功率分析儀LMG600系列在電動汽車充電站測試中的應用功率分析儀LMG600系列
在電動汽車充電站測試中的應用
以自動化、精確的、可靠的能量測量，為型式試驗驗證鋪平道路
電動汽車數量的不斷增加，也驅使著相應的配套基礎設施數量不斷增長。歐盟綠色協議的目標是，在
2025
年前達到
100
萬個充電點。這些充電樁必須按照歐洲議會關於發展替代能源基礎設施的指令
-2014/94/EU
中的嚴格要求進行計費，其中包括
“Eichrecht”
。這個指令要求充電樁的能量測量要足夠精確，尤其是整合在裡面的電能表。為了確保成品符合政府
/
歐盟的要求，建議在產品的研發環節，以合適的方式來驗證產品效能指標的符合性，以便為後續強制性型式試驗驗證做準備。
圖
1
表示的是電網
-
充電樁
-
電動汽車之間的連線，和在充電過程中的能量流向。
LMG600
系列功率分析儀
，這樣的精確測量能量的儀器，可以被充電樁製造商和第三方檢測機構集成於他們的符合性測試平臺中。它可以作為型式試驗驗證的可溯源標準，也是驗證充電功能是否正常的首選工具，在一旦出現疑問的時候。
Figure 1： EV charging station
測量設定
充電樁通常配備有一個或多個充電插頭，型別諸如
type
2，
CCS，
CHAdeMO或其它，來提供交流或直流充電。
整合其中的電能表測量每個插頭在整個充電過程中的電能消耗，並將測量值傳輸給後臺用於計費。
典型的示意圖如圖
2所示。
Figure 2： EV charging station energy meter structure
充電樁的型式試驗驗證，透過比較整個充電過程中每個充電口對應的電能表數值與參考器具數值，來驗證充電樁的電能測量精度。參考器具可以是
LMG671
這樣的功率分析儀，在測試時，它被連線在電能表和電動汽車之間。
圖
3
展示了用
LMG671功率分析儀
作為參考儀器的測量設定。
Figure 3： Measuring setup with LMG671 and PCT current sensor
電壓和電流訊號可以透過接線盒來輸入到功率分析儀，這樣的優點是接線方便。可能產生的電壓降非常下，可以忽略不計。對於交流型別
2（AC Type2）充電插頭，電流要求不能超過32A，所以可以直接接入功率分析儀。對於電流高達幾百安培的快速DC充電，則需要搭配高精度的電流感測器來進行測量，PCT系列的電流感測器基於磁通門技術，精度表現突出。
另外，電能表的脈衝輸出可以接入
功率分析儀
LMG671
的過程訊號介面（
PSI）中的開關量輸入埠，這使得功率分析儀可以獲取整個充電過程中電能表測得的電能量數值。型式試驗驗證規程指定了測量需要覆蓋的最小數值跳躍的最底數量，這對應脈衝的最小數量。這個數值依被測物和測量點的選擇而定。充電功率越高，規定的最小脈衝數越高。要不然，觀測的時間視窗太短，內部時鐘的誤差會對測量精度產生負面影響。
全部的能量測量包括充電樁輸出能量的爬升階段和下降階段，如
圖
4
所示。
Figure 4： Energy meter pulses captured and energy measured by the LMG600 power analyzer
LMG671的開關量輸入埠的取樣率是150 kHz，這可以確保電能表輸出的脈衝訊號被可靠抓取並準確計數。不同的充電功率水平，電能表每千瓦時/kWh對應的脈衝數不同，而LMG671最快的測量週期（資料重新整理時間）是10ms（或20ms對於50Hz訊號），這使得功率分析儀幾乎可以逐個逐個地進行脈衝計數。這一點對於能量積分週期內，準確獲取脈衝數而言是至關重要的。
LMG600
系列功率分析儀提供高精度的交流和直流功率和能量測量，並提供全方位的功能，對充電樁進行符合性測試。根據
EN 50470-3
和
IEC 61851-23
相關標準，在型式檢驗試驗中規定的所有所需訊號都將被測量和處理。過程訊號介面可以直接並同時捕獲安裝在充電樁內的多個數字電能表的脈衝輸出，以確定其測量的能量。快速且功能強大的千兆乙太網介面確保LMG可靠地整合到測試平臺中，進行資料交換和資料後處理。
ZES ZIMMER
提供了一個通用的
python
指令碼用於符合性驗證，也可以提供額外的軟體工程支援來實現特定的測試平臺需求。
1
電流必須在任何時候都不能明顯超過
32A。其它情況下，建議使用電流感測器搭配測量，推薦PCT200。
2
在特定地應用中
（電能表的計量） ，可以將LMG671的測量週期（資料重新整理時間）與電能表的脈衝進行同步，來使得功率分析儀和電能表的能量積分時間視窗高度一致。詳細情況可閱讀我們的另一篇應用文章“用LMG600進行數字直流電能表的計量”。
測試平臺繼整合和測量結果評估
為了將
LMG600
功率分析儀完全整合到遠端控制的試驗檯環境中，
ZES ZIMMER
可根據要求提供涵蓋所述自動化驗證程式的通用指令碼。它提供了一個現成的、文件齊全的
python
，包括控制介面的閉合和開路、資料的寫入、讀取等等。我們可以根據使用者的特定設定和測試過程提供定製的軟體工程支援，包括對結果的後續評估，匯出為所需的任何通用格式
（CSV
匯出已經實現
）
。以下自動化功能可以實現
：
資料交換：從
LMG600
傳輸所有相關讀數和脈衝計數到測試平臺主軟體。
評價：在整個充電過程中，功率分析儀測量的能量與充電樁電能表測量的能量進行比較和評估。
測量不確定度計算：對於每個測量週期，包括最後一個測量週期，可以計算測量不確定度，以進行最終和相關的偏差評估。
匯出結果：將測量和評價結果匯出為通用格式。
Figure 5： Example of python script with export of measurement data and evaluation results
高精度功率測試儀LMG600
的快速千兆乙太網介面，確保了L
MG
與測試平臺上位機之間可靠地和快速的資料交換和資料後處理。
ZES ZIMMER
提供了一個通用的
python
指令碼進行符合性驗證，也可以提供額外的軟體工程支援來實現使用者特定的測試平臺整合需求。
測量不確定度
所使用的功率分析儀和電流感測器的組合精度必須很高，否則兩者引入的誤差將主導充電樁能量計量的整體測量偏差。最終整個測量裝置的總偏差計算公式為
：
Deviation = Deviation + Measuring uncertainty
overall
energy
meter
power analyzer + current
sensor
這種測量不確定度的考慮甚至可以在充電過程中，基於每個測量點和測量週期進行計算。雖然現在的功率分析儀提供了輔助的量程選擇
（Auto Range）
，但這種輔助自動化並不總是有益的。在快速且連續變化的測量點上，例如圖
4
所示的上升和下降階段，
Auto range
會導致頻繁的量程檔位切換，由於量程檔位切換需要時間，而切換過程中測量到的數值是不能保證準確性的，所以將出現測量間隙。相應地，一些測量週期無法完成，資料不得不丟棄。在實際中避免該情況的有效措施是使用手動量程（
Manual
Range
）並選擇一個固定量程檔位，該檔位的測量範圍上限，可以覆蓋測試中可能出現的最大值。
這樣可以避免量程檔位的頻繁切換，進而避免了測量間隙的產生。然而，對於充電樁輸出功率開始爬升的那些測量點，或者在輸出功率下降期的末端測量點，其測量結果的相對誤差就高於穩態輸出期間的誤差。功率分析儀的測量誤差通常表示為以下形式：
power error tolerance = ± （% of power reading + % of power range）
在測量週期內確定測量不確定度時必須考慮到這一點，這同樣也適用於功率輸出下降期。所以下面的引數需要在整個充電過程持續時間內得到最佳化：
爬升坡度：
爬升和下降的坡度越陡峭，他們的持續時間在整個充電週期中的佔比就越低。
測量持續時間：
電能表脈衝數的最小數值越高，穩態階段的比重越大，相比於爬升和下降階段。
標準
IEC 61851-23
對電動汽車直流充電樁提出了規定要求，
包括一些對於爬升坡度最小值的規定，為了讓爬升階段的時間儘可能地短，進而其在整個充電過程測量持續時間內所佔地比重，保持在一個合理地數值範圍內。
LMG600
系列功率分析儀可配備
A功率模組，給使用者提供高精度的直流測量。該裝置將提供可溯源到
PTB（
國家計量研究所
）
的校準證書，或根據使用者要求，提供
DAkkS
認證的校準證書。
功率分析儀LMG600系列在電動汽車充電站測試中的應用
頻寬
:
DC，
0。05
Hz
…
10
MHz
DC
功率精度
(
最優
):
±
（0。032
%
*
讀數
+
0。06
%
*
量程
）
AC
功率精度
(45
Hz…65
Hz):
± （0。015
%
*
讀數
+ 0。01
%
*
量程
）
時間精度
:
± 50
ppm
電壓輸入
:
300
mV –
1000
Vrms
直接輸入
（
可用高壓分壓器來擴充套件量程
-
HST
）
電流輸入
:
500
A
–
32
Arms
直接輸入
（
可用電流感測器來擴充套件量程
-
P
CT
）
在計算能量測量的潛在誤差時，重要的是要了解儀器如何計算功率和能量，即測量在哪裡確切地開始和結束，哪些取樣值被包含在測量值中，哪些不包含。只有這樣才有可能判斷功率分析儀讀數背後的值是否與電能表脈衝計數的評估間隔足夠匹配。不是所有的製造商對這類資訊都是透明的，即使他們是透明的，他們可能不會提供方法來確保功率分析儀和電能表是在完全相同的時間段進行能量值比對。上面提到的通用
Python
指令碼正是這樣做的，並確保
ZES ZIMMER
的高精度功率測試儀
LMG600
測量和評估具有最大的可實現精度。
為了擴充套件
L
MG600
的電流量程，
P
CT
系列電流感測器（如圖
6）可以提供極高精度並可做到即插即用，如型號的自動識別和變比的自動設定，並且有功率分析儀進行直接供電，非常的方便快捷。P
CT
系列感測器
D
C
精度最高可到
± 0。0035 %
，如此小的誤差在
高精度功率測試儀
L
MG600
內引起的額外電流誤差將是極低的。即插即用的
PCT
感測器可提供豐富的量程，
2
00A
（
D
C3000A
）
~2000A
（
D
C3000A
）或更高
極高的直流精度
PCT
磁通門感測器
: ± 0.0035 %
Figure 6： PCT sensor
P
CT
系列電流感測器
參考系統的每個組成部分(LMG600功率分析儀+ A模組+ PCT磁通門感測器)的高精度為電動汽車充電樁能量計量的測試和認證提供了堅實的基礎。透過對LMG600的精細控制，在適用標準的有效框架內，減少或完全避免了對測量不確定度的系統性和原理性影響。對於測試平臺整合和型式試驗認證稽核程式的具體問題，ZES ZIMMER應用專家可提供他們的專業知識支援您。
