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莱姆电子适用于直流充电桩的智能电表产品

莱姆电子适用于直流充电桩的智能电表产品

2022/3/31 16:15:11

摘要

全球碳中和愿景下的新能源汽车行业爆发,随之配套的充电基础设施在多个国家地区范围密集展开建设。其中新能源车的“里程焦虑”加速了市场端对直流快充技术的需求,相应针对直流计量部分的国际法规亦在逐步发展与完善。

基于分流器及隔离技术,直流电能表是计量的首选方案。但随着法规对直流充电的细分功能、以及的要求日益加严,适用于充电桩的直流计费系统不仅需要精确计量,还需满足S.A.F.E.安全指令等。

针对如此复杂的挑战,国内外桩企用户很难使用普通的直流电能表二次开发,再花费昂贵的认证费用,来获得国际或地区间的准入条件。

本文介绍了一款新型分体式设计,且通过目前业内最严苛德国Eichrecht法规的高精度直流电能表产品:莱姆智能电表DCBM系列,可满足新一代直流充电桩的计量法规需求。

一、行业背景

2020年以来,继全球爆发新冠肺炎疫情大流行,全球新能源车市经历了一个无比艰难的开局,但结局却出乎意料。在排放法规趋紧和补贴政策的双重影响下,从2020年下半年开始,全球新能源市场彻底爆发,放量大涨,全年电动汽车销量首次突破300万辆。截至2021年,全球电动汽车销量突破650万辆。据EV sales预测,2022年全球电动汽车市场渗透率有望攀升。凭借超高增速,欧洲、中国,美国成为全球最大的新能源新车市场。

随着路面上的电动汽车数量不断增多,“里程焦虑“始终是围绕动力电池续航能力的最大关注点。一方面,新材料的发展为提高动力电池功率密度带来希望。另一方面,广泛建设充电基础设施可以使”加电“如同”加油“一般便捷。

其中,发展更大电流、更高电压的直流快充技术,可以有效解决“里程焦虑”的行业痛点。根据国际电工委员会标准IEC 61851-23定义的直流充电桩,图1对比了不同功率的百公里充电时间。

从壁挂或立柱式样的25kW小功率直流桩,到一体或分立式的350kW超级快充站(堆),莱姆推出的智能电表DCBM系列可满足全功率段充电桩产品直流计量需求。 

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图1. 不同功率的百公里充电时间

二、莱姆智能电表方案

基于这样的行业大背景,适应市场的迫切需求,莱姆凭借自身在电量测量和计量方面50年的技术优势,通过与全球客户伙伴、国际法规委员会,以及欧洲相关实验室的密切合作,莱姆智能电表DCBM系列成功推向市场。

  • 满足欧洲法规EN 50470-1,EN 50470-3

  • 满足德国法规PTB-A 20.1,PTB-A 50.7

  • 满足国际电工委员会法规 IEC 62052-11

  • 全温度范围精度Class B,-40℃~85℃

  • 具备线损补偿,可适配四线液冷充电枪

  • 实时监测电流、电压、温度、功率,电量

  • 与上位机通讯采用HTTP/HTTPS网络协议

  • 交易数据包经加密提供OCMF格式,可适配符合S.A.F.E认证的软件读取

具备上述设计亮点,DCBM目前已量产型号的最大规格可支持功率高达600kW的超级快充桩(堆),即满足峰值充电电流600A、系统工作电压1000V的应用。

图2是常见的电动汽车快充电站场景,其中的核心装置直流充电桩可将配电网的三相交流电变换为直流电,并通过充电枪与电动汽车上的动力电池包相连。直流充电桩与动力电池包BMS通讯,实现整个充电过程的能量控制、安全监测、以及满足法规的电能计量。

 

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图2. 电动汽车直流充电场景

在上述环节中不可或缺的直流充电计量,因为涉及对终端用户即车主收取电费,各个国家及地区都制定了相应的电网法规或者计量要求,来确保计费准确性以及数据安全。

因此相比于交流充电桩,直流充电桩在输出侧的计量要求,认证门槛更高,开发难度更大。客户往往不会采用计量模块的自研方案,而偏向寻找高性能的直流电能表,直接满足特定国家或地区的法规要求,来缩短整桩的项目周期和开发成本。

莱姆智能电表可装在直流充电桩靠近输出枪侧,或者充电终端内。为应对德国Eichrecht法规对于线损补偿等精确计量的要求,我们建议为每一条充电回路配备单独的智能电表。

使用莱姆智能电表加密过的数据包,充电桩内控制器可以将交易信息,直接与运营商后台、云端漫游服务器,或者手机APP服务商交互,从而完成一次“合法”的充电计费过程。

同时,莱姆智能电表可工作于双向计量场景。当电动汽车经由V2G桩或者V2L桩等设备,将高压电池包存储的直流电能对外转换为交流电,或者发电上网,或者离网直接供电给交流负载,安装智能电表DCBM的双向桩体(或者终端)亦可以计算放电电量,同时满足法规要求,从而助力电动汽车车主实现“售电”的商业模式。

三、DCBM电表简介

与常见的中国国标电能表相比,莱姆智能电表DCBM采用了分体设计。一方面方便桩内灵活安装,另一方面也避免大电流发热以及磁场对计量的影响。

每一套智能电表DCBM由测量头(Sensor Unit)、表头(Meter Unit)和连接线(Cable)三部分组成。

目前DCBM系列推出两个版本,可测量的电流量程分别对应最大400A和600A。为方便充电桩客户提升功率或者改造升级,400A电表和600A电表在结构上尽量保持统一。如图3所示,两款电表最大区别在测量头尺寸,带显示屏的表头部分尺寸相同。

 

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图3. 莱姆智能电表DCBM外观

3.1测量头简介

蓝色塑胶盖板下方是黑色的测量头部分,其上集结了高精度分流器用于电流采样,以及隔离电路用于电压采样。测量头可工作在-40℃~85℃的环境温度,电流端子耐受的最高温度可达110℃。测量头支持导轨和螺丝两种安装方式,适配TH35-7.5、TH35-15标准平轨,或者利用四角开孔,可方便安装在桩内合适的位置。

接线方法如图4示意,电流、电压信号的接入都采用易于紧固的压接端子,在现场可以实现快速安装。

 

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图4. 莱姆智能电表DCBM安装示意

3.2连接线简介

连接线有30厘米至3.5米等多种长度规格,以适应不同的场合需求,式样为两端带自锁的专用线缆。连接线按照3500V设计绝缘耐压,安装在充电桩1000V直流母排附近,对周围高压元件的安规间距影响非常小。线缆内部含屏蔽层,可加强智能电表的EMC性能。

同时,为满足法规要求的数据加密传输,物理层面上客户只允许使用原厂配套的连接线,并且需要测量头和表头一一配对。

每一套出厂的智能电表,测量头和表头上印有相同的产品编码。智能电表在每一次交易前,会检查测量头和电表是否匹配。如果通过表头显示屏或者桩体上位机,看到连接错误的提示,往往需要客户检查连接线是否松脱,或者测量头和表头是否错配。

测量头以1kHz速度采样实时电流、电压、温度,计算得到的功率累积存于寄存器。每隔100ms,测量头通过连接线,使用基于CAN通讯的莱姆自有协议,将100ms之内“实时数据”的平均值传到表头。表头再处理生成满足法规要求的交易信息数据包,通过网线HTTP/HTTPS协议,每秒上报一次给到桩体上位机。

3.3表头简介

智能电表DCBM的表头由12V~48V直流供电,可工作在-25℃~70℃的环境温度。除了向上位机通讯上报交易数据,用户还可以通过表头显示屏旁边的按键,翻页查看交易之外的部分信息。按照法规的要求,显示还区分了是否为受控信息。

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图5. 莱姆智能电表DCBM表头显示屏

如图5示例,红色箭头指示的字段,即黑底白字部分,显示如连接线状态、电表IP地址、本地日期,本地时间等内容,这些信息不受法规管控。用户可以通过上位机设定电表,或者由电表显示自身的工作状态。

图5中绿色箭头指示的字段,即白底黑字部分,显示如实时电量、电表S/N、固件版本号等内容,这些信息受法规管控。即莱姆智能电表DCBM每一台出厂经过PTB认证后,这些区域的内容都会做报备。用户不能修改这些信息,只能通过上位机获取电表上报的内容。

同时为防止交易信息被外部恶意篡改,按照法规要求,我们对电表的固件也不提供远程升级服务。

四、结束语

莱姆智能电表DCBM,通过精巧的硬件和软件设计,在新一代直流充电桩场景中,为高精度直流计量提供了可靠的解决方案。

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关于LEM 

莱姆作为电量传感器领域的市场先导者,为客户提供创新的技术和高质量的电量测量解决方案。其核心产品为电流电压传感器,可广泛应用于驱动与焊接、可再生能源与电源、铁路与、高精度、传统汽车与新能源汽车、智能电网及等业务领域。莱姆的战略在于发挥其核心业务固有优势的同时,开发新的应用领域并在新的市场中寻求发展机遇。莱姆作为一家中等规模的全球化公司,在北京(中国)、日内瓦(瑞士)、町田(日本)、索菲亚(保加利亚)设有生产中心,各地的销售办事处能够为全球客户提供周到的服务。莱姆(LEM)集团于1986年在瑞士证券交易所上市(股市代码:LEHN)。莱姆电子(中国)有限公司是莱姆电子在中国的全资公司,在各地区设有销售办事处,为中国客户提供全球化的无缝服务。

更多信息请访问莱姆中国官方网站:

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王静
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