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適用于直流充電樁的智能電表產品
  • 全球碳中和愿景下的新能源汽車行業爆發,隨之配套的充電基礎設施在多個國家地區范圍密集展開建設。其中新能源車的“里程焦慮”加速了市場端對直流快充技術的需求,相應針對直流計量部分的國際法規亦在逐步發展與完善。
  • 全球碳中和愿景下的新能源汽車行業爆發,隨之配套的充電基礎設施在多個國家地區范圍密集展開建設。其中新能源車的“里程焦慮”加速了市場端對直流快充技術的需求,相應針對直流計量部分的國際法規亦在逐步發展與完善。
      
      基于分流器及隔離技術,直流電能表是計量的首選方案。但隨著法規對直流充電的細分功能、以及數據安全的要求日益加嚴,適用于充電樁的直流計費系統不僅需要精確計量,還需滿足S.A.F.E.安全指令等。
      
      針對如此復雜的挑戰,國內外樁企用戶很難使用普通的直流電能表二次開發,再花費昂貴的認證費用,來獲得國際或地區間的準入條件。
      
      本文介紹了一款新型分體式設計,且通過目前業內最嚴苛德國Eichrecht法規的高精度直流電能表產品:萊姆智能電表DCBM系列,可滿足新一代直流充電樁的計量法規需求。
      
      一、行業背景
      
      2020年以來,繼全球爆發新冠肺炎疫情大流行,全球新能源車市經歷了一個無比艱難的開局,但結局卻出乎意料。在排放法規趨緊和補貼政策的雙重影響下,從2020年下半年開始,全球新能源市場徹底爆發,放量大漲,全年電動汽車銷量首次突破300萬輛。截至2021年,全球電動汽車銷量突破650萬輛。據EVsales預測,2022年全球電動汽車市場滲透率有望攀升。憑借超高增速,歐洲、中國,美國成為全球最大的新能源新車市場。
      
      隨著路面上的電動汽車數量不斷增多,“里程焦慮“始終是圍繞動力電池續航能力的最大關注點。一方面,新材料的發展為提高動力電池功率密度帶來希望。另一方面,廣泛建設充電基礎設施可以使”加電“如同”加油“一般便捷。
      
      其中,發展更大電流、更高電壓的直流快充技術,可以有效解決“里程焦慮”的行業痛點。根據國際電工委員會標準IEC61851-23定義的直流充電樁,圖1對比了不同功率的百公里充電時間。
      
      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品直流計量需求。
      
                           圖1.不同功率的百公里充電時間
      
      二、萊姆智能電表方案
      
      基于這樣的行業大背景,適應市場的迫切需求,萊姆憑借自身在電量測量和計量方面50年的技術優勢,通過與全球客戶伙伴、國際法規委員會,以及歐洲相關實驗室的密切合作,萊姆智能電表DCBM系列成功推向市場。
      
      ·滿足歐洲法規EN50470-1,EN50470-3
      
      ·滿足德國法規PTB-A20.1,PTB-A50.7
      
      ·滿足國際電工委員會法規IEC62052-11
      
      ·全溫度范圍精度ClassB,-40℃~85℃
      
      ·具備線損補償,可適配四線液冷充電槍
      
      ·實時監測電流、電壓、溫度、功率,電量
      
      ·與上位機通訊采用HTTP/HTTPS網絡協議
      
      ·交易數據包經加密提供OCMF格式,可適配符合S.A.F.E認證的軟件讀取
      
      具備上述設計亮點,DCBM目前已量產型號的最大規格可支持功率高達600kW的超級快充樁(堆),即滿足峰值充電電流600A、系統工作電壓1000V的應用。
      
      圖2是常見的電動汽車快充電站場景,其中的核心裝置直流充電樁可將配電網的三相交流電變換為直流電,并通過充電槍與電動汽車上的動力電池包相連。直流充電樁與動力電池包BMS通訊,實現整個充電過程的能量控制、安全監測、以及滿足法規的電能計量。
      
                   圖2.電動汽車直流充電場景
      
      在上述環節中不可或缺的直流充電計量,因為涉及對終端用戶即車主收取電費,各個國家及地區都制定了相應的電網法規或者計量要求,來確保計費準確性以及數據安全。
      
      因此相比于交流充電樁,直流充電樁在輸出側的計量要求,認證門檻更高,開發難度更大??蛻敉粫捎糜嬃磕K的自研方案,而偏向尋找高性能的直流電能表,直接滿足特定國家或地區的法規要求,來縮短整樁的項目周期和開發成本。
      
      萊姆智能電表可裝在直流充電樁靠近輸出槍側,或者充電終端內。為應對德國Eichrecht法規對于線損補償等精確計量的要求,我們建議為每一條充電回路配備單獨的智能電表。
      
      使用萊姆智能電表加密過的數據包,充電樁內控制器可以將交易信息,直接與運營商后臺、云端漫游服務器,或者手機APP服務商交互,從而完成一次“合法”的充電計費過程。
      
      同時,萊姆智能電表可工作于雙向計量場景。當電動汽車經由V2G樁或者V2L樁等設備,將高壓電池包存儲的直流電能對外轉換為交流電,或者發電上網,或者離網直接供電給交流負載,安裝智能電表DCBM的雙向樁體(或者終端)亦可以計算放電電量,同時滿足法規要求,從而助力電動汽車車主實現“售電”的商業模式。
      
      三、DCBM電表簡介
      
      與常見的中國國標電能表相比,萊姆智能電表DCBM采用了分體設計。一方面方便樁內靈活安裝,另一方面也避免大電流發熱以及磁場對計量的影響。
      
      每一套智能電表DCBM由測量頭(SensorUnit)、表頭(MeterUnit)和連接線(Cable)三部分組成。
      
      目前DCBM系列推出兩個版本,可測量的電流量程分別對應最大400A和600A。為方便充電樁客戶提升功率或者改造升級,400A電表和600A電表在結構上盡量保持統一。如圖3所示,兩款電表最大區別在測量頭尺寸,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測量頭簡介
      
      藍色塑膠蓋板下方是黑色的測量頭部分,其上集結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。測量頭可工作在-40℃~85℃的環境溫度,電流端子耐受的最高溫度可達110℃。測量頭支持導軌和螺絲兩種安裝方式,適配TH35-7.5、TH35-15標準平軌,或者利用四角開孔,可方便安裝在樁內合適的位置。
      
      接線方法如圖4示意,電流、電壓信號的接入都采用易于緊固的壓接端子,在現場可以實現快速安裝。
      
                                     圖4.萊姆智能電表DCBM安裝示意
      
      3.2連接線簡介
      
      連接線有30厘米至3.5米等多種長度規格,以適應不同的場合需求,式樣為兩端帶自鎖的專用線纜。連接線按照3500V設計絕緣耐壓,安裝在充電樁1000V直流母排附近,對周圍高壓元件的安規間距影響非常小。線纜內部含屏蔽層,可加強智能電表的EMC性能。
      
      同時,為滿足法規要求的數據加密傳輸,物理層面上客戶只允許使用原廠配套的連接線,并且需要測量頭和表頭一一配對。
      
      每一套出廠的智能電表,測量頭和表頭上印有相同的產品編碼。智能電表在每一次交易前,會檢查測量頭和電表是否匹配。如果通過表頭顯示屏或者樁體上位機,看到連接錯誤的提示,往往需要客戶檢查連接線是否松脫,或者測量頭和表頭是否錯配。
      
      測量頭以1kHz速度采樣實時電流、電壓、溫度,計算得到的功率累積存于寄存器。每隔100ms,測量頭通過連接線,使用基于CAN通訊的萊姆自有協議,將100ms之內“實時數據”的平均值傳到表頭。表頭再處理生成滿足法規要求的交易信息數據包,通過網線HTTP/HTTPS協議,每秒上報一次給到樁體上位機。
      
      3.3表頭簡介
      
      智能電表DCBM的表頭由12V~48V直流供電,可工作在-25℃~70℃的環境溫度。除了向上位機通訊上報交易數據,用戶還可以通過表頭顯示屏旁邊的按鍵,翻頁查看交易之外的部分信息。按照法規的要求,顯示還區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、電表IP地址、本地日期,本地時間等內容,這些信息不受法規管控。用戶可以通過上位機設定電表,或者由電表顯示自身的工作狀態。
      
      圖5中綠色箭頭指示的字段,即白底黑字部分,顯示如實時電量、電表S/N、固件版本號等內容,這些信息受法規管控。即萊姆智能電表DCBM每一臺出廠經過PTB認證后,這些區域的內容都會做報備。用戶不能修改這些信息,只能通過上位機獲取電表上報的內容。
      
      同時為防止交易信息被外部惡意篡改,按照法規要求,我們對電表的固件也不提供遠程升級服務。
      
      四、結束語
      
      萊姆智能電表DCBM,通過精巧的硬件和軟件設計,在新一代直流充電樁場景中,為高精度直流計量提供了可靠的解決方案。
      
      編輯:Harris

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