引言

隨著新能源汽車的進一步普及,新能源汽車充電樁也在我們的生活里變得越來越常見。新能源汽車充電樁測試儀(以下簡稱充電樁測試儀)作為一款多功能且集成度較高的儀器,主要用于對新能源汽車充電樁進行校準。除了提供常規(guī)的充電相關(guān)參數(shù)校準以外,現(xiàn)在新推出的充電樁測試儀增加了時間校準的功能。本文基于國家重點研發(fā)計劃重點專項項目“空間導(dǎo)航與定位NOI技術(shù)集成及應(yīng)用示范”,討論了時間溯源在充電樁測試儀計量中的應(yīng)用。

1、時間源系統(tǒng)的搭建及工作原理

時間溯源系統(tǒng)由可被UTC(NIM)實時馴服、實時溯源的銣原子振蕩器結(jié)合GNSS共視技術(shù)組成，使區(qū)域時間頻率標準實時同步和溯源至UTC(NIM)。

GNSS共視法時間頻率傳遞技術(shù)是目前時間頻率遠距離高精度量值傳遞的主要方法之一利用全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)(Global Navigation Satellite System, GNSS)進行時間頻率傳遞?；竟ぷ髟硎窃谝活wGNSS衛(wèi)星的視角內(nèi),地球上任意兩個地點的原子鐘可以利用同一時刻收到的同一顆衛(wèi)星的時間信號進行時間頻率比對,工作原理如圖1所示。

圖1工作原理

Fig.1 Working principle

接收機內(nèi)置的時間間隔計數(shù)器測量GNSS秒脈沖信號與本地原子鐘秒脈沖信號的時差Δt^AGNSS和 Δt^BGNSS,兩地通過數(shù)據(jù)交互得到傳遞雙方參考時間及頻率之差。設(shè)地點A、B的原子鐘時間分別為 t^A和t^B,GNSS時間為t^GNSS,A、B兩地時差為Δt^AB,則有式(1)(2)和(3)。

經(jīng)過多次測量后可得到一系列的ΔtAB,由此可算出兩臺原子鐘在一段時間內(nèi)相對平均頻率差為式(4)。

式中,fA和fB為兩臺原子鐘的頻率;τ為平均時間間隔。

2、充電樁測試儀的時間溯源

常見的新能源汽車充電樁測試儀內(nèi)置了時鐘模塊，能實現(xiàn)實時的時鐘顯示通常顯示為XX時 XX分XX秒。根據(jù)JJG1148-2018《電動汽車交流充電樁檢定規(guī)程》和JJG1149-2018《電動汽車非車載充電機檢定規(guī)程》首次檢定時,充電樁的時鐘示值誤差應(yīng)不超過5s;后續(xù)檢定時,應(yīng)不超過3min。

對充電樁進行時間校準的實現(xiàn)方法是:確認充電樁測試儀已接收GNSS衛(wèi)星信號并且測試儀經(jīng)過充分的預(yù)熱后等待其時間達到穩(wěn)定的狀態(tài)在同一時間對測試儀和充電樁進行對時根據(jù)對時的結(jié)果設(shè)置充電樁的時間,使兩者的時間基本達到一致。

根據(jù)上文,充電樁的時鐘示值誤差應(yīng)不超過5s因此充電樁測試儀的時鐘誤差為±167s時,即可滿足對充電樁進行計量的要求。

鑒于大部分的充電樁測試儀和配備的時間頻率遠程溯源系統(tǒng)(以下簡稱溯源系統(tǒng))的顯示屏均只顯示到秒位測試儀時間溯源的方法可分為兩種，一種是針對兩者時間差≥1s的另一種是針對兩者時間差<1s的。

2.1時間差≥1s的溯源方法

時間差≥1s的時候溯源方法較為簡單，因為憑借人眼就能分辨出顯示屏上時間的差別。如果溯源的準確度只需要達到秒級別,那么只需通過讀數(shù)或者是拍照的方式記錄下測試儀和溯源系統(tǒng)的時間信息，兩者直接對比就能得出其時間差。

2.2時間差<1s的溯源方法

時間差<1s或溯源準確度高于秒級別的時候.只靠人眼讀數(shù)或者是拍照的方法是無法得出兩者的時間差的此時需要配合使用深存儲示波器進行校準。

2.2.1 測量系統(tǒng)搭建

此方法借助充電樁測試儀與溯源系統(tǒng)的目測對時快速判斷兩者的快慢及時間差是否超過1s.同時利用深存儲示波器的光標測量功能快速定位兩者的秒脈沖并測量時間差的數(shù)值。

測量系統(tǒng)搭建如圖2所示。

圖 2測量系統(tǒng)搭建

Fig.2 Construction of measurement system

分別從溯源系統(tǒng)的秒分配放大器輸出端和充電樁測試儀的秒脈沖輸出端引出一路信號接到示波器的任意一個通道。測量原理圖如圖3所示。

圖 3測量原理圖

Fig3 Measurement schematic diagram

2.2.2時間差的測量

打開示波器接人秒脈沖信號的通道,尋找各自的秒脈沖信號利用示波器的光標測量功能測量出兩路脈沖信號的差值。測量示意圖如圖4所示。

圖4兩路秒脈沖信號的差值測量

Fig.4 Difference measurement of two second pulse signals

如果通過目測,確定兩者時間差<1s,則示波器測量出的數(shù)據(jù)為兩者的時間差;如果兩者時間差>1s則目測得出相差的整秒數(shù)加上示波器測量的數(shù)據(jù)為兩者的時間差。

在相同條件下,重復(fù)測量時間差10次,測量結(jié)果如表1所示。

表1 10次獨立測量數(shù)據(jù)

Tab.1 10 independent measurements

由貝塞爾公式可得:

使用示波器光標測量時間差引人的最大誤差不超過士1%,為均勻分布,則標準不確定度：

示波器讀數(shù)分辨力引入的標準不確定度為:

溯源系統(tǒng)測量時間誤差不超過10ns引人的標準不確定度可忽略不計則合成標準不確定度為:

因此使用此溯源方法的擴展不確定度約為0.09x2=0.18ms(k-2)。

綜上所述此溯源方法,即使用示波器測量秒脈沖信號得出測試儀與溯源系統(tǒng)的時間差可提供毫秒級別的溯源準確度。

結(jié)論

本文基于新能源汽車充電樁測試儀的時間校準功能提出了該類儀器的時間溯源方法并且分析了其測量不確定度。

鑒于充電樁測試儀的時間校準功能還不算太完善其開放的用于時間校準或者配合溯源的接口配備不全導(dǎo)致溯源方法受限。例如目測對時這種方法是存在較大誤差的,因為測試儀使用的是液晶顯示屏刷新率較低其內(nèi)部時鐘發(fā)出的秒脈沖信號與實際在顯示屏上的時間變化存在較大的延遲。更準確的方法是測試儀與溯源系統(tǒng)的秒脈沖信號的對比。另外示波器的時間測量誤差較大，準確度只能達到毫秒級別如果希望達到微秒甚至是納秒級別的測量準確度就需要使用其他的時間測量儀器。針對上述問題下面提出幾點設(shè)想的改進方法。

1)增加時間顯示裝置的顯示位數(shù)。增加充電樁和溯源系統(tǒng)的時間顯示位數(shù)例如增加0.1秒的顯示位數(shù)就能加快<1s的時間差的測量速度;

2)規(guī)范充電樁測試儀的輸入輸出接口。為得到更準確的時間差測試儀除了現(xiàn)有的秒脈沖輸出接口外還應(yīng)配備頻率信號輸出、外參考頻率輸人、外參考秒脈沖輸入等接口確保數(shù)字時鐘能實現(xiàn)GNSS授時同步或外部參考同步;

3)選擇更高準確度的時間測量儀器。使用時間間隔測量儀SR620或頻率計53181A等可獲得比示波器更準確的時間差數(shù)據(jù)精度可達到ns級別。