交流充電樁互操作性測試系統設計研究

徐學釩 姜正德 徐帥 張靜

摘 要：隨著充電樁的不斷增加，針對充電樁的檢測也將需要投入一定的設備及人力。為滿足交流充電樁與電動汽車的互連互通的需求，提出交流充電樁與電動汽車之間互操作性的試驗方法和系統方案。文章設計交流充電樁互操作性測試的系統，由車輛控制器模擬盒裝置、電池模擬裝置、測試儀表等組成，精確測試交流充電樁充電控制過程、連接控制時序、充電異常狀態等測試內容，有效提高電動汽車使用安全性和可靠性。

關鍵詞：電動汽車；交流充電樁；互操作檢測；車輛控制器模擬盒

中圖分類號：TM910.6 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）22-0109-03

Abstract： With the increasing of charging pile， the detection of charging pile will need to invest in certain equipment and manpower. In order to meet the requirement of interconnection between alternating current （AC） charging post and electric vehicle， the test method and system scheme of the interoperability between AC charging post and electric vehicle are proposed. This paper designs an interoperable test system for AC charging pile， which is composed of vehicle controller simulator， battery simulator， test instrument and so on. Accurate testing of AC charging pile charging control process， connection control timing， charging abnormal state and other testing content， effectively improve the safety and reliability of electric vehicles.

Keywords： electric vehicle； AC charging pile； interoperability test； vehicle controller simulation box

引言

隨著新能源電動汽車的不斷普及，電動汽車充電樁作為新能源電動汽車基礎的配套設施，與電動汽車之間的互聯互通顯得越來越重要。在電動汽車充電過程中，電動汽車充電樁充電接口作為充電設施與電動汽車之間的“橋梁”，其工作穩定性與電動汽車、充電樁相互操作的一致性，將直接影響電動汽車充電安全。

交流充電樁是為電動汽車動力電池提供交流電能的供電裝置，作為目前普遍應用的充電設施，具有占地面積小、電路敷設方便、重量輕、體積小、充電穩定、效率高、抗震能力強等特點。已廣泛應用于電動轎車、混合動力車、電動客車、增程式客車、充換電站等領域，尤其適合在小區、公共停車場、工業園區等出行規律和作息規律的場所。目前各充電樁生產廠家、電動汽車生產廠家和認證機構對交流充電樁與交流電動汽車的測試，大多將重心放在充電樁與交流電動汽車各自本身的性能上，對交流電動汽車與交流充電樁之間的互操作性測試，還沒有行之有效的檢測設備。

本文針對上述問題，針對現有技術中無法實現交流充電樁與電動汽車之間互操作性檢測的問題，設計一種電動汽車交流充電樁車輛控制器模擬盒裝置，采用基于檢測單元的模擬器架構，解決現有技術中缺少對交流充電樁和交流電動汽車之間互操性的檢測設備的問題，實現了可以連接電動汽車的充電樁輸出的全面互操作一致性檢測，提高了檢測的全面性和側重性以及電動汽車使用安全性和可靠性，降低了電動汽車事故發生率。

1 互操作性測試系統設計

1.1 產品的設計基礎依據

作為一款交流充電樁的測試設備，產品最基本的要求應該滿足相關測試標準。測試接口的主要依據標準有：GB/T 18487.1-2015《電動汽車傳導充電系統第1部分：通用要求》、GB/T 20234.1-2015《電動汽車傳導充電用連接裝置第1部分：通用要求》、GB/T 20234.2-2015《電動汽車傳導充電用連接裝置第2部分：交流充電接口》、IEC 61851-1：2010《第11章 電動車輛傳導充電系統 第一部分：一般要求》、GB/T 34657.1-2017《電動汽車傳導充電互操作性測試規范》。

1.2 產品的設計原理

根據標準GB/T 34657.1-2017《電動汽車傳導充電互操作性測試規范》提出的直流充電樁直流充電檢測系統結構要求，檢測系統的工作示意圖如圖1所示。

將交流充電樁設置在額定負載狀態下運行，利用交流充電樁車輛控制器模擬盒、電池模擬裝置等來模擬真實電動汽車工況環境，對充電過程不同階段的正常或異常狀態模擬，測試條件可包含額定工況和參數正常范圍外的失效測試，其中車輛控制器模擬盒用于測試交流充電樁的充電控制過程、連接控制時序、充電異常狀態等測試內容；電池模擬裝置模擬電動汽車負載的功能；測試儀表對當次測試中的數據和圖像進行采集捕捉，完成對測試結果的評判。

2 交流充電樁互操作性測試系統設計

2.1 車輛控制器模擬盒裝置設計

以上述圖紙為依據我們初步設計車輛控制器模擬盒裝置的技術方案。設備面板如圖2所示。

車輛控制器模擬盒裝置包括充電樁輸出插座和車輛輸入插座、可變電阻、回路電阻、若干個檢測單元以及若干個隔離開關等。充電樁輸出插座和車輛輸入插座均包含有7個連接端子：L1、L2、L3、N、PE、CC、CP；L1、L2、L3和N為交流充電的功能端子，PE為保護接地端子，CC為電動汽車和交流充電裝置連接確認的信號端子，CP為控制端子。在檢測開關兩端分別設置的標準采集接口，上述各元器件基于檢測單元以及隔離開關彼此相互連接，配合工作。

根據標準GB/T 34657.1-2017第五章節的相關測試要求，車輛控制器模擬盒裝置帶有63A標準交流充電槍插座，帶有L1、L2、L3、N、PE、CP、CC各個觸點回路通斷的開關，可實現各路通斷故障狀態仿真模擬功能。車輛控制器模擬盒帶有R2電阻、R3電阻仿真等效電阻模擬功能，R2電阻調節范圍900～1799Ω，R3等效電阻調節范圍1800～4799Ω。車輛控制器模擬盒內置三相電流采集霍爾傳感器，可以通過外部電參數采集設備。車輛控制器模擬盒帶有L1、L2、L3三相負載接入接口，后接交流負載，可實現充電樁連接確認測試、充電階段測試、充電準備階段測試、正常充電結束測試、開關S2斷開測試、車輛接口斷開測試、PE斷針測試、CC中斷測試、CP斷電測試、CP接地測試、輸出過流測試、CP回路電壓限制測試等。

2.2 交流充電樁互操作性系統測試

交流充電樁輸出插座的L1端、L2端和L3端與車輛輸入插座的L1端、L2端和L3端通過線路連接，交流充電樁輸出插座的N端、PE端分別與車輛輸入插座的N端、PE端通過線路連接，連接線路上分別設置有通斷開關S1、S2、S3、S4和S5，開關兩側設置有信號采集點以及電流采集點。可調電阻模塊R4與開關S6并聯，并與可調模塊Rc、開關S11串聯，可調電阻模塊R4、開關S6與充電樁輸出插座的PE端連接，開關S11與車輛輸入插座的CC端連接。在信號采集過程中，示波器、錄波儀、功率分析儀等設備會通過插接柱插接于所述信號采集孔內與采集點電連接，從而獲得信號值并進行分析處理后顯示在各個儀器顯示屏上。

在測試過程中，充電樁的充電插頭插接在所述充電樁輸出插座上，電動汽車的充電插頭插接在所述車輛輸入插座上。插接完成后，會使得所述充電樁輸出插座的L1、L2、L3端和N端在交流充電樁互操作性測試過程中連接在交流充電樁充電插頭的L1、L2、L3端和N端，連接在充電樁內的交流電源上，充電樁輸出插座的PE端連接在充電樁內的接地端上。充電輸出插座的CC端和CP端連接在充電樁內的交流充電控制模塊上，車輛輸入插座的L1端和N端連接電動汽車的車載充電機。車輛輸入插座的PE端連接在電動汽車內的車身接地端上。車輛輸入插座的CC端和CP端連接電動汽車的車輛控制裝置。在連接狀態下，通過撥碼式開關的通斷控制操作箱內部電路上通斷開關的電接觸實現通斷開關的開通或關閉，以及可調電阻模塊的阻值調控，能夠實現在不同測試項目中進行電壓或電流的采集，采集到的數據進行分析處理獲得分析結果。

2.2.1 交流充電樁CP回路電阻測試

CP回路電阻測試目的是在控制導引電路上，當電動汽車使用非標準范圍內的電阻時，檢查供電設備是否能正常充電，分為上限值測試和下限值測試。

（1）上限值測試

狀態a：將車內CP回路電阻值（R2與R3并聯阻值）從標稱值（882Ω）調整至上偏差值（1254Ω），檢查被測設備信號采集點A21的電壓值和PWM輸入正負端的PWM信號；重新調整車內回路電阻為標稱值。

狀態b：閉合開關S8，并保持充電2min，重新將車內CP回路電阻值（R2與R3并聯阻值）從標稱值（882Ω）調整至上偏差值（1254Ω），檢查信號采集點A21的電壓值和PWM輸入正負端的PWM信號，以及交流供電回路中輸出電壓。

（2）下限值測試

狀態a：將車內CP回路電阻值（R2與R3并聯阻值）從標稱值（882Ω）調整至下偏差值（606Ω），檢查被測設備信號采集點A21的電壓值、PWM信號；重新調整CP回路電阻為標稱值，模擬閉合開關S8。

狀態b：閉合開關S8，并保持充電2min，重新將車內CP回路電阻值（R2與R3并聯阻值）從標稱值（882Ω）調整至下偏差值（606Ω），檢查信號采集點A21的電壓值和PWM輸入正負端的PWM信號，以及交流供電回路中輸出電壓。

2.2.2 交流充電樁CP中斷測試

CP中斷測試目的是在充電前和充電中，當CP中斷時，檢查供電設備是否能中止充電。

狀態a：模擬斷開CP線，并保持5s，檢查信號采集點A21的電壓值和PWM輸入正負端的PWM信號，以及交流供電回路中輸出電壓和電流。

狀態b：在正常充電過程中，模擬斷開CP線或打開開關S8，并保持5s，檢查信號采集點A21的電壓值和PWM輸入正負端的PWM信號，以及交流供電回路中輸出電壓和電流。

2.2.3 交流車輛CP回路電阻測試

交流車輛CP回路電阻測試目的是在控制導引電路上，當電動汽車使用非標準范圍內電阻，檢查電動汽車是否能正常充電，分為上限值測試和下限值測試。

（1）上限值測試

狀態a：將供電端CP回路電阻R1從標稱值（1000Ω）調整至上偏差值（2000Ω），檢查信號采集點A16的電壓值和PWM輸入正負端的PWM信號；重新調整供電端CP回路電阻為標稱值。

狀態b：閉合開關S8，并保持充電2min，重新將供電端CP回路電阻R1從標稱值（1000Ω）調整至上偏差值（2000Ω），檢查信號采集點A16的電壓值和PWM輸入正負端的PWM信號，以及交流供電回路中輸出電流。

（2）下限值測試

狀態a：將供電端CP回路電阻R1從標稱值（1000Ω）調整至下偏差值（500Ω），檢查信號采集點A16的電壓值和PWM輸入正負端的PWM信號；重新調整供電端CP回路電阻為標稱值。

狀態b：閉合開關S8，并保持充電2min，重新將供電端CP回路電阻R1從標稱值（1000Ω）調整至下偏差值（500Ω），檢查信號采集點A16的電壓值和PWM輸入正負端的PWM信號，以及交流供電回路中輸出電流。

2.2.4 交流車輛CP回路中斷測試

交流車輛CP回路中斷測試目的：在充電前和充電中，當CP中斷時，檢查電動汽車是否能中止充電。

狀態a：在充電前，模擬斷開CP線，并保持5s，檢查信號采集點A16的電壓值和PWM輸入正負端的PWM信號、開關S8狀態、交流供電回路中輸出電壓和電流。

狀態b：在正常充電過程中，模擬斷開CP線，并保持5s，檢查信號采集點A16的電壓值和PWM輸入正負端的PWM信號、開關S2狀態、交流供電回路中輸出電壓和電流。

上述測試中的電壓、電流等信號回路上的信號采集接口直接與示波器連接，通過示波器顯示測試波形，并進行分析。

3 結束語

為滿足交流充電樁與電動汽車的互連互通的需求，本文設計了一種交流充電樁互操作性測試系統，由車輛控制器模擬盒裝置、電池模擬裝置、測試儀表來模擬真實電動汽車工況環境，可以測試交流充電樁的充電控制過程、連接控制時序、充電異常狀態等測試內容。其中車輛控制器模擬盒裝置用于模擬充電樁和充電汽車充電接口，在不同測試項目下通過對通道回路開關的關閉或開通，以及對電阻阻值的不斷調控，來采集各個信號采集點的電壓或電流信號，從而根據電壓或電流信號的分析圖像來確認充電樁和充電汽車各種充電狀況，實現了交流充電樁和交流電動汽車之間的互操性，并且提高了電動汽車使用安全性和可靠性，降低了電動汽車事故發生率。

參考文獻：

[1]水盼盼.電動汽車交流充電樁控制導引系統的研究[J].中國科技縱橫，2017（16）.

[2]王濤，張東華，賀智軼，等.電動汽車充電樁的控制系統研究與設計[J].湖北電力，2011，35（1）：11-12.

[3]桑林，徐洪海，管翔.電動汽車交流充電接口控制導引電路試驗設計[J].電測與儀表，2013，50（2）：112-115.

[4]GB/T 18487.1-2015.電動汽車傳導充電系統第1部分：通用要求[S].北京：中國標準出版社，2015.

[5]GB/T 20234.1-2015.電動汽車傳導充電用連接裝置第1部分：通用要求[S].北京：中國標準出版社，2015.

[6]GB/T 20234.2-2015.電動汽車傳導充電用連接裝置第2部分：交流充電接口[S].北京：中國標準出版社，2015.

[7]IEC 61851-1：2010.第11章 電動車輛傳導充電系統 第一部分：一般要求[S].

[8]GB/T 34657.1-2017.電動汽車傳導充電互操作性測試規范 第1部分：供電設備[S].北京：中國標準出版社，2017.

[9]GB/T 34657.2-2017.電動汽車傳導充電互操作性測試規范 第2部分：車輛[S].北京：中國標準出版社，2017.

[10]周艷菊，于蓮雙，劉玉梅，等.電動汽車交流充電系統研究[J].變頻技術應用，2015（2）：51-55.