直流充电桩功率大充电快, 因而是未来充电桩发展的大趋势。目前充电站一般在总进线回路配置电能质量分析仪, 对整个充电桩供电回路电能质量进行监测。电能质量监测仪单价很高, 因此只适合于充电站用, 而不适合分布的孤桩, 这就使得充电桩的功能受到限制。本文通过独创性地在直流充电桩中增加监测单元模块, 构建了充电桩计量、监测和充电管理一体化系统。该方法不需外接价格昂贵的电能质量分析仪, 只需200元左右就能实现电网和充电桩状态监测, 因而尤其适合于分布式充电桩。
一、直流充电桩系统硬件构成
现有直流充电桩的组成原理一般为:电网三相交流电经输入断路器后输入整流模块, 经整流模块整流后的直流电输入直流接触器, 直流接触器的输出经断路器后输入充电枪, 如果是双枪充电则分别经两路断路器后分别输入充电枪A和充电枪B。三相电表对输入的电网三相交流电进行用电计量, 并将计量结果送入计量和管理单元。直流电表对输出的直流电进行用电计量, 并将计量结果送入计量和管理单元。三相电表和直流电表的功能为用电计量。
本文所述的直流充电桩采用深圳市锐能微科技有限公司的三相计量芯片RN7302, 该芯片可通过内部设置进行三相交流电或直流电进行计量。该芯片同时提供7路ADC瞬时采样数据, 典型应用下采样率为8KHz, 以便于进行谐波分析。该芯片同时提供灵活地ADC同步采样数据缓存768×24bit, 64或128点每周波, 便于谐波分析。该芯片同时提供谐波、三相不平衡度、闪变和电压波动、电压骤升骤降、电压中断等电能质量参数软件库。上述功能为电能质量监测提供了可能。本文利用上述功能, 并在直流充电桩管理单元中增加电能质量监测功能。图1为本文直流充电桩系统的组成原理框图。
充电回路采用三相供电。由于此类充电桩消耗功率大, 故一般在其三相交流回路配置电能表用于计量总电能, 配合直流电能表对整个充电桩的运行效率进行监控。充电管理控制单元负责外部人机接口、充电控制、读取电能表数据、控制直流充电输出断路器的分合闸等。
充电管理单元完成外部人机接口、充电控制、控制直流充电输出断路器的分合闸、读取交直流电能表的数据、为用户提供充电导航、状态查询、充电预约、费用结算服务等功能。
三相智能电表负责计量三相进线总电能, 并将采集的电网输入侧交流电压和交流电流送至监测单元DSP。直流智能电表负责计量直流输出电能, 并将采集的输出侧直流电压和直流电流送至监测单元DSP。监测单元DSP负责读取三相智能电表交流电压电流采集数据进行谐波、间谐波分析, 并调用其三相不平衡度、闪变和电压波动、电压骤升骤降、电压中断等电能质量参数软件库进行电能质量分析。监测单元DSP读取直流智能电表直流电压电流采集数据进行电压电流精度及纹波分析, 监测充电机是否存在故障或隐性故障, 降低充电桩对电池的损害。
二、计量监测和管理系统硬件实现方案
直流充电桩计量监测和管理系统硬件主要由管理单元、计量单元和监测单元配合其它模块单元组成。图2为直流充电桩计量监测和管理系统及其它功能模块组成框图。
直流充电桩管理单元采用飞凌FET335x嵌入式核心模块[1], 该嵌入式模块可方便地外接IC卡、蓝牙设备、北斗定位模块、热敏打印机、交直流电表、语音设备、SD卡。直流充电桩计量单元由三相电表和直流电表组成, 计量单元的MCU芯片采用日本RENESAS公司的R5F364AEDFA, 计量单元的计量芯片采用锐能微科技有限公司的三相计量芯片RN7302。监测单元的主处理芯片采用TI公司的高速浮点DSP芯片TMS320C6748。计量芯片将采样数据通过SPI通信接口送DSP进行谐波和间谐波分析。TMS320C6748提供了MMC/SD存储接口, 可将采集的电压电流数据进行大规模存储, 以供必要时进行后台分析。
三、电能质量监测功能实现
RN7302提供两种波形采样模式[2]:固定采样率模式和同步采样模式。但同步采样模式下采样率会随电网频率变化而变化, 给后续谐波分析算法实现带来困难, 因此本文选择固定采样率模式, 波形采样率为6.4KHz, 即每周波采样128点数据。
根据奈奎斯特采样定理, 可进行谐波分析的信号最高频率为3.2KHz, 即3200/50=64次。
间谐波是位于两个相邻谐波频率之间的谐波。波形采样率为6.4KHz, 若要实现频率分辨率为Δf=5Hz的间谐波分析, 所需采样数据为1280。由于FFT运算的数据为2的幂次方, 因此为了提高高频谐波和间谐波分析的性能, 还要考虑算法的实时性, 采样数据选为2048点, 即2048/128=16个周波。此时频率分辨率为6400/2048=3.125Hz。因此, 采用本文所述的直流充电桩计量监测和管理系统硬件方案, 理论上可实现最高达64次的高频谐波和分辨率为3.125Hz的间谐波检测。
四、结束语
本文通过在直流充电桩的管理系统中增加电能质量监测单元模块, 构建了充电桩计量、监测和充电管理一体化系统。该方法不需外接价格昂贵的电能质量分析仪, 在完成正常的计量和管理功能的同时, 只需极低的价格就能实现电网和充电桩状态监测, 使充电桩的功能得到进一步扩展。
摘要：直流充电桩功率大充电快, 因而是未来充电桩发展的趋势。本文通过在直流充电桩的管理系统中增加电能质量监测单元模块, 构建了充电桩计量、监测和充电管理一体化系统。该方法不需外接价格昂贵的电能质量分析仪, 在完成正常的计量和管理功能的同时, 只需极低的价格就能实现电网和充电桩状态监测, 使充电桩能够作为一个电能质量监测点, 因而尤其适合于分布式充电桩。
关键词：直流充电桩,电能计量,电能质量监测,一体化设计
参考文献
[1] 飞凌嵌入式技术有限公司.飞凌嵌入式充电桩解决方案, 2016.1.
[2] 深圳市锐能微科技有限公司.RN7302用户手册V1.4, 2014.09.