摘要
全球碳中和愿景下的新能源汽車行業(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)范圍密集展開建設(shè)。其中新能源車的“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，全球新能源車市經(jīng)歷了一個(gè)無(wú)比艱難的開局，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)汽車銷量首次突破300萬(wàn)輛。截至2021年，全球電動(dòng)汽車銷量突破650萬(wàn)輛。據(jù)EV sales預(yù)測(cè)，2022年全球電動(dòng)汽車市場(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市場(chǎng)。
隨著路面上的電動(dòng)汽車數(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)證門檻更高，開發(fā)難度更大?？蛻敉粫?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)汽車車主實(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)周圍高壓元件的安規(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。
評(píng)論