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、以及数据安全的要求日益加严，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。
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。
l 满足欧洲法规EN 50470-1，EN 50470-3
l 满足德国法规PTB-A 20.1，PTB-A 50.7
l 满足国际电工委员会法规 IEC 62052-11
l 全温度范围精度Class B，-40℃～85℃
l 具备线损补偿，可适配四线液冷充电枪
l 实时监测电流、电压、温度、功率，电量
l 与上位机通讯采用HTTP/HTTPS网络协议
l 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。
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。
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。
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。
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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