摘要

全球碳中和愿景下的新能源汽車(chē)行業(yè)爆發(fā)，隨之配套的充電基礎設施在多個(gè)國家地區范圍密集展開(kāi)建設。其中新能源車(chē)的“里程焦慮”加速了市場(chǎng)端對直流快充技術(shù)的需求，相應針對直流計量部分的國際法規亦在逐步發(fā)展與完善。

基于分流器及隔離技術(shù)，直流電能表是計量的首選方案。但隨著(zhù)法規對直流充電的細分功能、以及數據安全的要求日益加嚴，適用于充電樁的直流計費系統不僅需要精確計量，還需滿(mǎn)足S.A.F.E.安全指令等。

針對如此復雜的挑戰，國內外樁企用戶(hù)很難使用普通的直流電能表二次開(kāi)發(fā)，再花費昂貴的認證費用，來(lái)獲得國際或地區間的準入條件。

本文介紹了一款新型分體式設計，且通過(guò)目前業(yè)內最嚴苛德國Eichrecht法規的高精度直流電能表產(chǎn)品：萊姆智能電表DCBM系列，可滿(mǎn)足新一代直流充電樁的計量法規需求。 

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(chē)市經(jīng)歷了一個(gè)無(wú)比艱難的開(kāi)局，但結局卻出乎意料。在排放法規趨緊和補貼政策的雙重影響下，從2020年下半年開(kāi)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(chē)銷(xiāo)量首次突破300萬(wàn)輛。截至2021年，全球電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量突破650萬(wàn)輛。據EV sales預測，2022年全球電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)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(chē)市場(chǎng)。

隨著(zhù)路面上的電動(dòng)汽車(chē)數量不斷增多，“里程焦慮“始終是圍繞動(dòng)力電池續航能力的最大關(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(shù)，可以有效解決“里程焦慮”的行業(yè)痛點(diǎn)。根據國際電工委員會(huì )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(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超級快充站（堆），萊姆推出的智能電表DCBM系列可滿(mǎn)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(shí)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(chǎng)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(shù)優(yōu)勢，通過(guò)與全球客戶(hù)伙伴、國際法規委員會(huì )，以及歐洲相關(guān)實(shí)驗室的密切合作，萊姆智能電表DCBM系列成功推向市場(chǎng)。

• 滿(mǎn)足歐洲法規EN 50470-1，EN 50470-3

• 滿(mǎn)足德國法規PTB-A 20.1，PTB-A 50.7

• 滿(mǎn)足國際電工委員會(huì )法規 IEC 62052-11

• 全溫度范圍精度Class B，-40℃～85℃

• 具備線(xiàn)損補償，可適配四線(xiàn)液冷充電槍

• 實(shí)時(shí)監測電流、電壓、溫度、功率，電量

• 與上位機通訊采用HTTP/HTTPS網(wǎng)絡(luò )協(xié)議

• 交易數據包經(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(diǎn)，DCBM目前已量產(chǎn)型號的最大規格可支持功率高達600kW的超級快充樁（堆），即滿(mǎn)足峰值充電電流600A、系統工作電壓1000V的應用。

圖2是常見(jiàn)的電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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)現整個(gè)充電過(guò)程的能量控制、安全監測、以及滿(mǎn)足法規的電能計量。

圖2. 電動(dòng)汽車(chē)直流充電場(chǎng)景

在上述環(huán)節中不可或缺的直流充電計量，因為涉及對終端用戶(hù)即車(chē)主收取電費，各個(gè)國家及地區都制定了相應的電網(wǎng)法規或者計量要求，來(lái)確保計費準確性以及數據安全。

因此相比于交流充電樁，直流充電樁在輸出側的計量要求，認證門(mén)檻更高，開(kāi)發(fā)難度更大?？蛻?hù)往往不會(huì )采用計量模塊的自研方案，而偏向尋找高性能的直流電能表，直接滿(mǎn)足特定國家或地區的法規要求，來(lái)縮短整樁的項目周期和開(kāi)發(fā)成本。

萊姆智能電表可裝在直流充電樁靠近輸出槍側，或者充電終端內。為應對德國Eichrecht法規對于線(xiàn)損補償等精確計量的要求，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(guò)的數據包，充電樁內控制器可以將交易信息，直接與運營(yíng)商后臺、云端漫游服務(wù)器，或者手機APP服務(wù)商交互，從而完成一次“合法”的充電計費過(guò)程。

同時(shí)，萊姆智能電表可工作于雙向計量場(chǎng)景。當電動(dòng)汽車(chē)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(shí)滿(mǎn)足法規要求，從而助力電動(dòng)汽車(chē)車(chē)主實(shí)現“售電”的商業(yè)模式。 

三、DCBM電表簡(jiǎn)介

與常見(jiàn)的中國國標電能表相比，萊姆智能電表DCBM采用了分體設計。一方面方便樁內靈活安裝，另一方面也避免大電流發(fā)熱以及磁場(chǎng)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(xiàn)（Cable）三部分組成。

目前DCBM系列推出兩個(gè)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(hù)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一。如圖3所示，兩款電表最大區別在測量頭尺寸，帶顯示屏的表頭部分尺寸相同。

圖3. 萊姆智能電表DCBM外觀(guān)

3.1 測量頭簡(jiǎn)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(kāi)孔，可方便安裝在樁內合適的位置。

接線(xiàn)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，在現場(chǎng)可以實(shí)現快速安裝。

圖4. 萊姆智能電表DCBM安裝示意

3.2 連接線(xiàn)簡(jiǎn)介

連接線(xiàn)有30厘米至3.5米等多種長(cháng)度規格，以適應不同的場(chǎng)合需求，式樣為兩端帶自鎖的專(zhuān)用線(xiàn)纜。連接線(xiàn)按照3500V設計絕緣耐壓，安裝在充電樁1000V直流母排附近，對周?chē)邏涸陌惨庨g距影響非常小。線(xiàn)纜內部含屏蔽層，可加強智能電表的EMC性能。

同時(shí)，為滿(mǎn)足法規要求的數據加密傳輸，物理層面上客戶(hù)只允許使用原廠(chǎng)配套的連接線(xiàn)，并且需要測量頭和表頭一一配對。

每一套出廠(chǎng)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(huì )檢查測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，看到連接錯誤的提示，往往需要客戶(hù)檢查連接線(xiàn)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(shí)時(shí)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(guò)連接線(xiàn)，使用基于CAN通訊的萊姆自有協(xié)議，將100ms之內“實(shí)時(shí)數據”的平均值傳到表頭。表頭再處理生成滿(mǎn)足法規要求的交易信息數據包，通過(guò)網(wǎng)線(xiàn)HTTP/HTTPS協(xié)議，每秒上報一次給到樁體上位機。

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。除了向上位機通訊上報交易數據，用戶(hù)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。按照法規的要求，顯示還區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(xiàn)狀態(tài)、電表IP地址、本地日期，本地時(shí)間等內容，這些信息不受法規管控。用戶(hù)可以通過(guò)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(shí)時(shí)電量、電表S/N、固件版本號等內容，這些信息受法規管控。即萊姆智能電表DCBM每一臺出廠(chǎng)經(jīng)過(guò)PTB認證后，這些區域的內容都會(huì )做報備。用戶(hù)不能修改這些信息，只能通過(guò)上位機獲取電表上報的內容。

同時(shí)為防止交易信息被外部惡意篡改，按照法規要求，我們對電表的固件也不提供遠程升級服務(wù)。

四、結束語(yǔ)

萊姆智能電表DCBM，通過(guò)精巧的硬件和軟件設計，在新一代直流充電樁場(chǎng)景中，為高精度直流計量提供了可靠的解決方案。

關(guān)于LEM

萊姆作為電量傳感器領(lǐng)域的市場(chǎng)先導者，為客戶(hù)提供創(chuàng )新的技術(shù)和高質(zhì)量的電量測量解決方案。其核心產(chǎn)品為電流電壓傳感器，可廣泛應用于驅動(dòng)與焊接、可再生能源與電源、鐵路與軌道交通、高精度、傳統汽車(chē)與新能源汽車(chē)、智能電網(wǎng)及工業(yè)4.0等業(yè)務(wù)領(lǐng)域。萊姆的戰略在于發(fā)揮其核心業(yè)務(wù)固有優(yōu)勢的同時(shí)，開(kāi)發(fā)新的應用領(lǐng)域并在新的市場(chǎng)中尋求發(fā)展機遇。萊姆作為一家中等規模的全球化公司，在北京（中國）、日內瓦（瑞士）、町田（日本）、索菲亞（保加利亞）設有生產(chǎn)中心，各地的銷(xiāo)售辦事處能夠為全球客戶(hù)提供周到的服務(wù)。萊姆（LEM）集團于1986年在瑞士證券交易所上市（股市代碼：LEHN）。萊姆電子（中國）有限公司是萊姆電子在中國的全資公司，在各地區設有銷(xiāo)售辦事處，為中國客戶(hù)提供全球化的無(wú)縫服務(wù)。