電動汽車充電設(shè)施互操作性測試方法研究*

朱彬，侯興哲，孫洪亮，劉永相，汪會財，龍羿

（國網(wǎng)重慶市電力公司電力科學研究院，重慶401123）

0 引 言

互聯(lián)互通問題一直困擾該電動汽車的推廣應(yīng)用，隨著電動汽車與充電設(shè)施的發(fā)展，對供電設(shè)備與電動汽車之間的互操作性測試變得尤為迫切。目前全國不同運營商的充電網(wǎng)絡(luò)間互聯(lián)互通尚未開展，導致跨區(qū)域、跨平臺充電困難。國家也專門出臺了加強充電設(shè)施的檢測認證，促進不同充電服務(wù)平臺互聯(lián)互通的指導意見［1］。

2011年底，國家正式發(fā)布了電動汽車傳導充電用連接裝置系列標準［2-3］，解決了國內(nèi)不同地方執(zhí)行不同標準，接口不能相互匹配的混亂局面［4］，對于規(guī)范和引導電動汽車設(shè)計生產(chǎn)、充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)運營起到了重要作用。但對于充電接口和通信協(xié)議標準的部分條款和技術(shù)細節(jié)規(guī)定不夠細致，對一些關(guān)鍵性的參數(shù)僅給出推薦值未限定范圍，導致不同車輛和充電設(shè)施之間不兼容。在此背景下，2015年年底，國家質(zhì)檢總局、國家標準委聯(lián)合頒布了電動汽車充電接口及通信協(xié)議5項國家標準。新國家標準進一步細化兼容性規(guī)定，比如規(guī)范了充電電壓的分類；對充電接口的額定電壓、電流進行了規(guī)定；增加了通信版本控制，明確了充電的時序邏輯和時間定義等。其中，GB／T 18487.1-2015對電動汽車傳導充電系統(tǒng)的通用要求進行了詳細規(guī)定［5］，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［6］，GB／T 20234.2-2015專門對交流充電接口進行了細致規(guī)定［7］。目前，最新的國家標準是電動汽車傳導充電互操作性測試規(guī)范第1部分：供電設(shè)備（報批稿），規(guī)定了電動汽車傳導充電互操作性測試對供電設(shè)備的檢驗規(guī)則、測試條件、測試項目、測試方法及合格評判，正在審查中。

本文介紹了控制導引電路原理，基于新國家標準和最新的傳導充電互操作性測試規(guī)范設(shè)計了交流充電樁和纜上控制與保護裝置（IC-CPD）互操作性測試裝置，并采用該裝置對互操作性各檢測項目進行了測試。

1 控制導引電路原理

當電動汽車充電時，應(yīng)使用控制導引電路進行充電連接裝置的連接確認及額定電流參數(shù)的判斷［8］。圖1是采用充電模式3（采用充電樁供電）連接方式B（帶有車輛插頭和供電插頭）的控制導引電路原理圖，圖2是采用充電模式2（使用了纜上控制與保護裝置）連接方式B的控制導引電路原理圖［5］。

2 檢測裝置

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

圖1 充電模式3連接方式B的控制導引電路原理圖Fig.1 Control pilot circuit theory diagram of chargingmode 3，case B connect

圖2 充電模式2連接方式B的控制導引電路原理圖Fig.2 Control pilot circuit theory diagram of chargingmode 2，case B connect

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

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

可編程交流電源給充電樁提供穩(wěn)定、可靠的電源，并可模擬市電的各種異常及干擾，還可模擬諧波，跌落，瞬斷等狀況，并測試在這些條件下充電樁的各項參數(shù)指標是否在國標范圍之內(nèi)。

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。

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(guān)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(jù)。

按照最新的電動汽車傳導充電互操作性測試規(guī)范要求［8］，可編程交流負載由純阻性負載組成，可單相獨立控制。

交流充電測試接口模擬器用于模擬車輛插座及車輛內(nèi)的控制導引電路，模擬導引電阻的變化、信號接地／斷路等故障、開關(guān)分合邏輯等。對各種情況的模擬方法及詳細實現(xiàn)方案如下：

絕緣模擬電阻和對應(yīng)模擬開關(guān)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；

接地電阻和對應(yīng)模擬開關(guān)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；

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1 723Ω［9］；

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；

車輛控制模擬器中與二次集控單元使用485進行通信，接收指令并返回內(nèi)部狀態(tài)。

3 檢測項目及結(jié)果

對交流充電樁和纜上控制與保護裝置（IC-CPD）可開展的互操作性測試項目如表1所示。

表1 可開展的互操作性測試項目Tab.1 Interoperability test items which can be carried out

3.1 連接確認測試

該項目測試目的為檢查充電樁是否能通過測量檢測點1或檢測點4的電壓值來判斷供電插頭與供電插座的連接狀態(tài)，并進入對應(yīng)的充電狀態(tài)。需檢測檢測點1的電壓值、PWM信號、檢測點4的電壓值及充電狀態(tài)，可通過示波器直接讀取。表2、表3為對送檢的某品牌交流充電樁（記為樣品1）的連接確認測試結(jié)果，表2中接口模擬器模擬具備開關(guān)S2的電動車，表3中接口模擬器模擬不具備開關(guān)S2（相當于圖3中S2常閉）的電動車。以下未特別說明的試驗結(jié)果，均指對樣品1的測試結(jié)果。可看出，表中狀態(tài)1時檢測點1的實測值偏高，需調(diào)節(jié)充電樁內(nèi)的12 V直流電源輸出，其他測試都符合要求。多個品牌的樣品測試表明，半數(shù)樣品檢測點1的電壓值超出了±0.8 V的范圍。

表2 連接確認測試結(jié)果（具備開關(guān)S2）Tab.2 Test results of connection confirm function（with switch S2）

表3 連接確認測試結(jié)果（不具備開關(guān)S2）Tab.3 Test results of connection confirm function（without switch S2）

3.2 充電準備就緒測試

該項目測試目的為檢查充電樁在檢測到車輛準備就緒時是否能啟動充電。模擬閉合開關(guān)S2，檢查檢測點1的電壓值、PWM信號以及充電狀態(tài)。從表4可以看出，在狀態(tài)3′時，供電回路正常導通，符合國標要求。

表4 充電準備就緒測試結(jié)果Tab.4 Test results of charging preparation

3.3 啟動和充電階段測試

該項目測試在充電過程中，檢查充電樁是否能通過PWM信號占空比告知其最大可供電能力。表5為充電樁產(chǎn)生的的PWM占空比。

根據(jù)PWM占空比與充電電流限值得關(guān)系，該充電樁的最大充電電流為［5］：該樣品額定電流為32 A，兩數(shù)據(jù)基本吻合。

表5 充電樁產(chǎn)生的的PWM占空比Tab.5 Test results of PWM duty-ratio generated by charging spot

3.4 正常充電結(jié)束測試

該項目檢查充電樁在滿足充電結(jié)束條件或收到車輛停止充電指令時是否正常充電結(jié)束，供電控制裝置應(yīng)能在100 ms內(nèi)控制開關(guān)S1切換到+12 V連接狀態(tài)，并通過斷開接觸器K1和K2切斷交流供電回路。表6為正常充電結(jié)束的測試結(jié)果，容易得出，檢測點的高低電平、頻率都符合要求，但停止時間超過了100 ms。大量測試結(jié)果表明，許多品牌的充電樁都存在停止時間超時這個問題。

3.5 充電連接控制時序測試

該項目檢查充電樁充電連接控制過程和間隔時間是否滿足要求。充電連接控制時序要求如表7所示。

表6 正常充電結(jié)束的測試結(jié)果Tab.6 Test results of normal charging end

表7 充電連接控制時序要求Tab.7 Timing requirements of charging connection control

表8為測試結(jié)果，可以看出，從狀態(tài)3’到狀態(tài)3、狀態(tài)2’、狀態(tài)1都存在時間超標的現(xiàn)象。測試結(jié)果表明，這種結(jié)果在許多品牌的充電樁上都存在。表明廠家對充電結(jié)束的控制時序間隔重視不夠。

表8 充電連接控制時序測試結(jié)果Tab.8 Test results of timing sequence requirements of charging connection control

3.6 CP斷線測試

該項目在充電前和充電中，分別檢查充電樁在CP斷線時是否能停止充電。按照標準要求，充電過程中出現(xiàn)該故障，供電控制裝置應(yīng)在100 ms內(nèi)斷開交流供電回路；充電前出現(xiàn)該故障，充電控制開關(guān)S1切換到+12 V連接狀態(tài)并不閉合供電回路。表9為模擬CP斷線時的測試結(jié)果。

表9 模擬CP斷線時的測試結(jié)果Tab.9 Test results of simulation CP disconnection

3.7 CP接地測試

該項目在充電前和充電中，分別檢查充電樁在CP接地時是否能停止充電。按照標準要求，充電過程中出現(xiàn)該故障，供電控制裝置應(yīng)在100 ms內(nèi)斷開交流供電回路。表10為模擬CP接地時的測試結(jié)果，可以看出，停止充電時間超時。

表10 模擬CP接地時的測試結(jié)果Tab.10 Test results of simulation CP grounding

3.8 保護接地導體連續(xù)性丟失測試

該項目在充電過程中，檢查充電樁在失去保護接地導體電氣連續(xù)性時是否能停止充電，電動汽車供電設(shè)備應(yīng)在100 ms內(nèi)切斷電源，表11為測試結(jié)果。

表11 保護接地導體連續(xù)性丟失測試結(jié)果Tab.11 Test results of protective grounding conductor continuity disconnection

3.9 輸出過流測試

該項目在充電過程中，檢查充電樁在輸出過流時是否能停止充電。當充電樁輸出的PWM信號對應(yīng)的最大供電電流≤20 A時，模擬充電電流超過充電樁最大供電電流+2 A，并保持5 s時，或當充電樁輸出的PWM信號對應(yīng)的最大供電電流＞20 A時，模擬充電電流超過充電樁最大供電電流的1.1倍，并保持5 s時，應(yīng)斷開輸出電源并控制開關(guān)S1切換到+12 V連接狀態(tài)。從表12得出，該測試樣品在9.636 s時依然為充電狀態(tài)，不符合要求。

表12 輸出過流測試結(jié)果Tab.12 Test results of output over-current

3.10 斷開開關(guān)S2測試

該項目在充電過程中，檢查充電樁在開關(guān)S2斷開時是否能停止充電，要求當車輛S2斷開（監(jiān)測點1的電壓值為9 V）時，供電控制裝置應(yīng)在100 ms內(nèi)斷開交流供電回路，持續(xù)輸出PWM。根據(jù)表13的測量結(jié)果，該樣品符合要求。

表13 斷開開關(guān)S2測試結(jié)果Tab.13 Test results of disconnect switch S2

3.11 CP回路電壓限值測試

該項目檢查充電樁對檢測點1的電壓值的判斷和響應(yīng)是否正確。在充電前或充電過程中，當檢測點1的正電壓值在對應(yīng)狀態(tài)下標稱值誤差范圍內(nèi)，充電樁應(yīng)允許充電或正常充電；當檢測點1的正電壓值超過對應(yīng)狀態(tài)下標稱值誤差范圍時，充電樁應(yīng)不允許充電或停止充電。根據(jù)表14的測量結(jié)果，該樣品符合標準要求。

表14 CP回路電壓限值測試結(jié)果Tab.14 Test results of loop voltage limit

4 結(jié)束語

供電設(shè)備與電動汽車之間的互操作性測試對電動汽車的推廣應(yīng)用起著特別重要的作用。本文首先介紹了控制導引電路原理，基于新國家標準和最新的傳導充電互操作性測試規(guī)范設(shè)計了交流充電樁和纜上控制與保護裝置（IC-CPD）互操作性測試裝置，詳述了互操作性各檢測項目的測試目的及評判依據(jù)，并對各檢測項目進行了檢測及分析。檢測結(jié)果表明，目前充電樁的互操作性測試主要存在以下問題：（1）半數(shù)樣品檢測點1的電壓值超出了±0.8 V的容許范圍；（2）充電連接控制時序不符合標準要求。（3）當充電樁在非正常條件下充電結(jié)束或停止時，不能在規(guī)定的時間內(nèi)斷開交流供電回路。