CN111722008A - 基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试方法、装置及设备 - Google Patents

基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试方法、装置及设备 Download PDF

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CN111722008A CN202010608821.9A CN202010608821A CN111722008A CN 111722008 A CN111722008 A CN 111722008A CN 202010608821 A CN202010608821 A CN 202010608821A CN 111722008 A CN111722008 A CN 111722008A
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Abstract

本发明公开了一种基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试方法、装置及设备，方法包括步骤：在电压和电流线路上分别增加电压分压电阻网络和电流传感器,采集电动汽车充电时三相交流充电桩输出的各相电流电压信号,采用电压分压电阻网络采集电压信号，采用电流传感器采集电流信号；利用具有零位校准功能的三相模拟乘法器计算三相交流充电桩的有功功率；通过V/F变换器将三相交流充电桩的有功功率转换为频率信号输出，采集V/F变换器的输出脉冲和被检充电桩内电能表的脉冲数；利用上述脉冲数据计算三相交流充电桩的有功电能误差，同时实现了从传感器输入到V/F变换器输出的所有通路的零位校准。本发明大大减低充电桩测试设备的使用难度。

Description

基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试方法、装置及 设备
技术领域
本发明涉及一种基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试方法、装置及设备，属于电动汽车充电技术领域。
背景技术
电动汽车充电桩与加油机一样，都是用于贸易结算的计量器具，其计量(计费)是否准确直接影响到贸易双方的经济利益。对电动汽车充电桩开展计量法制管理，加强充电桩计量监管，保证充电桩电能量值准确可靠，维护电能贸易结算的公平、公正，具有重大意义。
我国已经有充电桩超过100多万个，未来充电桩的电能计量检测工作量巨大。目前三相交流充电桩的有功电能误差检定采用交流充电桩校验仪+交流充电桩负载箱来实现。交流充电桩校验仪由交流标准电能表、电动汽车互操作模拟器等构成。交流充电桩负载箱一般为电阻性负载或电子负载，对于电阻负载，内部电阻值通过多个档位组合来实现、对于电子负载，电阻值通过控制电子的导通来实现。
交流充电桩校验仪和交流充电桩负载箱一般采用交流采样原理、设备的有功电能的准确度和校验仪内部的参考电压芯片的温度系数成正比关系，但是，长期稳定性依赖参考电压芯片的稳定性且交流采样算法复杂，不但体积偏大，运输不方便，而且设备昂贵。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试方法、装置及设备，能够监测充电桩的有功电能误差、确保充电桩运营公司的充电桩的计量计费的公平公正。
本发明解决其技术问题采取的技术方案是：
第一方面，本发明实施例提供的一种基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试方法，包括以下步骤：
在电压和电流线路上增加电压分压电阻网络和电流传感器,采集电动汽车充电时三相交流充电桩输出的各相电流电压信号，其中，采用电压分压电阻网络采集电压信号，采用电流传感器采集电流信号；
利用具有零位校准功能的三相模拟乘法器计算三相交流充电桩的有功功率；
通过V/F变换器将三相交流充电桩的有功功率转换为频率信号输出；
采集V/F变换器的输出脉冲和被检充电桩内电能表的脉冲数；
利用上述脉冲数据计算三相交流充电桩的有功电能误差。
作为本实施例一种可能的实现方式，采集电动汽车充电时三相交流充电桩输出的各相电流电压信号，包括：
采集三相交流充电桩输出的三相电流数据并缩小5000倍，将缩小后的三相电流数据转换为电压信号；
采用电压分压电阻网络采集三相交流充电桩输出的三相电压数据并缩小40倍。
作为本实施例一种可能的实现方式，利用具有零位校准功能的三相模拟乘法器计算三相交流充电桩的有功功率，包括：
根据三相交流充电桩的电压输入Ua、Ub、Uc和电流输入为Ia、Ib、Ic，根据下式计算三相交流充电桩的有功功率：
Figure BDA0002560113960000021
式中，K1为电流互感器变比,K2为电阻网络分压比，Rf为电流数据转换为电压信号的RF阻值，Voffset为失调电压校准输入。
作为本实施例一种可能的实现方式，在计算三相交流充电桩的有功功率过程中，对失调电压校准输入进行零位校准处理，经过零位校准处理后，在三相交流充电桩的电压输入Ua、Ub、Uc和电流输入为Ia、Ib、Ic均为零情况下，使三相交流充电桩的有功功率W3为零。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述零位校准处理的过程为：
给三相模拟乘法器供电；
把三相电压和三相电流的输入端口全部短路到地；
用频率计测量V/F转换器的输出频率；
调节三相模拟乘法器的可调电阻；
判断输出频率是否接近0，如果接近0则完成零位校准工作，否则继续零位校准。
作为本实施例一种可能的实现方式，有功电能误差的计算公式为：
Figure BDA0002560113960000031
Figure BDA0002560113960000032
式中，γ为电能基本误差，m0为算定脉冲数，m为标准表脉冲数，N为实测被检充电桩内电能表的脉冲常数，C0为标准表脉冲常数，CL为被检充电桩内电能表脉冲常数。
第二方面，本发明实施例提供的一种基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试装置，包括：
电流电压信号采集模块，用于通过在电压和电流线路上增加电压分压电阻网络和电流传感器,采集电动汽车充电时三相交流充电桩输出的各相电流电压信号，其中，采用电压分压电阻网络采集电压信号，采用电流传感器采集电流信号；
有功功率计算模块，用于利用具有零位校准功能的三相模拟乘法器计算三相交流充电桩的有功功率；
信号转换模块，用于通过V/F变换器将三相交流充电桩的有功功率转换为频率信号输出；
脉冲采集模块，用于采集V/F变换器的输出脉冲和被检充电桩内电能表的脉冲数；
有功电能误差计算模块，用于利用上述脉冲数据计算三相交流充电桩的有功电能误差。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述电流电压信号采集模块包括：
电流信号采集模块，用于采集三相交流充电桩输出的三相电流数据并缩小5000倍，将缩小后的三相电流数据转换为电压信号；
电压信号采集模块，用于采用电压分压电阻网络采集三相交流充电桩输出的三相电压数据并缩小40倍。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述有功功率计算模块，具体用于根据三相交流充电桩的电压输入Ua、Ub、Uc和电流输入为Ia、Ib、Ic，根据下式计算三相交流充电桩的有功功率：
Figure BDA0002560113960000041
式中，K1为电流互感器变比,K2为电阻网络分压比，Rf为电流数据转换为电压信号的RF阻值，Voffset为失调电压校准输入。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述有功功率计算模块还包括：
零位校准模块，用于在计算三相交流充电桩的有功功率过程中，对失调电压校准输入进行零位校准处理，经过零位校准处理后，在三相交流充电桩的电压输入Ua、Ub、Uc和电流输入为Ia、Ib、Ic均为零情况下，使三相交流充电桩的有功功率W3为零。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述零位校准处理的过程为：
给三相模拟乘法器供电；
把三相电压和三相电流的输入端口全部短路到地；
用频率计测量V/F转换器的输出频率；
调节三相模拟乘法器的可调电阻；
判断输出频率是否接近0，如果接近0则完成零位校准工作，否则继续零位校准。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述有功电能误差计算模块计算有功电能误差的公式为：
Figure BDA0002560113960000051
Figure BDA0002560113960000052
式中，γ为电能基本误差，m0为算定脉冲数，m为标准表脉冲数，N为实测被检充电桩内电能表的脉冲常数，C0为标准表脉冲常数，CL为被检充电桩内电能表脉冲常数。
第三方面，本发明实施例提供的一种基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试设备，包括供电插座、测试部、充电插座和充电线，所述供电插座、测试部件和充电插座通过充电线依次连接；所述测试部包括壳体、电流互感器、电压分压电阻网络、电流电压转换模块、电压跟踪模块、三相模拟乘法器、V/F转换器、无分频校验光电头、处理器、电源模块和显示屏；所述电流互感器设置在充电线交流回路中采集三相交流充电桩输出的各相电流信号，并经过电流电压转换模块转换为电压信号发送给三相模拟乘法器；所述电压分压电阻网络设置在充电线交流回路中采集三相交流充电桩输出的各相电压信号，并经过电压跟踪模块发送给三相模拟乘法器；所述三相模拟乘法器采用四象限乘法及加法电路计算三相交流充电桩的有功功率；所述V/F转换器将三相模拟乘法器输出的三相交流充电桩的有功功率转换为频率信号；所述处理器通过定时器Timer1采集V/F转换器与频率信号对应的脉冲数；所述无分频校验光电头连接到充电桩的脉冲输出上，用于获取被检充电桩内电能表的脉冲常数并发送给处理器；所述处理器用于计算电能基本误差并发送给显示屏进行显示；所述电源模块的输入端连接到充电线的一相回路上，输出端分别与三相模拟乘法器、无分频校验光电头和处理器连接。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述供电插座和测试部一体成型，所述充电插座通过延长充电线与测试部连接。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述三相模拟乘法器包括串联连接的三个四象限模拟乘法器，第一个四象限模拟乘法器与失调电压调节器连接，第一个四象限模拟乘法器的输出作为第二个四象限模拟乘法器的加法输入，第二个四象限模拟乘法器的输出作为第三个四象限模拟乘法器的加法输入，第三个四象限模拟乘法器与V/F转换器连接；所述三相模拟乘法器的输出W3：
Figure BDA0002560113960000061
式中，三相电压输入回路包括Y1a、Y2a、Y1b、Y2b、Y1c、Y2c，三相电流输入回路包括X1a、X2a、X1b、X2b、X1c、X2c，Voffset为失调电压校准输入。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述失调电压调节器(即零位校准电路)包括电阻REF102、电阻R741、电阻R742、电阻R743、可调电阻R744、电阻R745、电阻R746、电阻R747和运放OPA227，所述REF102输出10V的参考电压，电阻R741、电阻R742和运放OPA227构成一个反相器，反相器与电阻R746、电阻R747构成的第一串联电路，电阻R743、可调电阻R744、电阻R745构成第二串联电路，第一串联电路和第二串联电路并联后输入端与电阻REF102连接，输出为Voffset。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述V/F转换器包括压频转换器U81、电阻Rt、电阻RL、电阻Rs、电容Ct和电容CL，其输出频率和输入电压的关系为：
Figure BDA0002560113960000071
式中，Fout为输出频率和Vin为输入电压。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述供电插座和测试部一体成型，所述充电插座通过延长充电线与测试部连接。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述处理器包括定时器Timer1和定时器Timer2，所述定时器Timer1与V/F转换器连接，所述定时器Timer2与无分频校验光电头连接。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述处理器采用下式计算电能基本误差γ：
Figure BDA0002560113960000072
Figure BDA0002560113960000073
式中，M0为算定脉冲数，m为标准表脉冲数，N为实测被检充电桩内电能表脉冲数，C0为标准表脉冲常数，CL为被检充电桩内电能表脉冲常数。
本发明实施例的技术方案可以具有的有益效果如下：
本发明采用三相模拟乘法器原理进行三相充电桩的有功电能计量、同时采用延长充电线、设备小巧、价格便宜，可以长时间串联接入到充电桩的插座上，利用前来的充电的电动汽车作为负载，免其笨重的配套负载，以及复杂的互操作模拟器，本发明的测试线在电动汽车充电的过程中，检测电能误差的准确度，使用简单、价格低廉(成本不足3000元)、未来可以随时自查充电桩的有功电能误差、确保充电桩运营公司的充电桩的计量计费的公平公正。
本发明实现了三相交流充电桩的有功电能误差试验，并采用延长充电线的结构设计、可以长期运行并测试三相充电桩的有功电能误差。其测试连接线可以直接在充电桩和电动汽车之间通过充电线延长接入、使用方便；采用三相硬件乘法器原理、长期漂移小、测量稳定、准确度高；该测试***不仅使用简单、设备小、价格便宜，成本不足传统校验装置(校验仪+负载结构)的1/10；而且直接使用电动汽车作为负载，省去了大功率负载的成本和以及负载的电能消耗。本发明采用电动汽车作为互操作模拟器、大大减低充电桩测试设备的使用难度、操作人员无需了解互操作知识。
本发明采用具备零位校准功能三相模拟乘法器，可以直接把三相有功功率转换为直流电压信号输出，计算三相交流充电桩的有功电能误差；同时可以实现从传感器输入到V/F变换器输出的所有通路的零位校准。
附图说明：
图1是根据一示例性实施例示出的一种基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试方法流程图；
图2是根据一示例性实施例示出的一种基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试装置结构图；
图3是根据一示例性实施例示出的一种基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试设备原理图；
图4是根据一示例性实施例示出的一种基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试设备结构图；
图5是本发明一种基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试设备的现场实施示意图；
图6是本发明的一种电流电压转换模块的电路示意图；
图7是本发明的一种三相模拟乘法器的电路图；
图8是本发明的一种失调电压调节器的电路图；
图9是本发明的一种V/F转换器的电路图；
图10是本发明的一种电压跟踪模块的电路图；
图11是本发明基于模拟乘法器原理进行三相交流充电桩测试的流程图；
图12是本发明利用零位校准电路进行零位校准的流程图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明：
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本发明进行详细阐述。下文的公开提供了许多不同的实施例或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或字母。这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施例和/或设置之间的关系。应当注意，在附图中所图示的部件不一定按比例绘制。本发明省略了对公知组件和处理技术及工艺的描述以避免不必要地限制本发明。
图1是根据一示例性实施例示出的一种基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试方法流程图。如图1所示，本发明实施例提供的一种基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试方法，包括以下步骤：
在电压和电流线路上增加电压分压电阻网络和电流传感器,采集电动汽车充电时三相交流充电桩输出的各相电流电压信号；其中，采用电压分压电阻网络采集电压信号，采用电流传感器采集电流信号；
利用具有零位校准功能的三相模拟乘法器计算三相交流充电桩的有功功率；
通过V/F变换器将三相交流充电桩的有功功率转换为频率信号输出；
采集V/F变换器的输出脉冲和被检充电桩内电能表的脉冲数；
利用上述脉冲数据计算三相交流充电桩的有功电能误差。
作为本实施例一种可能的实现方式，采集电动汽车充电时三相交流充电桩输出的各相电流电压信号，包括：
采用电流互感器采集三相交流充电桩输出的三相电流数据并缩小5000倍，将缩小后的三相电流数据转换为电压信号；
采用电压分压电阻网络或电压互感器采用电压分压电阻网络采集三相交流充电桩输出的三相电压数据并缩小40倍。
作为本实施例一种可能的实现方式，利用具有零位校准功能的三相模拟乘法器计算三相交流充电桩的有功功率，包括：
根据三相交流充电桩的电压输入Ua、Ub、Uc和电流输入为Ia、Ib、Ic，根据下式计算三相交流充电桩的有功功率：
Figure BDA0002560113960000101
式中，K1为电流互感器变比,K2为电阻网络分压比，Rf为电流数据转换为电压信号的RF阻值，Voffset为失调电压校准输入。
作为本实施例一种可能的实现方式，在计算三相交流充电桩的有功功率过程中，对失调电压校准输入进行零位校准处理，经过零位校准处理后，在三相交流充电桩的电压输入Ua、Ub、Uc和电流输入为Ia、Ib、Ic均为零情况下，使三相交流充电桩的有功功率W3为零。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述零位校准处理的过程为：
给三相模拟乘法器供电；
把三相电压和三相电流的输入端口全部短路到地；
用频率计测量V/F转换器的输出频率；
调节三相模拟乘法器的可调电阻；
判断输出频率是否接近0，如果接近0则完成零位校准工作，否则继续零位校准。
作为本实施例一种可能的实现方式，有功电能误差的计算公式为：
Figure BDA0002560113960000111
Figure BDA0002560113960000112
式中，γ为电能基本误差，m0为算定脉冲数，m为标准表脉冲数，N为实测被检充电桩内电能表的脉冲常数，C0为标准表脉冲常数，CL为被检充电桩内电能表脉冲常数。
图2是根据一示例性实施例示出的一种基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试装置结构图。如图2所示，本发明实施例提供的一种基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试装置，包括：
电流电压信号采集模块，用于通过在电压和电流线路上增加电压分压电阻网络和电流传感器,采集电动汽车充电时三相交流充电桩输出的各相电流电压信号，其中，采用电压分压电阻网络采集电压信号，采用电流传感器采集电流信号；
有功功率计算模块，用于利用具有零位校准功能的三相模拟乘法器计算三相交流充电桩的有功功率；
信号转换模块，用于通过V/F变换器将三相交流充电桩的有功功率转换为频率信号输出；
脉冲采集模块，用于采集V/F变换器的输出脉冲和被检充电桩内电能表的脉冲数；
有功电能误差计算模块，用于利用上述脉冲数据计算三相交流充电桩的有功电能误差。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述电流电压信号采集模块包括：
电流信号采集模块，用于采集三相交流充电桩输出的三相电流数据并缩小5000倍，将缩小后的三相电流数据转换为电压信号；
电压信号采集模块，用于采用电压分压电阻网络采集三相交流充电桩输出的三相电压数据并缩小40倍。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述有功功率计算模块，具体用于根据三相交流充电桩的电压输入Ua、Ub、Uc和电流输入为Ia、Ib、Ic，根据下式计算三相交流充电桩的有功功率：
Figure BDA0002560113960000121
式中，K1为电流互感器变比,K2为电阻网络分压比，Rf为电流数据转换为电压信号的RF阻值，Voffset为失调电压校准输入。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述有功功率计算模块还包括：
零位校准模块，用于在计算三相交流充电桩的有功功率过程中，对失调电压校准输入进行零位校准处理，经过零位校准处理后，在三相交流充电桩的电压输入Ua、Ub、Uc和电流输入为Ia、Ib、Ic均为零情况下，使三相交流充电桩的有功功率W3为零。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述零位校准处理的过程为：
给三相模拟乘法器供电；
把三相电压和三相电流的输入端口全部短路到地；
用频率计测量V/F转换器的输出频率；
调节三相模拟乘法器的可调电阻；
判断输出频率是否接近0，如果接近0则完成零位校准工作，否则继续零位校准。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述有功电能误差计算模块计算有功电能误差的公式为：
Figure BDA0002560113960000131
Figure BDA0002560113960000132
式中，γ为电能基本误差，m0为算定脉冲数，m为标准表脉冲数，N为实测被检充电桩内电能表的脉冲常数，C0为标准表脉冲常数，CL为被检充电桩内电能表脉冲常数。
如图3和图4所示，本发明实施例提供的一种基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试设备，包括供电插座101、测试部102、充电插座103和充电线，所述供电插座101、测试部件102和充电插座103通过充电线依次连接；所述测试部102包括壳体、电流互感器3a/3b/3c、电压分压电阻网络4、电流电压转换模块5a/5b/5c、电压跟踪模块14、三相模拟乘法器7、V/F转换器8、无分频校验光电头9、处理器10、电源模块6和显示屏12；所述电流互感器设置在充电线交流回路中采集三相交流充电桩输出的各相电流信号，并经过电流电压转换模块转换为电压信号发送给三相模拟乘法器；所述电压分压电阻网络设置在充电线交流回路中采集三相交流充电桩输出的各相电压信号，并经过电压跟踪模块发送给三相模拟乘法器；所述三相模拟乘法器采用四象限乘法及加法电路计算三相交流充电桩的有功功率；所述V/F转换器将三相模拟乘法器输出的三相交流充电桩的有功功率转换为频率信号；所述处理器通过定时器Timer1采集V/F转换器与频率信号对应的脉冲数；所述无分频校验光电头连接到充电桩的脉冲输出上，用于获取被检充电桩内电能表的脉冲常数并发送给处理器；所述处理器用于计算电能基本误差并发送给显示屏进行显示；所述电源模块的输入端连接到充电线的一相回路上，输出端分别与三相模拟乘法器、无分频校验光电头和处理器连接。
如图4所示，作为本实施例一种可能的实现方式，所述供电插座101和测试部103一体成型，所述充电插座103通过延长充电线104与测试部102连接。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述电源模块设置有控制开关，所述控制开关设置所述测试部的壳体上。
所述显示屏设置在所述测试部的壳体上，所述的电流互感器、电压分压电阻网络、电流电压转换模块、电压跟踪模块、三相模拟乘法器、V/F转换器、无分频校验光电头、处理器和电源模块均设置在所述测试部的壳体内部。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述三相模拟乘法器包括串联连接的三个四象限模拟乘法器，同时具有加法电路的特点，第一个四象限模拟乘法器与失调电压调节器连接，第一个四象限模拟乘法器的输出作为第二个四象限模拟乘法器的加法输入，第二个四象限模拟乘法器的输出作为第三个四象限模拟乘法器的加法输入，第三个乘法器与V/F转换器连接；
作为本实施例一种可能的实现方式，所述三相模拟乘法器的输出W3：
Figure BDA0002560113960000141
式中，三相电压输入回路包括Y1a、Y2a、Y1b、Y2b、Y1c、Y2c，三相电流输入回路包括X1a、X2a、X1b、X2b、X1c、X2c，Voffset为失调电压校准输入。
作为本实施例一种可能的实现方式，如图8所示，所述失调电压调节器(即零位校准电路)包括电阻REF102、电阻R741、电阻R742、电阻R743、可调电阻R744、电阻R745、电阻R746、电阻R747和运放OPA227，所述REF102输出10V的参考电压，电阻R741、电阻R742和运放OPA227构成一个反相器，反相器与电阻R746、电阻R747构成的第一串联电路，电阻R743、可调电阻R744、电阻R745构成第二串联电路，第一串联电路和第二串联电路并联后输入端与电阻REF102连接，输出为Voffset。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述V/F转换器包括压频转换器U81、电阻Rt、电阻RL、电阻Rs、电容Ct和电容CL，其输出频率和输入电压的关系为：
Figure BDA0002560113960000151
式中，Fout为输出频率和Vin为输入电压。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述处理器包括定时器Timer1和定时器Timer2，所述定时器Timer1与V/F转换器连接，所述定时器Timer2与无分频校验光电头连接。
作为本实施例一种可能的实现方式，所述处理器采用下式计算电能基本误差γ：
Figure BDA0002560113960000152
Figure BDA0002560113960000153
式中，M0为算定脉冲数，m为标准表脉冲数，N为实测被检充电桩内电能表脉冲数，C0为标准表脉冲常数，CL为被检充电桩内电能表脉冲常数。
如图5所示，本发明的一种三相交流充电桩测试线(基于模拟乘法器原理的交流充电桩测试设备)可由交流充电桩供电插座1(即图4中供电插座101)、电动汽车充电插座2(即图4中充电插座103)、电流互感器3a/3b/3c、电压分压电阻网络4、电流电压转换模块5、电源模块6、三相模拟硬件乘法器7、V/F转换器8、无分频校验光电头9、处理器MSP430F6736 10、键盘KEY 11、显示LCD 12组成、以及电源变换器13、电压跟踪模块14、电源插针15、手动开关16组成。
其中，
1、交流充电桩供电插座1，和充电桩插座匹配。
2、电动汽车充电插座2，和电动汽车充电插座匹配。
3、电流互感器3a、3b、3c采用0.01级的零磁通电流互感器，保证测量的准确度。电流互感器的变比为5000:1.也就是50A电流输入，二次输出10mA。
4、电压分压电阻网络4采用1ppm温漂和0.01％准确的高稳定电阻，分压比为40:1,也就是200V的电压输入，二次输出5V。ppm:parts per million(百万分之一)。
5、电流电压转换模块5由运放OPA2277 U5和0.01％准确的RF电阻(1ppm温漂)组成，见图6，RF电阻阻值为500欧。对于10mA的电流输出转换为5V电压输出。
6、电源模块6、采用+/-15V和5V输出的开关小电源，+/-15V输出为三相模拟乘法器7提供工作电源，5V输出为无分频校验光电头9和处理器10提供工作电源，电流输出0.2A。
7、三相模拟乘法器7由硬件乘法器71、72、73和失调电压调节器74组成，见图7所示。硬件乘法器71、72、73，采用高准确度、高带宽的四象限模拟乘法器AD734实现，AD734可以实现四象限乘法并且还可以实现加法电路，其转换公式为：
Figure BDA0002560113960000161
设三相电压和电流的输入回路为：
三相电压：Y1a、Y2a、Y1b、Y2b、Y1c、Y2c，
三相电流：X1a、X2a、X1b、X2b、X1c、X2c，
整个电路的失调电压校准输入为:Voffset；
则三相硬件模拟乘法的输入数学关系为：
Figure BDA0002560113960000162
式2中的Voffset由失调电压调节器实现输出，见图8。
失调电压调节器74、是由参考电压U741、U742、R741、R742、R743、R744、R745、R746、R747组成，其中R744为可调电阻，该可调电阻在出厂的时候，进行手动调节，实现对整个***的零位校准。
REF102为10V的参考电压输出，R742、R741和运放U742(使用OPA227)构成一个反相器，输出-10V参考电压。
失调电压Voffset通过这两个正负10V电压构成的在正负区间值均可连续调节，其输出值见公式3：
Figure BDA0002560113960000171
其中，R743＝R747＝100K、R745＝1K、R746＝3K，R744可调节0～5K。
当R744为0欧时，Voffset为正的可调节最大值：
Figure BDA0002560113960000172
Voffset为负的可调节最小值：
Figure BDA0002560113960000173
Voffset的调节范围只要满足整体的失调电压就可以了。调节范围越小，其稳定性越好，目前大概调节范围为满量程是的1％，也就是0.1V左右的失调电压校准范围，可以满足***零位校准要求。
8、V/F转换器8由压频转换芯片LM331 U81、电阻Rt、电阻RL、电阻Rs、电容Ct、电容CL组成，见图7。
其输出的频率和输出的电压的关系为：
Figure BDA0002560113960000174
其中Rt＝5.7416k,Rs＝12K、RL＝100K、CL＝1uF、Ct＝0.01uF；
Figure BDA0002560113960000175
其中，Rt使用定制电阻。
9、无分频校验光电头9、采用珠海泰易自动化设备有限公司的TP11-5a，实现充电桩的有功电能的LED灯的闪烁时间的采集，也就是把电能脉冲的光信号转换成电信号。
10、处理器MSP430F6736、采用美国德州仪器公司的MSP430处理器，内置了FLASH、RAM、通用IO口、定时器等芯片上资源。
11、显示LCD 11：为点阵式简易液晶显示模块，直接由MSP430F6736的LCD驱动模块驱动，用于显示电能误差等。
12、键盘12、为简易键盘，共6个键盘输入到处理器MSP430F6736的6个IO上。
13、电源变换器13为5转3.3V的线性稳压模块，把电源模块输出的5V的电源转换为3.3V供处理器10使用，使用固定电压输出的芯片REG1117F-3.3转换。
14、电压跟踪模块为1:1跟踪驱动，如图10所示。使用OP227 U141主要是作为电压跟踪，增强电压分压电阻网络的输出带载能力。
15、为电源插针15，电路板上预留两个可以接入220V的供电电源过孔，用于出厂做零位校准使用加电使用。
16、手动开关16，用于出厂做零位校准时，断开电压测量线。
本发明的电压分压电阻网络4把三相电压信号缩小40倍输入到三相模拟乘法器7的Y1a、Y1b、Y1c、Y2a、Y2b、Y2c的输入端子上，三相电流通过电流互感器3a/3b/3c缩小5000倍输入到电流电压转换模块5a/5b/5c上，并变换为电压输入到三相模拟乘法器7的X1a、X1b、X1c、X2a、X2b、X2c的输入端子上。
假设充电桩的电压输入为Ua、Ub、Uc，电流输入为Ia、Ib、Ic。
则根据式2得三相模拟乘法器的输出W3的输出：
Figure BDA0002560113960000191
40：为电阻网络分压比，
5000：为电流互感器变比，
500：为图6电流电压变换器5的RF阻值。
把式5继续简化为式6：
Figure BDA0002560113960000192
也就是三相模拟乘法器的输出值为三相电压电流的有功功率。
三相模拟乘法器的输出值为直流电压。
通过V/F转换器8继续转换为频率信号，依据公式4有：
Figure BDA0002560113960000193
公式7中的Voffset为***电路的零位校准电压，当三相电压和三相电流的输入为0时，通过图7所示失调电压调节器的可调电阻R744，一直调节到Fout为0可实现这个电路的零位校准。
公式7在零位校准后，有：
Figure BDA0002560113960000194
也就是V/F变换器的频率输出和三相电压和三相电流有功功率成正比。
处理器MSP430通过定时器(Timer1和Timer2)采集V/F转换器8的脉冲输出频率和被检的电能表的脉冲输出频率，计算电能基本误差γ，如下式所示
Figure BDA0002560113960000195
Figure BDA0002560113960000196
m0：算定脉冲常数；
m：实测标准表脉冲数，Timer1测量；
N：实测被检表脉冲数，Timer2测量；
C0：标准表脉冲常数；
CL：被检表脉冲常数，根据被检表的脉冲常数输入。
设功率为：
P＝Ua×Ia+Ub×Ib+Uc×Ic
由公式8得：
Figure BDA0002560113960000201
所以本机的脉冲常数为：
C0＝900000imp/Wh。
备注：电能脉冲常数C是一个小时内0.001度电(1瓦)电能表走的圈数(或LED闪烁的次数)，电能脉冲常数C可以是imp/Wh或imp/kWh(差一千倍)。imp为圈数。
如图7所示，本发明的三相模拟乘法器利用AD734四象限模拟乘法器同时具有加法电路的特点，把第一芯片的加法输入作为失调电压调节器输入，用于整个电路的失调电压(零位)的出厂校准，把第一个四象限模拟乘法器的输出作为第二个四象限模拟乘法器的加法输入，把第二个四象限模拟乘法器的输出作为第三个四象限模拟乘法器的加法输入。
这样有：
Figure BDA0002560113960000202
//k为倍率系数，本发明的k＝4000
根据三相平衡电路有功功率计算公式：
P＝Pa+Pb+Pc＝Ua×Ia+Ub×Ib+Uc×Ic
设电压和电流的瞬时值为：
Figure BDA0002560113960000211
则A相有功功率的瞬时值为：
Figure BDA0002560113960000212
同理B相和C相的有功功率的瞬时值为：
Figure BDA0002560113960000213
Figure BDA0002560113960000214
所以三相瞬时功率p为：
Figure BDA0002560113960000215
把公式10改写为三相模拟乘法器的瞬时输出值w3，有：
Figure BDA0002560113960000216
对照公式10和公式11,本三相硬件模拟乘法器在三相基本平衡的情况下，可以输出恒定的直流电压输出，保证测量过程的稳定性。
如图11所示，本发明基于模拟乘法器原理进行三相交流充电桩测试过程如下：
步骤一、把充电桩测试线连接到充电桩和电动汽车接口上，并把无分频校验光电头连接到充电桩的脉冲输出上(采集被检电能表脉冲)。
步骤二、通过键盘输入被检充电桩内的电能表的脉冲常数。
步骤三、处理器MSP430通过芯片上的定时器Timer1和Timer2采集本测试线(也就是标准表)和被检表的脉冲数，并根据公式9，计算有功电能误差。
步骤四、显示有功电能基本误差。
本发明的失调电压调节器如图8所示，本发明利用参考电压REF102，并通过高精度的运放OPA227产生反方向的参考电压(负值)，保证失调电压的输出既可以是正的也可以是负的，参考电压U741采用REF102有2.5ppm的温度漂移，运放OPA227有±0.1mV/°的温度漂移。该失调电路有一个可调电阻R744就可实现输出电压从-0.096V到+0.098V之间连续可调。
如图12所示，本发明利用零位校准电路(失调电压调节器)进行零位校准的过程如下：
步骤一、首先，手动断开手动开关16、电源插值15接入220V市电。步骤一的目的是给设备供电、同时保证所有的测量回路能短接到地。
步骤二、把三相电压和三相电流的输入端口全部短路到地
步骤三、用频率计测量V/F转换器8的输出频率
步骤四、手动调节三相模拟硬件乘法器里面的可调电阻R744
步骤五、判断是否频率显示接近0，接近0校准完成，否则，重复步骤三、步骤四继续校验。
手动断开手动开关16、电源插针15接入220V市电。目的是给设备供电、同时保证所有的测量回路能短接到地。把三相电压和三相电流的输入端口全部短路到地。用频率计测量V/F转换器8的输出频率；手动调节三相模拟乘法器里面的可调电阻R744；判断是否频率显示接近0，接近0校准完成，否则继续校验。
本发明的测试线是很短的连接线，一端连接到充电桩的充电线插座，另外一端连接到电动汽车的充电插座，连接线内部所有的连接信号直通，保证充电桩和电动汽车充电桩的互操作正常工作，本发明只是在电压和电流线路上增加电压分压电阻网络和电流传感器并利用三相模拟乘法器和V/F变换器把三相有功电能转换为频率输出，对比充电桩输出的电能脉冲和V/F变换器的输出脉冲可以准确检定三相充电桩的电能基本误差，增加LCD显示和键盘输入用于抄读电能误差数据和脉冲常数输入，本发明的核心创新技术是研制了具备零位校准功能三相模拟乘法器，可以直接把三相有功功率转换为直流电压信号输出，同时可以实现从传感器输入到V/F变换器输出的所有通路的零位校准。
以上所述只是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也被视作为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试方法，其特征是，包括以下步骤：
在电压和电流线路上分别增加电压分压电阻网络和电流传感器,采集电动汽车充电时三相交流充电桩输出的各相电流电压信号，其中，采用电压分压电阻网络采集电压信号，采用电流传感器采集电流信号；
利用具有零位校准功能的三相模拟乘法器计算三相交流充电桩的有功功率；
通过V/F变换器将三相交流充电桩的有功功率转换为频率信号输出；
采集V/F变换器的输出脉冲和被检充电桩内电能表的脉冲数；
利用上述脉冲数据计算三相交流充电桩的有功电能误差。
2.根据权利要求1所述的基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试方法，其特征是，采集电动汽车充电时三相交流充电桩输出的各相电流电压信号，包括：
采集三相交流充电桩输出的三相电流数据并缩小5000倍，将缩小后的三相电流数据转换为电压信号；
采用电压分压电阻网络采集三相交流充电桩输出的三相电压数据并缩小40倍。
3.根据权利要求2所述的基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试方法，其特征是，利用具有零位校准功能的三相模拟乘法器计算三相交流充电桩的有功功率，包括：
根据三相交流充电桩的电压输入Ua、Ub、Uc和电流输入为Ia、Ib、Ic，根据下式计算三相交流充电桩的有功功率：
Figure FDA0002560113950000011
式中，K1为电流互感器变比,K2为电阻网络分压比，Rf为电流数据转换为电压信号的RF阻值，Voffset为失调电压校准输入。
4.根据权利要求3所述的基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试方法，其特征是，在计算三相交流充电桩的有功功率过程中，对失调电压校准输入进行零位校准处理，经过零位校准处理后，在三相交流充电桩的电压输入Ua、Ub、Uc和电流输入为Ia、Ib、Ic均为零情况下，使三相交流充电桩的有功功率W3为零。
5.根据权利要求4所述的基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试方法，其特征是，所述零位校准处理的过程为：
给三相模拟乘法器供电；
把三相电压和三相电流的输入端口全部短路到地；
用频率计测量V/F转换器的输出频率；
调节三相模拟乘法器的可调电阻；
判断输出频率是否接近0，如果接近0则完成零位校准工作，否则继续零位校准。
6.根据权利要求1-5任一项所述的基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试方法，其特征是，有功电能误差的计算公式为：
Figure FDA0002560113950000021
Figure FDA0002560113950000022
式中，γ为电能基本误差，m0为算定脉冲数，m为标准表脉冲数，N为实测被检充电桩内电能表的脉冲常数，C0为标准表脉冲常数，CL为被检充电桩内电能表脉冲常数。
7.一种基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试装置，其特征是，包括：
电流电压信号采集模块，用于通过在电压和电流线路上增加电压分压电阻网络和电流传感器,采集电动汽车充电时三相交流充电桩输出的各相电流电压信号；
有功功率计算模块，用于利用具有零位校准功能的三相模拟乘法器计算三相交流充电桩的有功功率；
信号转换模块，用于通过V/F变换器将三相交流充电桩的有功功率转换为频率信号输出；
脉冲采集模块，用于采集V/F变换器的输出脉冲和被检充电桩内电能表的脉冲数；
有功电能误差计算模块，用于利用上述脉冲数据计算三相交流充电桩的有功电能误差。
8.一种基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试设备，其特征是，包括供电插座、测试部、充电插座和充电线，所述供电插座、测试部件和充电插座通过充电线依次连接；所述测试部包括壳体、电流互感器、电压分压电阻网络、电流电压转换模块、电压跟踪模块、三相模拟乘法器、V/F转换器、无分频校验光电头、处理器、电源模块和显示屏；所述电流互感器设置在充电线交流回路中采集三相交流充电桩输出的各相电流信号，并经过电流电压转换模块转换为电压信号发送给三相模拟乘法器；所述电压分压电阻网络设置在充电线交流回路中采集三相交流充电桩输出的各相电压信号，并经过电压跟踪模块发送给三相模拟乘法器；所述三相模拟乘法器采用四象限乘法及加法电路计算三相交流充电桩的有功功率；所述V/F转换器将三相模拟乘法器输出的三相交流充电桩的有功功率转换为频率信号；所述处理器通过定时器Timer1采集V/F转换器与频率信号对应的脉冲数；所述无分频校验光电头连接到充电桩的脉冲输出上，用于获取被检充电桩内电能表的脉冲常数并发送给处理器；所述处理器用于计算电能基本误差并发送给显示屏进行显示；所述电源模块的输入端连接到充电线的一相回路上，输出端分别与三相模拟乘法器、无分频校验光电头和处理器连接。
9.根据权利要求8所述的基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试设备，其特征是，所述三相模拟乘法器包括串联连接的三个四象限模拟乘法器，第一个四象限模拟乘法器与失调电压调节器连接，第一个四象限模拟乘法器的输出作为第二个四象限模拟乘法器的加法输入，第二个四象限模拟乘法器的输出作为第三个四象限模拟乘法器的加法输入，第三个四象限模拟乘法器与V/F转换器连接；所述三相模拟乘法器的输出W3：
Figure FDA0002560113950000041
式中，三相电压输入回路包括Y1a、Y2a、Y1b、Y2b、Y1c、Y2c，三相电流输入回路包括X1a、X2a、X1b、X2b、X1c、X2c，Voffset为失调电压校准输入。
10.根据权利要求8所述的基于模拟乘法器原理的三相交流充电桩测试设备，其特征是，所述失调电压调节器，其特征是，包括电阻REF102、电阻R741、电阻R742、电阻R743、可调电阻R744、电阻R745、电阻R746、电阻R747和运放OPA227，所述REF102输出10V的参考电压，电阻R741、电阻R742和运放OPA227构成一个反相器，反相器与电阻R746、电阻R747构成的第一串联电路，电阻R743、可调电阻R744、电阻R745构成第二串联电路，第一串联电路和第二串联电路并联后输入端与电阻REF102连接，输出为Voffset。
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