电动汽车充电的高精度直流电流计量

德勤 2020 年的一份报告预测，电动汽车总销量将从 2020 年的 250 万辆增长到 2025 年的 1120 万辆，到 2030 年达到 3110 万辆，这十年的复合年增长率为 29%。这意味着电动汽车将占据新车销售总市场份额的近三分之一。这将需要对充电站进行巨额投资，消费者将要求直流测量的准确性和可靠性——这将调节他们必须支付的金额——受到严格的监管和控制。德国领先的电力仪表公司 Zes Zimmer 正与丹麦电流传感传感器公司 Danisense 合作，提供精密直流计量解决方案。

随着电动汽车的普及，电动汽车充电站正在激增。在德国，城镇有许多充电站，工作场所也越来越多。已经有可提供高达 350 kW 的充电站。客户需要能够依赖传输的直流能量测量的准确性，因为消耗的能量与计费之间存在直接联系。

2020 年初，德国标准组织 VDE 与功率分析领域的技术领导者之一 Zes Zimmer 进行了接洽，该组织致力于确保对电动汽车充电站中使用的直流电表进行适当的验证、校准和认证。 Zes Zimmer 已经提供了可精确测量高达 32 A 的仪器，但对于范围为数百千瓦的大型装置，要求测量更大的电流，在几百安培的范围内。这需要使用外部电流传感器。

图 1：使用 Zes Zimmer LMG641 功率分析仪的测量设置

图 1 显示了使用 Zes Zimmer LMG641 功率分析仪和 Danisense 的外部 DS600 电流检测传感器的测量设置。为了校准直流电表，电源由精密 PSU 生成，并同时馈入电表和参考功率分析仪。此外，电能表的脉冲输出连接到 LMG600 的外部周期输入，允许分析仪将电压、电流、功率和能量的测量周期与电能表的脉冲同步。由于外部周期输入以超过 5 MHz 的频率进行采样，因此将可靠且精确地捕获脉冲。

一旦脉冲间隔与功率分析仪的测量周期同步，就可以记录它们的长度。结合使用高度稳定和准确的直流电源，可以简单地验证间隔的准确性，从而简单地验证计算的能量。Zes Zimmer 的 LMG600 功率分析仪允许定制 GUI 以模拟特定应用。该 GUI 可以从内置脚本编辑器中获取值，并仅显示与应用程序相关的参数。图 2 显示了一个示例。

图 2：图形用户界面示例

就其本身而言，LMG600 系列可在 500 μA 至 32 Arms 的电流输入范围内提供准确的直流测量。为了扩展这个电流输入范围，Zes Zimmer 与 Danisense 合作。基于零通量原理，Danisense 电流传感器可提供低至 1 ppm 的测量精度，Zes Zimmer LMG600 功率分析仪和 Danisense DS600 的组合形成了一个高精度且易于使用的校准测试系统。

有许多不同类型的电流测量技术，从基本的分流器和霍尔效应器件到更复杂的系统。决定因素通常是所需的精度，简单的设备无法提供高精度。Danisense 专有磁通门是一种闭环补偿技术，具有固定励磁频率和二次谐波零磁通检测 ［A1］（图 3）。它将复杂的磁性能与先进的信号处理相结合，通过使用二次谐波，可以提取信号以提供对导体中电流的测量，并将其直流电流值测量到极高的水平，非常可重复。此外，Danisense 采用双平衡磁通门结构，该结构将两个磁芯对置，在概念上类似于惠斯通电桥。这提供了自然补偿，消除了温度等环境条件造成的任何漂移的影响。如果在传感器升温时驱动几百安培的直流电流一段时间，这一点很重要。因此，温度稳定性至关重要。

图 3：具有固定励磁频率和二次谐波零磁通检测的闭环补偿技术 ［A2］

Zes Zimmer 提供具有内置智能功能的电缆，以方便 Danisense 电流传感器的简单设置，例如图 4 中所示的 DS600，Zes Zimmer 以 Plug‘n’Measure PCT600 销售，它可以自动识别连接的传感器类型和LMG600电流输入的配置。功率分析仪将自动读取和使用每个重要参数，例如精确比例因子、延迟补偿变量、最后校准日期和传感器类型。此外，传感器通过 LMG600 主动供电，因此不需要单独的电源。Danisense 提供一系列产品，可将电流测量扩展到 2，000 Arms（3，000 A 峰值或直流）甚至更高。

Zes Zimmer 功率分析仪与 Danisense 传感器相结合，正被 VDE 等机构用于现场测试安装在 EV 充电站的直流电表是否符合 Eichrecht 一致性等标准。E-VDE-AR-E 2418-3-100。直流电表制造商也使用它们进行预合规性测试，然后再将它们送去进行独立认证，以确保它们获得积极的结果。因此，通过 Zes Zimmer 和 Danisense 之间的合作，不需要额外的设备并且所有设置都得到了简化和匹配，这一事实非常有用。

直流微电网

另一个需要类似方法的应用是 1，500V 直流微电网。例如，在风能或太阳能发电的应用中，为什么要转换为交流电？为什么不直接使用直流电源？据预测，未来的房屋将在 DC 上运行，从而带来显着的效率优势。如果车辆在一夜之间在车库中充电，这可能特别有价值。这导致了一个称为直流微电网的系统。高压交流电网仍然存在，但在它旁边，一个直流电箱连接到直流发电机，主要是可再生能源发电机和消费产品。同样，此类系统的测试、校准和认证需要高精度、稳定的直流电流测量。

建立客户对电动汽车充电站和其他能源系统中使用的直流电表高度准确并定期校准的信任和信心至关重要。Zes Zimmer 功率分析仪和 Danisense 电流检测传感器的组合提供了精确、稳定、可重复且易于使用的测量。这就是 VDE 等知名机构使用这种方法的原因。

作者：Loic Moreau 和 Patrick Fuchs