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設施在多個國家地區(qū)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(guī)亦在逐步發(fā)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(guī)對直流充電的細分功能、以及數(shù)據(jù)安全的要求日益加嚴，適用于充電樁的直流計費系統(tǒng)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(zhàn)，國內(nèi)外樁企用戶很難使用普通的直流電能表二次開發(fā)，再花費昂貴的認證費用，來獲得國際或地區(qū)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(yè)內(nèi)最嚴苛德國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量法規(guī)需求。
一、行業(yè)背景
2020年以來，繼全球爆發(fā)新冠肺炎疫情大流行，全球新能源車市經(jīng)歷了一個無比艱難的開局，但結局卻出乎意料。在排放法規(guī)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(fā)，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(jù)EV sales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(shù)量不斷增多，“里程焦慮“始終是圍繞動力電池續(xù)航能力的最大關注點。一方面，新材料的發(fā)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(fā)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(yè)痛點。根據(jù)國際電工委員會標準IEC 61851-23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(chǎn)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(yè)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(yōu)勢，通過與全球客戶伙伴、國際法規(guī)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。
l 滿足歐洲法規(guī)EN 50470-1，EN 50470-3
l 滿足德國法規(guī)PTB-A 20.1，PTB-A 50.7
l 滿足國際電工委員會法規(guī) IEC 62052-11
l 全溫度范圍精度Class B，-40℃～85℃
l 具備線損補償，可適配四線液冷充電槍
l 實時監(jiān)測電流、電壓、溫度、功率，電量
l 與上位機通訊采用HTTP/HTTPS網(wǎng)絡協(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認證的軟件讀取
具備上述設計亮點，DCBM目前已量產(chǎn)型號的最大規(guī)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(tǒng)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(wǎng)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(xiàn)整個充電過程的能量控制、安全監(jiān)測、以及滿足法規(guī)的電能計量。
圖2. 電動汽車直流充電場景
在上述環(huán)節(jié)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(qū)都制定了相應的電網(wǎng)法規(guī)或者計量要求，來確保計費準確性以及數(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)的計量要求，認證門檻更高，開發(fā)難度更大。客戶往往不會采用計量模塊的自研方案，而偏向?qū)ふ腋咝阅艿闹绷麟娔鼙?，直接滿足特定國家或地區(qū)的法規(guī)要求，來縮短整樁的項目周期和開發(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)。為應對德國Eichrecht法規(guī)對于線損補償?shù)染_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(shù)據(jù)包，充電樁內(nèi)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(jīng)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(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(guī)要求，從而助力電動汽車車主實現(xiàn)“售電”的商業(yè)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(nèi)靈活安裝，另一方面也避免大電流發(fā)熱以及磁場對計量的影響。
每一套智能電表DCBM由測量頭(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(tǒng)一。如圖3所示，兩款電表最大區(qū)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(huán)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(nèi)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(xiàn)場可以實現(xiàn)快速安裝。
圖4. 萊姆智能電表DCBM安裝示意
3.2連接線簡介
連接線有30厘米至3.5米等多種長度規(guī)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(guī)間距影響非常小。線纜內(nèi)部含屏蔽層，可加強智能電表的EMC性能。
同時，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(chǎn)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(xié)議，將100ms之內(nèi)“實時數(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，通過網(wǎng)線HTTP/HTTPS協(xié)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(huán)境溫度。除了向上位機通訊上報交易數(shù)據(jù)，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(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，本地時間等內(nèi)容，這些信息不受法規(guī)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(tài)。
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(nèi)容，這些信息受法規(guī)管控。即萊姆智能電表DCBM每一臺出廠經(jīng)過PTB認證后，這些區(qū)域的內(nèi)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(nèi)容。
同時為防止交易信息被外部惡意篡改，按照法規(guī)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。
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