交流充電樁互操作性測試系統研究＊

郭昊，李藝超，劉凌飛

（1.天津職業技術師范大學 汽車與交通學院，天津 300222；2.天津動核芯科技有限公司，天津 300350）

前言

近年來，在國家和地方政策的鼓勵下，充電基礎設施伴隨著電動汽車的發展不斷增長。其中，對于私人而言，隨車配備的交流充電樁或便攜式纜上充電裝置成為為電動汽車補充電能的首選方式。在公共充電樁領域，中國電動汽車充電基礎設施促進聯盟發布的《2018-2019 年度中國充電基礎設施發展報告》中，2018 年12 月數據顯示，國內公共充電樁中交流樁數量為178364 臺，占比為54%[1]。交流充電樁將電網的交流電通過車輛接口傳輸給車載充電機，實現與電動汽車的充電過程控制，車載充電機將交流整流為直流后，給動力電池進行充電。交流充電樁的互操作性直接影響充電體驗與充電安全，為保證交流充電樁與電動汽車之間的兼容性，判定交流充電樁是否符合國家標準，國家標準《GBT 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》中規定了交流充電樁互操作性相關的試驗項目、試驗條件、試驗方法和合格評定。本文首先介紹了交流充電控制導引電路原理，根據國家標準給定的交流充電互操作性測試系統結構，提出了互操作性測試系統的設計方案，其中重點介紹了車輛控制器模擬盒的電路設計。

1 互操作性測試系統設計原理分析

電動汽車交流充電時，交流充電樁的主要功能是完成交流電能的輸出控制，簡單來說，交流充電樁在交流充電過程中只是起到接通和關斷交流電的作用。電動汽車與交流充電樁的信號交互是通過交流充電控制導引電路實現的，充電連接方式C 的交流充電控制導引電路，如圖1 所示。充電連接方式C 是指充電電纜與車輛插頭永久連接在交流充電樁上。在充電信號交互時，車輛控制裝置通過檢測CC 與PE 端之間的電阻值變化，判斷車輛接口是否完全連接，通過判斷RC電阻值確認充電連接電纜的電流承載能力。通過CP 端的PWM 信號的占空比確定交流充電樁的最大供電能力。當車輛和交流充電樁完全連接后，交流充電的功率回路導通。當車載充電機設定最大允許輸入電流后，車載充電機啟動[2]-[4]。

圖1 充電連接方式C 的交流充電控制導引電路

2 互操作性測試系統整體設計

根據圖1 可知，整個測試系統測試對象為交流充電樁，若設計檢測交流充電樁互操作性測試系統，需模擬完整的電動汽車端，包括符合國標的交流充電插座，交流充電信號模擬電路，動力電池模擬裝置。互操作測試系統與交流充電樁實現充電連接，完成與交流充電樁的信號交互和充電樁的功率輸出，從而模擬電動汽車測試整個交流充電過程中交流充電樁信號交互和充電過程控制。完整的互操作性測試系統可實現的測試功能在國標《GBT 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》中已經給出，實際的交流充電互操作性測試系統應可實現交流充電樁的充電狀態控制、充電連接時序、異常充電控制、充電控制導引回路等測試內容[5]。具體的測試項目已在國家標準中給出，包括各個測試項目的測試目的、測試方法及步驟、合格評判等內容。

國家標準《GBT 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》中給出了交流充電樁互操作測試系統的大致結構圖。如圖2 所示。整個測試系統中電動汽車交流充電信號模擬電路與標準車輛控制器模擬盒對應，動力電池模擬裝置對應標準給出的大致結構中的負載。其中車輛控制模擬盒是整個測試系統的關鍵電路部分。

圖2 交流充電樁互操作測試系統結構

3 互操作性測試系統硬件設計

根據標準中規定的測試系統大致結構以及互操作性測試系統的測試點要求，結合交流互操作性測試的詳細項目，設計了如圖3 所示的車輛控制器模擬盒相關電路。

在公共充電領域，交流充電樁常見的充電方式是連接方式C，圖3 中設計了充電連接方式C 對應的互操作性測試系統。測試系統中主要的測試點包括：檢測點1 處的電壓值，CP 回路的PWM 信號的占空比、頻率、上升時間、下降時間，檢查充電樁的充電連接狀態和充電狀態。

圖3 車輛控制器模擬盒電路原理

測試系統主要包括標準的交流充電插座、單相/三相電壓采集、電流采集模塊、可編程交流負載、開關S1、S2、S3、S4、CP 回路接地電阻、R2、R3 模擬電路、車輛控制模擬電路模塊、示波器、工控機等。為保證更高的兼容性，充電插座額定電流選擇63A。在執行測試時，交流充電槍直接連接至交流充電插座，在L1、L2、L3、N 電路中，在回路之間采集交流電壓，在L1、L2、L3 單獨的電路中，采用霍爾電流傳感器采集充電樁輸出電流。S1、S2、S3、S4 開關均由繼電器控制，在正常情況下，S1、S4 為常閉開關，S2、S3 為常開開關。在充電測試過程中，將可編程交流負載設置為定電流模式。以下對各個部件的主要功能進行詳細介紹：

（1）PE 回路開關S1，用于模擬PE 中斷故障，測試交流充電樁的充電過程控制。

（2）CC 回路用于測量充電槍內RC 電阻值，確定充電電纜的最大承載電流能力。

（3）CP 回路中S4 開關用于模擬CP 中斷故障。

（4）CP 與PE 之間120Ω接地電阻由S3 開關控制，用于實現CP 接地故障模擬。

（5）R2、R3 模擬電路用于CP 回路電壓限值測試。R2、R3 阻值可在500～2000Ω范圍內連續調整。

（6）車輛控制模擬電路模塊根據充電樁輸出的PWM 信號占空比、CC 回路RC 電阻值，確定可編程交流負載的輸入電流。

（7）工控機用于實現整個測試過程的測試流程控制，數據分析，測試評價等功能。

（8）示波器用于測量整個充電過程中的單相／三相交流電壓值、電流值，同時測量檢測點1處電壓值、PWM 信號的占空比、頻率、上升和下降時間。

4 互操作性測試系統軟件系統設計

互操作性測試系統軟件系統是集成在工控機上，控制互操作性系統中可編程交流負載，以及各個回路之間繼電器，實現充電線路的故障模擬，同時讀取示波器測試的電壓電流、占空比等信號，進行分析處理，完成測試流程和測試結果評價。軟件整體流程圖如圖4 所示。

5 結論

為保證現階段市場上的交流充電樁與國家標準的吻合性，完成交流充電樁互操作性測試，保證充電樁與市場上電動汽車的充電兼容性，實現更好的充電體驗，同時保證充電安全性，本文在國家標準的基礎上設計了交流充電互操作性測試系統，通過模擬電動汽車端電路，可完成交流充電樁出廠測試、充電樁現場維護、交流充電樁互操作性測試等內容，具體的測試項目因在標準中已詳細給出，故在本文中沒有一一列出。

圖4 互操作性測試系統軟件整體流程圖