電動汽車充電設施自動檢測平臺設計*

朱彬，侯興哲，孫洪亮，劉永相，汪會財

（國網重慶市電力公司電力科學研究院，重慶401123）

0 引 言

根據《電動汽車充電基礎設施發展指南（2015－2020年）》（發改能源［2015］1454號），到 2020年，充換電站數量將達1.2萬個，充電樁將達到450萬個。我國電動汽車及其基礎設施呈現爆發式增長，產業發展進入快車道。然而一直困擾該行業的產品性能與互聯互通問題，也越來越突出。在安全運行方面，國內純電動汽車僅自燃事件就達到24例；在互聯互通方面，目前全國不同運營商的充電網絡間互聯互通尚未開展，導致跨區域、跨平臺充電困難［1］。

另外，國家關于加快電動汽車充電基礎設施建設的指導意見（國辦發（2015）73號）中專門提到加強充電設施的檢測認證，健全電動汽車和充電設備的產品認證與準入管理體系，促進不同充電服務平臺互聯互通。因此，有必要對電動汽車充電設施的性能、互操作性開展系統的檢測。

在2015年之前，充電設施檢測普遍采用的是行業標準NB／T 33008－2013電動汽車充電設備檢驗試驗規范，其中NB／T 33008.1－2013針對直流充電機、NB／T 33008.2－2013針對交流充電樁［2-3］。在2015年年底，電動汽車充電接口及通信協議五項國家標準頒布，GB／T 18487.1－2015對電動汽車傳導充電系統的通用要求進行了詳細規定［4］，GB／T 20234.1－2015對傳導充電用連接裝置的通用要求進行了細化［5］，GB／T 20234.2－2015專門對交流充電接口進行了細致規定［6］。目前，最新的國標是電動汽車傳導充電互操作性測試規范 第1部分：供電設備（報批稿）［7］，正在征求意見。

目前，對充電設施檢測方面的研究較少，相關的研究文獻不多。文獻［1］分析了電動汽車充換電設施一致性測試和互操作測試的必要性，介紹了測試結構示意圖以及在電力行業尤其是智能電網領域的應用。對文獻［8］介紹了一種電動汽車充電設施移動檢測平臺的研究和設計，開展了需求分析、方案設計，畫出了檢測示意圖，該平臺可對整車充電機、分箱式充電機和交流充電樁進行常規檢驗測試。文獻［9］介紹了電動汽車充電接口控制導引電路基本功能和工作原理，設計了一種在不同充電模式下各檢測點匹配電阻及電壓狀態試驗的方法。目前，檢測人員對充電設施電性能及互操作性的測試主要依靠人工逐項地進行檢測，手動讀取儀器儀表采集的數據，然后作出判斷［10］。檢測效率低下，工作量繁重，易出現人為檢測誤差，對檢測人員要求很高。因此，本文設將計并搭建電動汽車充電設施自動檢測平臺，實現對充電設施電性能及互操作性的自動檢測并生成測試報告。

1 硬件平臺

電動汽車充電設施自動檢測平臺設計原理圖如圖1所示，可完成交流充電樁通用電特性和互操作性的自動測試。該平臺主要由可編程交流電源、可編程交流負載、交流充電測試接口模擬器、示波器、高精度功率計、高性能數據采集卡、串口服務器、信號選通器及工控機等設備組成。

圖1 電動汽車充電設施自動檢測平臺設計原理圖Fig.1 Test equipment schematic diagram of A.C.charging spot and in－cable control and protection device（IC-CPD）

為滿足三相63 A充電樁的檢測要求，所選用的可編程交流電源為60 kVA，可輸出額定功率的0 VAC～300 VAC電壓，諧波電流低、對電網影響小。三相獨立帶載，每相可單獨啟動，滿足非線性充電模塊、充電機的帶載要求，具備2倍的額定電流沖擊能力。該交流電源給充電樁供電，用于模擬市電的各種異常及干擾，可以模擬諧波，跌落，瞬斷等狀況，并測試在這些條件下充電樁的各項參數指標是否在國家標準范圍之內。

可編程交流負載由純阻性負載組成，單相功率為17 kW，三相總功率為51 kW，可單相獨立控制，滿足單相和三相交流充電樁的測試負載要求。

交流充電測試接口模擬器可模擬導引電阻的變化、信號接地／斷路等故障、開關分合邏輯，配合電源和負載可完成交流樁電特性和控制導引測試，測試充電樁的對應電動車的兼容性，及非正常狀態的保護動作是否正確。

高精度數字功率計采集被測交流樁輸入和輸出的三相電壓、電流，計算電壓、電流和功率值。

高性能數據采集卡內置6位半數字萬用表，共20個通道。采集檢測點1（CP）、檢測點4（CC）的電壓值，作為傳導充電互操作性測試的判據。

信號選通器可完成14通道的信號選通，可程控選通，與示波器配合，實現對需采集信號的自動切換。

串口服務器可實現系統中可編程電源、可編程負載等各個設備的RS485通信匯集，與工控機完成數據交互。

工控機運行測試軟件，完成測試項目的自動控制，數據和波形采集，并自動生成報告。搭建完成后的自動檢測平臺如圖2所示。

圖2 搭建的自動檢測平臺Fig.2 Automatic detection platform

2 檢測方法

交流充電樁和纜上控制與保護裝置（IC-CPD）常規電性能和傳導互操作性測試的測試原理圖如圖3所示。

圖3 交流充電樁和纜上控制與保護裝置（IC-CPD）測試原理圖Fig.3 Test equipment schematic diagram of A.C.charging spot and in-cable control and protection device（IC-CPD）

對各種工況的模擬方法及詳細實現方案如下［9］：

絕緣模擬電阻和對應模擬開關接在L1與PE之間，模擬L1與PE之間絕緣電阻降低，引起被測充電樁漏電保護動作，可對剩余電流功能進行測試；

（1）接地電阻和對應模擬開關接在CC與PE之間，模擬CC接地故障；接在CP與PE之間，模擬CP接地故障；

（2）R2電阻模擬電路可模擬R2電阻的5個電阻檔位，分別為909Ω、1 261Ω、1 300Ω、1 339Ω和1723Ω，電阻精度0.2%F.S.，功率＞0.5 W；

（3）R3電阻模擬電阻可模擬R3電阻的5個電阻檔位，分別為1 820Ω、2 658Ω、2 740Ω、2 822Ω和4 610Ω，電阻精度0.2%F.S.，功率＞0.5W；

（4）車輛控制模擬器中主要以DSP為核心，IO輸入輸出和模擬量采集為外圍電路組成，與二次集控單元使用RS485進行通信，接收指令并返回內部狀態；

（5）通過 L1、L2、L3接口后級串聯的接觸器組合，可測試三相充電樁或單相充電樁；

（6）L1、L2、L3、N、PE、CP、CC各個觸點上均配置模擬開關，可模擬故障狀態；

（7）裝置留有IC－CPD和交流充電樁輸入電源專用插座和接口，可對IC－CPD和交流充電樁進行仿真測試。

功率分析儀采集被測設備輸入端三相電壓、電流和可編程交流負載上的三相電壓電流，其中電壓通過測試線直接采集，電流使用高精度電流傳感器直接采集。示波器采集檢測點1（CP）和檢測點4（CC）的電壓信號，以及S2開關位置信號、輸出電壓信號和輸出電流信號，作為傳導充電互操作性測試的判據。二次集控設備可通過遠程單獨或分項目對各個設備單獨操作，實現手動／自動測試，手動／自動采集數據，完成試驗項目的測試。

該平臺對于充電模式3中連接方式A和連接方式B場合都可進行模擬，適應場合更廣。對于充電模式3連接方式B中場合，使用一根不小于3米的直通交流充電槍電纜線進行連接，可實現對交流車輛的模擬。各個開關觸點和R2、R3電阻模擬電路中開關位置在面板上均有LED燈指示，方便本地檢測。針對交流充電樁和IC-CPD設備，交流充電測試模擬器分別給出供電專用接口，便于接插。

3 測試軟件

3.1 功能模塊

軟件采用開放的軟件架構，整合各種測試相關資源，控制管理各種測試設備（包括但不限于可編程交流電源、交流可編程負載、功率計、示波器），監測各測試設備的運行狀態，實現對測試流程、測試資源、測試綜合信息、測試數據、測試報告，以及測試規范和標準的統一管理，確保整個測試過程可控、測試資源可控、測試數據可控；確保數據的質量及其完整性和安全性。本系統提供二次可編程接口，實現用戶對測試業務、測試流程、數據處理、報告生成等的再次開發和定義任務。

人機界面包括測試參數設置、實時顯示、測試控制、狀態顯示、測試報告等功能。人機界面提供操作界面的效果、色彩、風格等方面的設置和編輯。客戶模塊通過數據傳輸接口與控制模塊進行通信。

控制模塊負責執行客戶服務模塊的命令，完成測試和數據采集。控制模塊收到測試指令后，調用測試設備和測量設備進行測試和數據采集工作。控制模塊同時負責設備接口管理。將硬件抽象化，通過設備接口驅動，對硬件進行管理、配置、監控、操作、數據交互等操作。當硬件發生變化時只需改變設備接口配置和參數即可，這樣就大大減少了未來設備更新、升級所帶來的軟件工作量。

數據模塊包括數據的采集、記錄和管理。其中，數據的管理包含對測試參數管理及測試結果管理。測試參數管理包含硬件配置參數管理、測試設備和測量儀器儀表的參數設置、測試任務的參數管理和測試任務的參數管理。硬件配置參數管理著所配各種儀器和設備的定義、連接協議和設置參數。

3.2 軟件操作

圖4為測試系統主界面。進入測試程序界面后可選擇測試程序，在每個測試程序中對應多個測試項目，可自由勾選。

圖4 EV綜合測試系統主界面Fig.4 Main interface of EV integrated test system

硬件配置界面可以對測試接口柜中各設備如電源、負載、示波器、功率計等進行配置。

在測試項目界面，選擇要編輯的測試項目，可以對測試項目中的程序命令進行修改，也可以添加對接口柜設備的控制命令。

點擊“項目執行”圖標，進入項目執行界面，選擇要執行的項目程序，在執行界面左側顯示當前項目的程序語句，右側可以觀察項目變量、原始報文等內容。

點擊“在線監視”，進入在線監視界面，可對示波器、功率分析儀、繼電器選通盒、電池電壓模擬電源、數字萬用表及可編程電源等各硬件設備進行設置。

當“項目執行”中的測試程序完成后，測試程序會自動以測試時間為名稱建立一個文件夾，里面包含所有的測試數據和圖片。

點擊“測試報告”圖標，進入測試報告界面，可選擇相應測試程序的報告模板，數據自動編譯生成測試報告。

4 檢測項目

4.1 通用電性能測試項目

可開展的交流充電樁通用電性能測試項目如表1所示，基本包含了交流充電樁通用電特性型式試驗所需的檢測項目。

表1 可開展的交流充電樁通用電性能測試項目Tab.1 Electrical performance test items of A.C.charging spotwhich can be carried out

充電連接方式檢查，采用目測的方式進行檢查，判斷交流充電樁及纜上控制與保護裝置的充電模式與連接方式，應符合GB／T 18487.1－2015。

帶載分合電路試驗，對交流充電樁進行啟停操作，檢查帶載分合電路時交流充電樁工作正常，不應出現損壞、死機、復位的現象。

連接異常試驗，交流充電樁在充電運行狀態下，將充電連接裝置連接確認觸頭斷開，進行充電操作，交流充電樁應不能啟動充電；交流充電樁在額定負載下進行充電，將充電連接裝置連接確認觸頭斷開，檢查交流充電樁應立即切斷輸出電源并發出告警提示。

控制導引試驗，檢測供電設備對保護接地導體連續性的持續監測能力，在失去保護接地導體電氣連續性的情況下，電動汽車供電設備應在100 ms內切斷電源；檢查電動汽車與供電設備是否正確連接；檢查當允許通電時，供電設備才向電動汽車供電；檢查當控制導引功能中斷，或控制導引信號不允許充電，或充電設備門打開等活動造成帶電部位露出時，是否能切斷對電動汽車的供電；檢查供電電流是否超過當前供電設備的最大供電電流。

過流保護試驗，交流充電樁在充電運行狀態下，人為模擬交流充電樁輸出過流故障，交流充電樁應立即切斷輸出電源。

剩余電流保護功能試驗，交流充電樁在充電運行狀態下，使用要求的限流電阻在充電回路中將相線與外殼短接，檢查交流充電樁應立即切斷輸入電源。

急停功能試驗，交流充電樁在充電運行狀態下，按急停按鈕，交流充電樁應立即切斷輸出電源并發出告警提示。

計量數據一致性試驗，可選用實負載法進行計量數據一致性試驗，檢查交流充電樁從電能表采集的數據與對應顯示的內容是否保持一致。

4.2 互操作性測試項目

可開展的交流充電樁互操作性測試項目如表2所示。

表2 可開展的交流充電樁互操作性測試項目Tab.2 Interoperability test items of A.C.charging spotwhich can be carried out

5 結束語

隨著電動汽車充電設施數量的日益增長，對其性能與互操作性的檢測變得特別迫切。文章設計并搭建了電動汽車充電設施自動檢測平臺，詳述了檢測方法及檢測項目，并編寫了相應的檢測軟件。該平臺可對全系列交流充電樁及纜上控制與保護裝置（IC-CPD）的電性能及互操作性進行系統的測試，自動檢測并生成檢測報告，檢測項目可靈活地管理，設備參數配置方便，無人為讀數誤差，檢測效率高。