度是對(duì)其影響最大的因素之一，過高和過低溫度都會(huì)對(duì)電子元件的可靠性與壽命造成影響，溫度的快速波動(dòng)變化則會(huì)導(dǎo)致傳感器、電路板等部件性能的不穩(wěn)定性。過高濕度會(huì)導(dǎo)致絕緣材料受潮，降低絕緣性能從而引起漏電，溫度變化時(shí)可能會(huì)導(dǎo)致冷凝效應(yīng)，空中水蒸氣可能在設(shè)備內(nèi)部凝結(jié)，影響電路的正常運(yùn)行。細(xì)小顆粒帶來的空氣污染容易在設(shè)備內(nèi)部引起腐蝕短路，強(qiáng)電磁場和無線信號(hào)都會(huì)對(duì)充電樁的正常工作造成干擾，影響充電樁的數(shù)據(jù)傳輸。此外還有車輛行駛、風(fēng)力等引起的充電樁振動(dòng)問題，可能會(huì)影響內(nèi)部電子元件的穩(wěn)定性。

3 電動(dòng)汽車充電樁電能計(jì)量改進(jìn)措施

3.1 提高采樣精度

提高采樣精度確保電動(dòng)汽車充電樁電能計(jì)量的準(zhǔn)確性。由充電諧波造成污染、沖擊脈沖、直流分量影響導(dǎo)致的誤差可以通過完善采集負(fù)荷波形、分析負(fù)荷波形規(guī)律來解決。當(dāng)充電樁電能計(jì)量系統(tǒng)進(jìn)入工作狀態(tài)后，同步啟動(dòng)波形記錄儀，實(shí)時(shí)采集電流與電壓信息[1]。由于傳感器精度不足造成的問題，可以選用更高精度、低飄逸的傳感器，減少傳感器本身誤差。其次要優(yōu)化信號(hào)調(diào)理電路，設(shè)計(jì)穩(wěn)定性較高的信號(hào)調(diào)理電路，確保濾波器能夠有效去除噪聲，同時(shí)保留有用的信號(hào)成分。放大器要能夠準(zhǔn)確地放大信號(hào)，避免引入額外誤差。優(yōu)化電路布局和布線，以減少噪聲干擾。第三要根據(jù)信號(hào)特性來選擇合適的采樣頻率，保持采樣頻率的穩(wěn)定性。第四，對(duì)傳感器和AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行一定的溫度補(bǔ)償，以減少溫度變化對(duì)采樣精度的影響。最后要采取屏蔽、濾波等措施來減少電磁干擾對(duì)采樣信號(hào)的影響。提高采樣精度對(duì)充電樁的可靠運(yùn)行和用戶滿意度具有重要意義[2]。

3.2 降低線損漏電

一是要選擇低電阻、高導(dǎo)電率的傳輸材料，減少電阻損耗以提高傳輸效率，二是要確保線路連接點(diǎn)接觸良好，減少接觸電阻，需要定期對(duì)線路進(jìn)行維護(hù)和檢查，特別是連接點(diǎn)處。三是要加強(qiáng)絕緣措施，使用高質(zhì)量絕緣材料，提高線路絕緣性能減少漏電風(fēng)險(xiǎn)。此外需在充電樁中安裝漏電保護(hù)裝置，檢測到漏電后迅速切斷電源，防止事故發(fā)生，要使用專業(yè)儀器定期檢測線路的絕緣狀態(tài)和漏電情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理問題。

3.3 提高環(huán)境適應(yīng)性

根據(jù)設(shè)備投放環(huán)境選擇寬溫范圍的電子元件，以確保設(shè)備在極端溫度下的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，提高設(shè)備的防護(hù)等級(jí)，采用相應(yīng)密封設(shè)計(jì)，防止水汽和污染物進(jìn)入設(shè)備。在材料使用上盡量選擇耐高溫、抗腐蝕、防潮的材料，提高設(shè)備在惡劣環(huán)境下的適應(yīng)能力，增強(qiáng)其耐用性。使用具有良好絕緣性能的材料，減少濕度對(duì)設(shè)備的影響。應(yīng)加強(qiáng)對(duì)設(shè)備周邊環(huán)境的監(jiān)測與控制，在充電樁附近安裝環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，實(shí)時(shí)對(duì)溫度、濕度等環(huán)境參數(shù)進(jìn)行檢測，并結(jié)合人工智能使得其能夠采取措施進(jìn)行自我調(diào)節(jié)。使用屏蔽、濾波器等措施來減少電磁干擾[3]。在極個(gè)別極端環(huán)境情況下，也可以給充電樁安裝加熱或冷卻系統(tǒng)，保持設(shè)備內(nèi)部溫度處于正常運(yùn)行范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

綜上所述，本文通過對(duì)電動(dòng)汽車充電樁電能計(jì)量原理及關(guān)鍵技術(shù)的分析，指出了目前充電樁電能計(jì)量存在的問題，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。這些措施有助于提高電動(dòng)汽車充電樁電能計(jì)量的準(zhǔn)確性和可靠性，為電動(dòng)汽車的普及和發(fā)展提供有力支持。在今后的工作中，還需進(jìn)一步研究和優(yōu)化電能計(jì)量技術(shù)，以適應(yīng)不斷變化的市場需求。

作者簡介

鄧戎榮，本科，工程師，研究方向?yàn)橛?jì)量檢定。

（責(zé)任編輯：張瑞洋）