引言

随着新能源汽车的进一步普及,新能源汽车充电桩也在我们的生活里变得越来越常见。新能源汽车充电桩测试仪(以下简称充电桩测试仪)作为一款多功能且集成度较高的仪器,主要用于对新能源汽车充电桩进行校准。除了提供常规的充电相关参数校准以外,现在新推出的充电桩测试仪增加了时间校准的功能。本文基于国家重点研发计划重点专项项目“空间导航与定位NOI技术集成及应用示范”,讨论了时间溯源在充电桩测试仪计量中的应用。

1、时间源系统的搭建及工作原理

时间溯源系统由可被UTC(NIM)实时驯服、实时溯源的铷原子振荡器结合GNSS共视技术组成，使区域时间频率标准实时同步和溯源至UTC(NIM)。

GNSS共视法时间频率传递技术是目前时间频率远距离高精度量值传递的主要方法之一利用全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System, GNSS)进行时间频率传递。基本工作原理是在一颗GNSS卫星的视角内,地球上任意两个地点的原子钟可以利用同一时刻收到的同一颗卫星的时间信号进行时间频率比对,工作原理如图1所示。

图1工作原理

Fig.1 Working principle

接收机内置的时间间隔计数器测量GNSS秒脉冲信号与本地原子钟秒脉冲信号的时差Δt^AGNSS和 Δt^BGNSS,两地通过数据交互得到传递双方参考时间及频率之差。设地点A、B的原子钟时间分别为 t^A和t^B,GNSS时间为t^GNSS,A、B两地时差为Δt^AB,则有式(1)(2)和(3)。

经过多次测量后可得到一系列的ΔtAB,由此可算出两台原子钟在一段时间内相对平均频率差为式(4)。

式中,fA和fB为两台原子钟的频率;τ为平均时间间隔。

2、充电桩测试仪的时间溯源

常见的新能源汽车充电桩测试仪内置了时钟模块，能实现实时的时钟显示通常显示为XX时 XX分XX秒。根据JJG1148-2018《电动汽车交流充电桩检定规程》和JJG1149-2018《电动汽车非车载充电机检定规程》首次检定时,充电桩的时钟示值误差应不超过5s;后续检定时,应不超过3min。

对充电桩进行时间校准的实现方法是:确认充电桩测试仪已接收GNSS卫星信号并且测试仪经过充分的预热后等待其时间达到稳定的状态在同一时间对测试仪和充电桩进行对时根据对时的结果设置充电桩的时间,使两者的时间基本达到一致。

根据上文,充电桩的时钟示值误差应不超过5s因此充电桩测试仪的时钟误差为±167s时,即可满足对充电桩进行计量的要求。

鉴于大部分的充电桩测试仪和配备的时间频率远程溯源系统(以下简称溯源系统)的显示屏均只显示到秒位测试仪时间溯源的方法可分为两种，一种是针对两者时间差≥1s的另一种是针对两者时间差<1s的。

2.1时间差≥1s的溯源方法

时间差≥1s的时候溯源方法较为简单，因为凭借人眼就能分辨出显示屏上时间的差别。如果溯源的准确度只需要达到秒级别,那么只需通过读数或者是拍照的方式记录下测试仪和溯源系统的时间信息，两者直接对比就能得出其时间差。

2.2时间差<1s的溯源方法

时间差<1s或溯源准确度高于秒级别的时候.只靠人眼读数或者是拍照的方法是无法得出两者的时间差的此时需要配合使用深存储示波器进行校准。

2.2.1 测量系统搭建

此方法借助充电桩测试仪与溯源系统的目测对时快速判断两者的快慢及时间差是否超过1s.同时利用深存储示波器的光标测量功能快速定位两者的秒脉冲并测量时间差的数值。

测量系统搭建如图2所示。

图 2测量系统搭建

Fig.2 Construction of measurement system

分别从溯源系统的秒分配放大器输出端和充电桩测试仪的秒脉冲输出端引出一路信号接到示波器的任意一个通道。测量原理图如图3所示。

图 3测量原理图

Fig3 Measurement schematic diagram

2.2.2时间差的测量

打开示波器接人秒脉冲信号的通道,寻找各自的秒脉冲信号利用示波器的光标测量功能测量出两路脉冲信号的差值。测量示意图如图4所示。

图4两路秒脉冲信号的差值测量

Fig.4 Difference measurement of two second pulse signals

如果通过目测,确定两者时间差<1s,则示波器测量出的数据为两者的时间差;如果两者时间差>1s则目测得出相差的整秒数加上示波器测量的数据为两者的时间差。

在相同条件下,重复测量时间差10次,测量结果如表1所示。

表1 10次独立测量数据

Tab.1 10 independent measurements

由贝塞尔公式可得:

使用示波器光标测量时间差引人的最大误差不超过士1%,为均匀分布,则标准不确定度：

示波器读数分辨力引入的标准不确定度为:

溯源系统测量时间误差不超过10ns引人的标准不确定度可忽略不计则合成标准不确定度为:

因此使用此溯源方法的扩展不确定度约为0.09x2=0.18ms(k-2)。

综上所述此溯源方法,即使用示波器测量秒脉冲信号得出测试仪与溯源系统的时间差可提供毫秒级别的溯源准确度。

结论

本文基于新能源汽车充电桩测试仪的时间校准功能提出了该类仪器的时间溯源方法并且分析了其测量不确定度。

鉴于充电桩测试仪的时间校准功能还不算太完善其开放的用于时间校准或者配合溯源的接口配备不全导致溯源方法受限。例如目测对时这种方法是存在较大误差的,因为测试仪使用的是液晶显示屏刷新率较低其内部时钟发出的秒脉冲信号与实际在显示屏上的时间变化存在较大的延迟。更准确的方法是测试仪与溯源系统的秒脉冲信号的对比。另外示波器的时间测量误差较大，准确度只能达到毫秒级别如果希望达到微秒甚至是纳秒级别的测量准确度就需要使用其他的时间测量仪器。针对上述问题下面提出几点设想的改进方法。

1)增加时间显示装置的显示位数。增加充电桩和溯源系统的时间显示位数例如增加0.1秒的显示位数就能加快<1s的时间差的测量速度;

2)规范充电桩测试仪的输入输出接口。为得到更准确的时间差测试仪除了现有的秒脉冲输出接口外还应配备频率信号输出、外参考频率输人、外参考秒脉冲输入等接口确保数字时钟能实现GNSS授时同步或外部参考同步;

3)选择更高准确度的时间测量仪器。使用时间间隔测量仪SR620或频率计53181A等可获得比示波器更准确的时间差数据精度可达到ns级别。

关键词:时间溯源 充电桩测试仪 应用

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来 源：广东省计量科学研究院

编辑：仪器仪表WXF

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