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Apri la strada all'esame di certificazione con una misurazione dell'energia automatizzata, precisa e affidabile
Il numero crescente di veicoli elettrici immatricolati sta determinando una rapida crescita anche delle infrastrutture di supporto. Il Green Deal dell'UE ha come obiettivo 1 milione di punti di ricarica entro il 2025. Queste stazioni di ricarica devono essere conformi ai severi requisiti, tra gli altri, dell'"Eichrecht", in conformità alla direttiva 2014/94/UE del Parlamento europeo sullo sviluppo delle infrastrutture per i combustibili alternativi. Questa direttiva impone una misurazione precisa dell'energia da parte delle stazioni di ricarica, rispettivamente dei contatori di energia integrati. Per garantire la conformità ai requisiti governativi/UE del prodotto finito, è consigliabile accompagnare il processo di ricerca e sviluppo con un metodo di verifica della conformità adeguato, al fine di prepararsi all'esame di certificazione obbligatorio.
La Figura 1 illustra il collegamento di una stazione di ricarica EV alla rete e il veicolo elettrico con il flusso di energia durante la ricarica. Uno strumento di misurazione della potenza preciso come l'analizzatore di potenza della serie LMG600 può essere integrato in un banco di prova di conformità dai produttori di stazioni di ricarica e dagli istituti di certificazione. Può servire come standard tracciabile per la certificazione dell'esame di tipo ed è uno strumento di scelta per verificare il corretto funzionamento della ricarica in caso di dubbi.
Figura 1: Stazione di ricarica EV
Impostazione di misura
Le stazioni di ricarica sono dotate di una presa di ricarica singola o multipla di tipo 2, CCS, CHAdeMO o altro per fornire una ricarica in AC o in DC. I contatori di energia certificati integrati per ogni presa di ricarica misurano l'energia consumata per l'intero processo di ricarica. Il contatore comunica la sua lettura al backend del sistema per la fatturazione. Un tipico assemblaggio è mostrato nella Figura 2.
Figura 2: Struttura del contatore di energia della stazione di ricarica EV
Il modulo B, rispettivamente prova d'esame di tipo UE per la certificazione, prevede di verificare l'accuratezza dell'intero processo di ricarica confrontando l'energia misurata in ogni porta di ricarica con l'energia misurata da uno strumento di riferimento. Questo può essere un analizzatore di potenza preciso come l'LMG671 collegato tra il misuratore di energia e il veicolo elettrico. La Figura 3 mostra una possibile configurazione di misura con un analizzatore di potenza LMG671 come strumento di riferimento.
Figura 3: Configurazione di misura con LMG671 e sensore di corrente PCT
I segnali di tensione e di corrente vengono inviati all'analizzatore di potenza tramite scatole di derivazione. Le cadute di tensione che possono verificarsi sono in genere trascurabili. Per le spine di ricarica AC di tipo 2, la corrente non deve superare i 32 A e può essere collegata direttamente agli ingressi dell'analizzatore di potenza [1]. Una carica particolarmente rapida in corrente continua comporta valori di corrente di diverse centinaia di Ampere che richiedono un sensore di corrente molto preciso, come il sensore PCT con la sua eccezionale tecnologia Flux-Gate.
Inoltre, l'uscita a impulsi del contatore di energia è collegata all'ingresso di commutazione dell'interfaccia di segnale di processo (PSI) LMG671 [2], consentendo all'analizzatore di acquisire gli impulsi durante l'intero processo di ricarica per determinare l'energia misurata dalla stazione di ricarica. La procedura di esame del tipo specifica una misurazione su un numero minimo di salti della cifra del valore più basso, che corrisponde a un numero minimo di impulsi. Questo numero dipende dal dispositivo da caricare e dal punto di funzionamento scelto. Maggiore è la potenza di carica, maggiore è il numero minimo di impulsi prescritto. In caso contrario, la finestra temporale osservata sarà troppo breve e l'incertezza del clock interno avrà un'influenza eccessiva sull'accuratezza della misura osservata. La misura complessiva dell'energia comprende la rampa di salita e la rampa di discesa della stazione di ricarica, come illustrato nella Figura 4.
Figura 4: Impulsi del contatore di energia catturati ed energia misurata dall'analizzatore di potenza LMG600
Gli ingressi di commutazione dell'LMG671 sono campionati a 150 kHz. I segnali di impulsi standard del contatore di energia saranno catturati e contati in modo affidabile. A seconda del livello di potenza di carica e degli impulsi specificati per chilowattora del contatore di energia integrato, il tempo di ciclo di misura più rapido di 10 ms (o 20 ms se si considera un segnale a 50 Hz) consente di contare gli impulsi catturati quasi uno per uno. Questo è importante per garantire che il numero di impulsi catturati durante l'intervallo di integrazione dell'energia sia accurato.
L'analizzatore di potenza della serie LMG600 fornisce misure di potenza ed energia AC e DC di elevata precisione e una gamma completa di funzioni per eseguire test di conformità sulle stazioni di ricarica. Vengono misurati ed elaborati tutti i segnali necessari specificati nel test di verifica del tipo, in conformità con gli standard correlati come EN 50470-3 e IEC 61851-23. L'interfaccia di processo-segnale può acquisire direttamente e simultaneamente l'uscita a impulsi di diversi contatori di energia digitali installati nelle stazioni di ricarica per determinare l'energia misurata. L'interfaccia Gigabit-Ethernet, veloce e funzionale, garantisce un'integrazione affidabile nella configurazione del banco di prova per lo scambio e la post-elaborazione dei dati. ZES ZIMMER fornisce uno script python generico per la verifica della conformità. È possibile offrire un ulteriore supporto di ingegneria del software per implementare i requisiti specifici del banco di prova.
Integrazione e valutazione del banco di prova
Per integrare completamente l'analizzatore di potenza LMG600 in un ambiente di prova controllato a distanza, ZES ZIMMER può fornire su richiesta uno script generico che copre la procedura di verifica automatizzata descritta. Viene fornito con una classe python pronta all'uso e ben documentata, che include funzioni come apertura e chiusura dell'interfaccia, scrittura, lettura e molte altre. Possiamo offrire supporto ingegneristico per la personalizzazione in base alla vostra specifica configurazione e procedura di test, compresa la successiva valutazione dei risultati, esportati in qualsiasi formato comune necessario (L'esportazione CSV è già integrata). È possibile implementare le seguenti funzioni automatizzate:
Figura 5: Esempio di script python con esportazione dei dati di misura e dei risultati della valutazione
L'interfaccia Gigabit-Ethernet veloce e funzionale dell'LMG600 garantisce un'integrazione affidabile nella configurazione del banco di prova per lo scambio e la post-elaborazione dei dati. ZES ZIMMER fornisce uno script python generico per la verifica della conformità. È possibile offrire un ulteriore supporto di ingegneria del software per l'implementazione di requisiti specifici del banco di prova.
Misurare l'incertezza
L'accuratezza combinata dell'analizzatore di potenza e del sensore di corrente utilizzati deve essere molto elevata, altrimenti l'errore introdotto da entrambi domina la deviazione complessiva misurata dell'energia misurata dalla stazione di ricarica. La deviazione complessiva da esaminare alla fine è calcolata come:
Tali considerazioni sull'incertezza di misura possono essere calcolate anche per ogni punto di misura e ciclo di misura durante il processo di carica. Sebbene i moderni analizzatori di potenza siano in grado di assistere nella selezione del campo di misura (AutoRange), questo automatismo di supporto non è sempre vantaggioso. In caso di punti di misura rapidi e in continuo cambiamento, come le fasi di salita e discesa della rampa mostrate nella Figura 4, l'AutoRange può comportare frequenti cambi di intervallo, che a loro volta causano vuoti nelle misure a causa del tempo necessario per cambiare l'intervallo. Di conseguenza, molti cicli di misura non possono essere completati e devono quindi essere scartati. Il rimedio utilizzato nella pratica consiste nel passare manualmente a un campo di misura con un fattore di cresta sufficiente e adatto al punto operativo da raggiungere.
In questo modo si evita la costante commutazione dell'intervallo e le misure possono essere eseguite senza interruzioni. Tuttavia, per i punti di misura all'inizio della fase di salita della rampa (o alla fine della fase di discesa della rampa), ciò significa un elevato errore specifico con effetti considerevoli sulla deviazione complessiva della stazione di ricarica da valutare, poiché le specifiche di accuratezza degli analizzatori di potenza sono regolarmente descritte come ad es:
Questo ha un effetto che deve essere preso in considerazione quando si determina l'incertezza di misura nei cicli di misura. Lo stesso vale per la fase di discesa. I seguenti parametri devono quindi essere ottimizzati per l'intero processo di carica e la sua durata:
La norma IEC 61851-23 stabilisce i requisiti per le stazioni di ricarica per veicoli elettrici (EV) a corrente continua, comprese alcune norme relative alla pendenza minima delle rampe di corrente alternata, in modo da mantenerle il più brevi possibile per avere una ponderazione temporale ragionevole tra le fasi di salita, discesa e stato stazionario rispetto alla durata complessiva della misura.
La serie LMG600 fornisce misure accurate in corrente continua con il suo canale di potenza high-end di tipo A. Il dispositivo viene consegnato con un certificato di calibrazione riconducibile al PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Istituto Nazionale di Metrologia) o, su richiesta, con una calibrazione certificata DAkkS.
Quando si tratta di calcolare l'errore potenziale della misurazione dell'energia, è importante capire come lo strumento calcola la potenza e l'energia, cioè dove inizia e finisce esattamente la misurazione, quali campioni sono inclusi nel valore di misurazione e quali no. Solo così è possibile giudicare se i valori alla base delle letture dell'analizzatore di potenza corrispondono in misura sufficiente all'intervallo valutato dal contatore di energia. Non tutti i produttori sono trasparenti con questo tipo di informazioni e, anche se lo sono, potrebbero non offrire i mezzi per assicurarsi che l'analizzatore di potenza e il contatore di energia stiano osservando esattamente lo stesso periodo di tempo o con una deviazione temporale notevolmente bassa per il confronto. Lo script Python generico di cui sopra fa esattamente questo e garantisce che l'LMG600 di ZES ZIMMER misuri e valuti con la massima precisione possibile.
Per estendere il campo di misura della corrente dell'LMG600, i sensori della serie PCT, come illustrato nella Figura 6, offrono la massima accuratezza e sono inoltre supportati dalla funzione Plug' n' Measure, ovvero la scala e il campo vengono impostati automaticamente e i sensori vengono alimentati direttamente dall'LMG600. Con la migliore accuratezza DC di ± 0,0035 %, l'errore di corrente aggiuntivo all'LMG600 è notevolmente ridotto. I sensori PCT con funzione Plug' n' Measure sono disponibili con intervalli da 200 Arms (300 A di picco o DC) fino a 2000 Arms (3000 A di picco o DC) e anche oltre.
Migliore accuratezza DC PCT: ± 0,0035%
Figura 6: Sensore PCT
La massima precisione di ogni elemento del sistema di riferimento (analizzatore di potenza LMG600 + canale A + sensore PCT Flux-Gate) fornisce una solida base per il collaudo e la certificazione della misurazione dell'energia in una stazione di ricarica EV. Le influenze sull'incertezza di misura, sia sistemiche che metodiche, sono ridotte o del tutto evitate nell'ambito del quadro valido degli standard applicabili grazie al sofisticato controllo dell'LMG600. Per domande specifiche sull'integrazione del banco di prova e sulle procedure di verifica della certificazione di tipo, gli specialisti applicativi di ZES ZIMMER sono a disposizione per supportarvi con la loro esperienza.
Referenze
[1] La corrente non deve mai essere significativamente superiore a 32 Arms. In altri casi, si raccomanda l'uso di un sensore di corrente esterno come il PCT200.
[2] In un'applicazione particolare (certificazione dei contatori di energia) è possibile sincronizzare il ciclo di misura dell'LMG671 per tensione, corrente, potenza, energia e altri, con gli impulsi del contatore, ottenendo intervalli di tempo identici per la misura dell'energia tra il contatore e l'analizzatore di potenza. I dettagli sono descritti nella nota applicativa "Misuratori digitali DC serie LMG600".
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