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適用于直流充電樁的智能電表產(chǎn)品

中國(guó)電力網(wǎng)發(fā)布時(shí)間:2022-04-01 13:57:14  作者:樓晗芬

  摘要

  全球碳中和愿景下的新能源汽車(chē)行業(yè)爆發(fā),隨之配套的充電基礎(chǔ)設(shè)施在多個(gè)國(guó)家地區(qū)范圍密集展開(kāi)建設(shè)。其中新能源車(chē)的“里程焦慮”加速了市場(chǎng)端對(duì)直流快充技術(shù)的需求,相應(yīng)針對(duì)直流計(jì)量部分的國(guó)際法規(guī)亦在逐步發(fā)展與完善。

  基于分流器及隔離技術(shù),直流電能表是計(jì)量的首選方案。但隨著法規(guī)對(duì)直流充電的細(xì)分功能、以及數(shù)據(jù)安全的要求日益加嚴(yán),適用于充電樁的直流計(jì)費(fèi)系統(tǒng)不僅需要精確計(jì)量,還需滿足S.A.F.E.安全指令等。

  針對(duì)如此復(fù)雜的挑戰(zhàn),國(guó)內(nèi)外樁企用戶很難使用普通的直流電能表二次開(kāi)發(fā),再花費(fèi)昂貴的認(rèn)證費(fèi)用,來(lái)獲得國(guó)際或地區(qū)間的準(zhǔn)入條件。

  本文介紹了一款新型分體式設(shè)計(jì),且通過(guò)目前業(yè)內(nèi)最嚴(yán)苛德國(guó)Eichrecht法規(guī)的高精度直流電能表產(chǎn)品:萊姆智能電表DCBM系列,可滿足新一代直流充電樁的計(jì)量法規(guī)需求。

  一、行業(yè)背景

  2020年以來(lái),繼全球爆發(fā)新冠肺炎疫情大流行,全球新能源車(chē)市經(jīng)歷了一個(gè)無(wú)比艱難的開(kāi)局,但結(jié)局卻出乎意料。在排放法規(guī)趨緊和補(bǔ)貼政策的雙重影響下,從2020年下半年開(kāi)始,全球新能源市場(chǎng)徹底爆發(fā),放量大漲,全年電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量首次突破300萬(wàn)輛。截至2021年,全球電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量突破650萬(wàn)輛。據(jù)EV sales預(yù)測(cè),2022年全球電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)滲透率有望攀升。憑借超高增速,歐洲、中國(guó),美國(guó)成為全球最大的新能源新車(chē)市場(chǎng)。

  隨著路面上的電動(dòng)汽車(chē)數(shù)量不斷增多,“里程焦慮“始終是圍繞動(dòng)力電池續(xù)航能力的最大關(guān)注點(diǎn)。一方面,新材料的發(fā)展為提高動(dòng)力電池功率密度帶來(lái)希望。另一方面,廣泛建設(shè)充電基礎(chǔ)設(shè)施可以使”加電“如同”加油“一般便捷。

  其中,發(fā)展更大電流、更高電壓的直流快充技術(shù),可以有效解決“里程焦慮”的行業(yè)痛點(diǎn)。根據(jù)國(guó)際電工委員會(huì)標(biāo)準(zhǔn)IEC 61851-23定義的直流充電樁,圖1對(duì)比了不同功率的百公里充電時(shí)間。

  從壁掛或立柱式樣的25kW小功率直流樁,到一體或分立式的350kW超級(jí)快充站(堆),萊姆推出的智能電表DCBM系列可滿足全功率段充電樁產(chǎn)品直流計(jì)量需求。


圖1. 不同功率的百公里充電時(shí)間

  二、萊姆智能電表方案

  基于這樣的行業(yè)大背景,適應(yīng)市場(chǎng)的迫切需求,萊姆憑借自身在電量測(cè)量和計(jì)量方面50年的技術(shù)優(yōu)勢(shì),通過(guò)與全球客戶伙伴、國(guó)際法規(guī)委員會(huì),以及歐洲相關(guān)實(shí)驗(yàn)室的密切合作,萊姆智能電表DCBM系列成功推向市場(chǎng)。

  l 滿足歐洲法規(guī)EN 50470-1,EN 50470-3

  l 滿足德國(guó)法規(guī)PTB-A 20.1,PTB-A 50.7

  l 滿足國(guó)際電工委員會(huì)法規(guī) IEC 62052-11

  l 全溫度范圍精度Class B,-40℃~85℃

  l 具備線損補(bǔ)償,可適配四線液冷充電槍

  l 實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電流、電壓、溫度、功率,電量

  l 與上位機(jī)通訊采用HTTP/HTTPS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議

  l 交易數(shù)據(jù)包經(jīng)加密提供OCMF格式,可適配符合S.A.F.E認(rèn)證的軟件讀取

  具備上述設(shè)計(jì)亮點(diǎn),DCBM目前已量產(chǎn)型號(hào)的最大規(guī)格可支持功率高達(dá)600kW的超級(jí)快充樁(堆),即滿足峰值充電電流600A、系統(tǒng)工作電壓1000V的應(yīng)用。

  圖2是常見(jiàn)的電動(dòng)汽車(chē)快充電站場(chǎng)景,其中的核心裝置直流充電樁可將配電網(wǎng)的三相交流電變換為直流電,并通過(guò)充電槍與電動(dòng)汽車(chē)上的動(dòng)力電池包相連。直流充電樁與動(dòng)力電池包BMS通訊,實(shí)現(xiàn)整個(gè)充電過(guò)程的能量控制、安全監(jiān)測(cè)、以及滿足法規(guī)的電能計(jì)量。


圖2. 電動(dòng)汽車(chē)直流充電場(chǎng)景

  在上述環(huán)節(jié)中不可或缺的直流充電計(jì)量,因?yàn)樯婕皩?duì)終端用戶即車(chē)主收取電費(fèi),各個(gè)國(guó)家及地區(qū)都制定了相應(yīng)的電網(wǎng)法規(guī)或者計(jì)量要求,來(lái)確保計(jì)費(fèi)準(zhǔn)確性以及數(shù)據(jù)安全。

  因此相比于交流充電樁,直流充電樁在輸出側(cè)的計(jì)量要求,認(rèn)證門(mén)檻更高,開(kāi)發(fā)難度更大。客戶往往不會(huì)采用計(jì)量模塊的自研方案,而偏向?qū)ふ腋咝阅艿闹绷麟娔鼙?,直接滿足特定國(guó)家或地區(qū)的法規(guī)要求,來(lái)縮短整樁的項(xiàng)目周期和開(kāi)發(fā)成本。

  萊姆智能電表可裝在直流充電樁靠近輸出槍側(cè),或者充電終端內(nèi)。為應(yīng)對(duì)德國(guó)Eichrecht法規(guī)對(duì)于線損補(bǔ)償?shù)染_計(jì)量的要求,我們建議為每一條充電回路配備單獨(dú)的智能電表。

  使用萊姆智能電表加密過(guò)的數(shù)據(jù)包,充電樁內(nèi)控制器可以將交易信息,直接與運(yùn)營(yíng)商后臺(tái)、云端漫游服務(wù)器,或者手機(jī)APP服務(wù)商交互,從而完成一次“合法”的充電計(jì)費(fèi)過(guò)程。

  同時(shí),萊姆智能電表可工作于雙向計(jì)量場(chǎng)景。當(dāng)電動(dòng)汽車(chē)經(jīng)由V2G樁或者V2L樁等設(shè)備,將高壓電池包存儲(chǔ)的直流電能對(duì)外轉(zhuǎn)換為交流電,或者發(fā)電上網(wǎng),或者離網(wǎng)直接供電給交流負(fù)載,安裝智能電表DCBM的雙向樁體(或者終端)亦可以計(jì)算放電電量,同時(shí)滿足法規(guī)要求,從而助力電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主實(shí)現(xiàn)“售電”的商業(yè)模式。

  三、DCBM電表簡(jiǎn)介

  與常見(jiàn)的中國(guó)國(guó)標(biāo)電能表相比,萊姆智能電表DCBM采用了分體設(shè)計(jì)。一方面方便樁內(nèi)靈活安裝,另一方面也避免大電流發(fā)熱以及磁場(chǎng)對(duì)計(jì)量的影響。

  每一套智能電表DCBM由測(cè)量頭(Sensor Unit)、表頭(Meter Unit)和連接線(Cable)三部分組成。

  目前DCBM系列推出兩個(gè)版本,可測(cè)量的電流量程分別對(duì)應(yīng)最大400A和600A。為方便充電樁客戶提升功率或者改造升級(jí),400A電表和600A電表在結(jié)構(gòu)上盡量保持統(tǒng)一。如圖3所示,兩款電表最大區(qū)別在測(cè)量頭尺寸,帶顯示屏的表頭部分尺寸相同。


圖3. 萊姆智能電表DCBM外觀

  3.1測(cè)量頭簡(jiǎn)介

  藍(lán)色塑膠蓋板下方是黑色的測(cè)量頭部分,其上集結(jié)了高精度分流器用于電流采樣,以及隔離電路用于電壓采樣。測(cè)量頭可工作在-40℃~85℃的環(huán)境溫度,電流端子耐受的最高溫度可達(dá)110℃。測(cè)量頭支持導(dǎo)軌和螺絲兩種安裝方式,適配TH35-7.5、TH35-15標(biāo)準(zhǔn)平軌,或者利用四角開(kāi)孔,可方便安裝在樁內(nèi)合適的位置。

  接線方法如圖4示意,電流、電壓信號(hào)的接入都采用易于緊固的壓接端子,在現(xiàn)場(chǎng)可以實(shí)現(xiàn)快速安裝。


圖4. 萊姆智能電表DCBM安裝示意

  3.2連接線簡(jiǎn)介

  連接線有30厘米至3.5米等多種長(zhǎng)度規(guī)格,以適應(yīng)不同的場(chǎng)合需求,式樣為兩端帶自鎖的專用線纜。連接線按照3500V設(shè)計(jì)絕緣耐壓,安裝在充電樁1000V直流母排附近,對(duì)周?chē)邏涸陌惨?guī)間距影響非常小。線纜內(nèi)部含屏蔽層,可加強(qiáng)智能電表的EMC性能。

  同時(shí),為滿足法規(guī)要求的數(shù)據(jù)加密傳輸,物理層面上客戶只允許使用原廠配套的連接線,并且需要測(cè)量頭和表頭一一配對(duì)。

  每一套出廠的智能電表,測(cè)量頭和表頭上印有相同的產(chǎn)品編碼。智能電表在每一次交易前,會(huì)檢查測(cè)量頭和電表是否匹配。如果通過(guò)表頭顯示屏或者樁體上位機(jī),看到連接錯(cuò)誤的提示,往往需要客戶檢查連接線是否松脫,或者測(cè)量頭和表頭是否錯(cuò)配。

  測(cè)量頭以1kHz速度采樣實(shí)時(shí)電流、電壓、溫度,計(jì)算得到的功率累積存于寄存器。每隔100ms,測(cè)量頭通過(guò)連接線,使用基于CAN通訊的萊姆自有協(xié)議,將100ms之內(nèi)“實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)”的平均值傳到表頭。表頭再處理生成滿足法規(guī)要求的交易信息數(shù)據(jù)包,通過(guò)網(wǎng)線HTTP/HTTPS協(xié)議,每秒上報(bào)一次給到樁體上位機(jī)。

  3.3表頭簡(jiǎn)介

  智能電表DCBM的表頭由12V~48V直流供電,可工作在-25℃~70℃的環(huán)境溫度。除了向上位機(jī)通訊上報(bào)交易數(shù)據(jù),用戶還可以通過(guò)表頭顯示屏旁邊的按鍵,翻頁(yè)查看交易之外的部分信息。按照法規(guī)的要求,顯示還區(qū)分了是否為受控信息。


圖5. 萊姆智能電表DCBM表頭顯示屏

  如圖5示例,紅色箭頭指示的字段,即黑底白字部分,顯示如連接線狀態(tài)、電表IP地址、本地日期,本地時(shí)間等內(nèi)容,這些信息不受法規(guī)管控。用戶可以通過(guò)上位機(jī)設(shè)定電表,或者由電表顯示自身的工作狀態(tài)。

  圖5中綠色箭頭指示的字段,即白底黑字部分,顯示如實(shí)時(shí)電量、電表S/N、固件版本號(hào)等內(nèi)容,這些信息受法規(guī)管控。即萊姆智能電表DCBM每一臺(tái)出廠經(jīng)過(guò)PTB認(rèn)證后,這些區(qū)域的內(nèi)容都會(huì)做報(bào)備。用戶不能修改這些信息,只能通過(guò)上位機(jī)獲取電表上報(bào)的內(nèi)容。

  同時(shí)為防止交易信息被外部惡意篡改,按照法規(guī)要求,我們對(duì)電表的固件也不提供遠(yuǎn)程升級(jí)服務(wù)。

  四、結(jié)束語(yǔ)

  萊姆智能電表DCBM,通過(guò)精巧的硬件和軟件設(shè)計(jì),在新一代直流充電樁場(chǎng)景中,為高精度直流計(jì)量提供了可靠的解決方案。

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