基于虛擬儀器技術的電動汽車充電樁綜合測試系統

袁　軍，李　波，劉志凱，吳芳芳，董建洋

（1．國網浙江省電力有限公司電動汽車服務分公司，杭州　310012；2．浙江華電器材檢測研究所有限公司，杭州　310015；3．杭州艾參崴電力科技有限公司，杭州　310019）

0　引言

近年來，隨著全社會環保意識的加強，電動汽車作為新的交通工具愈加受到推崇。“十三五”期間，我國重點推進了電動汽車的生產及其相關充電設施的建設[1-2]。國內眾多城市如北京、上海、杭州、南京等已經推廣了電動公共交通工具。2015年我國新能源汽車呈現爆發式增長,產量37.9萬輛，同比增長3.5倍，中國也成為全球最大的新能源汽車的增量市場[3]。由于電動汽車的大量普及，市場對充電樁的需求量急劇增長[4]。國家電網公司宣布將進一步加快全國各地充電設施建設，到2020年實現電動汽車充電網絡覆蓋全國各地郊區縣[5]。充電樁作為給電動汽車提供能量的裝置，其可靠性與安全性關系到電動汽車的充電過程，對電動汽車的使用壽命也有及其重要的影響[6-7]。因此，定時對充電樁進行現場檢測，確保其可靠運行，是十分必要的。

由于充電樁數量多且分散，傳統的測試設備需要運輸至現場并完成現場組裝、接線、調試工作之后才可以對充電樁的運行狀態進行測試。文獻[8]對需要現場組裝的傳統測試儀進行了改進，提出了便攜式的充電樁測試儀，但是依然使用了傳統的測試儀器如示波器、功率測試儀等，使得測試儀本身不夠輕便且智能化程度不高。文獻[9]提出了便攜式直流充電設備檢測系統，該系統能滿足直流充電設備檢測需求，但是不適用于交流充電設備。文獻[10]提出了具有足夠寬電壓范圍的充電樁檢測平臺，能夠快捷地對各類充電樁進行常規測試，但其內部使用了大量測試儀表。

VI（虛擬儀器技術）指利用高性能的模塊化硬件，結合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動化的應用[11]。虛擬儀器由NI（美國國家儀器公司）提出，并在NI的硬件和圖形化編程語言LabVIEW的支持下得到各國工程師的青睞，由于其具有性能高、擴展性強、節約時間、無縫集成等優點，近幾十年來在電氣測量、控制、自動化領域得到廣泛的應用[12]。

以下結合充電樁測試現場工況，根據行業標準提出了基于VI的電動汽車充電樁綜合測試系統，系統集成了電壓、電流、波形檢測及錄波等多種測試功能，使之同時具備直流充電樁和交流充電樁的測試能力，并顯著地提升測試系統的便攜性，具有較好的現場應用價值。

1　測試要求

在與電動汽車相關的充電接口、交流充電樁、直流充電樁、充電站等方面，歐美國家走在了世界前列，早在2012年國際技術標準就有24項，其中IEC標準4項，JEVS標準10項，SAE標準10項[13]。

2010年，我國電動汽車充電設施標準化技術委員會結合充電設施建設，經過廣泛的研究和討論形成了包括6大類26項標準的充電設施標準體系框架[10]。2011年以來，為適應充電設施建設，標委會啟動了充換電設施標準體系的研究工作，在原有的充電設施標準體系的基礎上，形成了充換電標準體系框架[14]。

目前普遍應用的充電設施包括整車充電樁、分箱式直流充電樁和交流充電樁，按標準NB/T 33008.1-2013《電動汽車充電設備檢驗試驗規程第1 部分： 非車載充電機》[15]、 NB/T 33008.2-2013《電動汽車充電設備檢驗試驗規程第2部分：交流充電樁》[16]（為論述方便，文中將非車載充電機統一稱為直流充電樁）直流充電樁共有48項試驗，交流充電樁共有29項試驗，范圍涉及外觀檢查、功能試驗、安全保護與電磁兼容等。根據運行要求結合實際使用，為保證充電設備安全穩定運行，需要對充電設施定期進行以下檢測。

1.1　直流充電樁

需要對直流充電樁定期進行的試驗有：輸出電壓誤差試驗、穩壓精度試驗、輸出電流誤差試驗、穩流精度試驗、效率和功率因數試驗、紋波系數與諧波電流試驗、均流不平衡度試驗、限壓特性試驗、限流特性試驗、輸入過壓保護試驗、輸入欠壓告警試驗、輸出過壓保護試驗、輸出過流保護試驗、輸出短路保護試驗、反接保護試驗、通信功能試驗、急停保護與軟啟動試驗、BMS（電池管理系統）接口性能試驗、電池容量試驗[15]。

直流充電樁測試點要求如表1所示。

1.2　交流充電樁

需要對交流充電樁定期進行的檢測項目有：樁體檢查、一般連接檢查、顯示功能試驗、輸入功能試驗、通信功能試驗、計量數據一致性試驗、鏈接異常試驗、急停功能試驗、過流保護試驗[16]。

2　系統構架

2.1　綜合測試系統總體構架

表1　直流充電樁試驗點

完整測試系統包括充電樁輸出、負載、測量儀器與控制系統、接口輔助裝置。測試系統用電源模擬充電樁；用負載模擬電動汽車的車載充電系統；用測量儀器實現輸入輸出特性和控制引導電路參數；控制系統調度和管理整個系統的測量資源；接口輔助裝置用于將充電樁輸入輸出接入點及控制引導電路中的檢測點接出，方便測量儀器測量。其系統結構如圖1所示。

圖1　電動汽車充電樁綜合測試系統結構

2.2　綜合測試系統軟件結構

電動汽車綜合測試系統軟件部分采用Lab-VIEW編制，具備如下的虛擬儀器模塊：設備軟件板功能模塊、BMS系統模擬功能模塊、性能測試功能模塊、互操作性測試功能模塊、充電過程跟蹤功能模塊、設備信號配置功能模塊，如圖2所示。

圖2　電動汽車充電樁綜合測試系統軟件結構

2.3　綜合測試系統硬件結構

傳統的測試系統的測試主要采用分體式實際儀器組件，如示波器、錄波儀、電壓電流測試儀、功率分析儀等，由于體積較大外出測試時攜帶不便，且測試過程中需要更換儀器測試工作量較大。利用虛擬儀器技術，用NI公司PXI總線技術集成多功能板卡實現測試功能的模塊化，簡便易攜帶。綜合測試系統采用的硬件板卡見表2，開發的便攜式充電設備綜測儀實物如圖3所示。

表2　綜合測試儀硬件板卡

圖3　便攜式充電設備綜測儀實物

3　電動汽車充電樁綜合測試系統功能

3.1　設備軟面板

設備軟面板集成了CAN（虛擬控制器局域網絡）顯示、虛擬功率計、虛擬示波器、虛擬萬用表等虛擬儀器功能，如圖4所示。

（1）虛擬 CAN Monitor：檢測 CAN通信的狀態與報文。

（2）虛擬功率分析儀：采集充電樁的功率、效率、諧波等參數。

（3）虛擬示波器：采集充電樁的輸出紋波，以及測試動態的輸入/輸出電壓。

（4）虛擬萬用表：用于測試穩態的充電樁的輸入/輸出電壓。

圖4　設備軟面板界面

3.2　BMS模擬器

BMS模擬器能夠模擬車載BMS的通信功能，以通過充電接口控制充電樁按照要求調整電壓、電流[17]。BMS模擬器能夠模擬CAN通信、充電連接確認（CC1及CC2）等信號。基本參數包含“電池類型”、“電池系統額定容量”、“電池額度總電壓”等參數。其中，電池模擬器控制是由用戶自行編輯模擬電池的電壓-電量、電壓-SOC（荷電狀態）、電壓-時間等特性曲線，且具備根據工作過程中的電壓電流，自動計算已充電量。并控制電池模擬器按照曲線進行自動調壓，BMS模擬器按照曲線控制被試件輸出特性，充電過程曲線見圖5。

圖5　充電過程曲線示意

3.3　互操作性測試

測試項分為正常狀態測試和異常狀態測試。其中，正常狀態測試按照階段分為連接、自檢、準備、充電、結束和其他狀態。異常狀態主要是對充電階段進行測試。

3.4　充電過程跟蹤

充電過程中對充電樁的輸入/輸出電壓/電流信號、控制引導電路信號進行記錄，并對重要信號在用戶界面顯示：

（1）充電樁輸出電壓、電流等信號。

（2）充電樁實際輸出電壓曲線，充電樁實際輸出電流曲線，如圖6所示。

（3）PWM（脈寬調制波），如圖 7所示。

3.5　設備信號配置

設備信號配置主要用于配置輸入/輸出電壓、輸入/輸出電流的信號名稱和測試范圍。設備信號配置包括CAN通信、功率分析、供電電源、電池模擬器。

（1）CAN通信：能夠設置通信速率參數。

（2）功能分析：信號能夠配置信號類型、探頭名稱、探頭比例、信號范圍和輸出類型等參數。

（3）供電電源與電池模擬器能夠配置打開、關閉、配置、讀取等設備通信協議，用于兼容不同的硬件設備。

圖6　充電樁輸出波形界面

圖7　交流電樁輸出PWM波形示意

3.6　性能測試

測試內容涵蓋了充電樁的輸入、輸出、安全、保護等標準規定的測試，按照測試方法設計測試項。用戶可編輯包含多個測試項的測試序列，每次測試前可修改測試項的參數配置。

（1）輸入測試：輸入電壓、輸出頻率測試，功率因數和效率測試，啟動沖擊電流測試，低壓供電范圍測試，喚醒信號測試。

（2）輸出測試：輸出電壓/電流精度測試，輸出電壓范圍測試，輸出響應測試，電壓紋波系數測試。

（3）輸入輸出保護特性測試。

（4）保護測試：輸入/輸出電壓保護測試、過溫保護測試、短路保護、急停保護測試。其中急停保護測試波形如圖8所示。

4　系統測試數據

4.1　充電過程模擬

軟件在開始仿真后，對電池模擬器按照實際數據進行控制，主要是按照時間控制電子負載實現。仿真數據源設置，數據源有3種，分別是來自電壓電流的數據文件、來自CAN通信的數據文件和來自電池模型，如圖9所示。

（1）來自電壓電流的數據文件：在測試過程中，采集電池的電壓、電流所記錄下的文件。

（2）來自CAN通信的數據文件：在測試過程中，所記錄下的CAN通信數據文件。

（3）來自電池模型：由廠家提供的電池充電過沖中的電壓電流數據文件。

圖8　急停保護測試波形

圖9　電池模擬器測試曲線

4.2　充電過程通信測試

充電過程分為4個步驟，分別是充電握手、充電參數配置、充電、充電結束。在每個步驟過程中，充電樁與BMS之間的通信過程，測試過程符合GB/T 27930-2015《電動汽車非車載傳導式充電樁與電池管理系統之間的通信協議》，程流如圖10所示。

結果表明，該系統充電過程通信正常，并且能準確反映充電狀態。

5　結語

以上介紹了一種基于虛擬儀器技術的電動汽車充電樁綜合測試系統。使用該系統的充電樁測試設備具有便于攜帶、操作簡單的特點，適用于分布式、固定安裝的充電樁的測試，方便工作人員的使用，可以大大提高了充電樁測試效率，具有較好的現場應用價值。

圖10　充電過程通信測試