電動汽車直流充電接口互操作性測試與分析

朱崇明 倪亞佳

[摘 ? ?要]首先介紹開展電動汽車直流充電接口互操作性測試的背景。在此基礎上，圍繞測試裝置執行的技術路線、針對電動汽車充電過程發生故障的自動分析定位方法（包含充電設備核心元器件的失效機理與模型建立、充電設備運行可靠性評價指標體系及各部件壽命預測技術、充電設備及元器件質量評價等）展開分析。重點對電動汽車直流充電接口互操作性測試裝置的構成（包括設計原則、軟硬件構成及作用原理、優缺點等）展開分析。

[關鍵詞]電動汽車;直流充電接口;互操作性測試;失效機理;故障自動分析定位

[中圖分類號]U469.72 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）05–00–03

Interoperability Test and Analysis between DC Charging Interface and Electric Vehicle

Zhu Chong-ming，Ni Ya-jia

[Abstract]Firstly，This Paper Introduces the Background of Interoperability Test of Dc Charging Interface of Electric Vehicle.on This Basis，the Analysis is Carried out Around the Technical Route Executed by the Test Device and the Automatic Analysis and Positioning Method for the Failure of Electric Vehicle Charging Process （including the Failure Mechanism and Model Establishment of Core Components of Charging Equipment，the Operation Reliability Evaluation Index System of Charging Equipment and the Life Prediction Technology of Various Components，the Quality Evaluation of Charging Equipment and Components， Etc.）.the Composition of the Interoperability Test Device for Dc Charging Interface of Electric Vehicle （including Design Principle，Software and Hardware Composition，Action Principle，Advantages and Disadvantages，Etc.） is Analyzed.

[Keywords]electric vehicle;dc charging interface;interoperability test;failure mechanism;automatic fault analysis and location

與傳統的燃油汽車相比，電動汽車部分或完全將車載電源作為動力（有部分混合動力汽車，同時具備兩種動力來源）。這種類型的汽車由于在行駛過程中不會直接產生溫室氣體及其他污染物，故被認為對環境造成的影響相較于傳統燃油汽車更小。盡管具有良好的研發和應用前景，但總體來看，目前市面上所有的電動汽車在技術層面均未進入完全成熟的階段。比如電動汽車的充電問題是困擾很多車主的主要問題。相較于傳統燃油汽車可以在極短時間內加滿油箱，電動汽車的充電速度多達數十分鐘甚至數小時。不僅如此，電動汽車的直流充電口可能因各種原因而陷入異常工況，導致無法順利充電。本文主要介紹一種針對電動汽車直流充電接口的互操作性進行測試的裝置，并對該裝置的運行效果進行分析。

1 電動汽車直流充電接口互操作性測試背景

電動汽車市場前景廣闊，且受包括環保在內的諸多政策的影響，電動汽車未來大有全面取代傳統燃油汽車的趨勢（現階段僅限于小型車輛）。隨著純電動汽車以及可充電混合動力汽車社會保有量的逐漸增加，社會整體對電動汽車基礎充電設施在數量、質量方面的需求也越來越大。這實際上揭示了兩個核心問題：①目前，我國電動汽車的充電樁在絕大多數地區的分布情況不盡如人意，很多電動汽車車主都在感嘆“充電樁不好找”，很多時候都會為尋找充電樁而苦惱。②包括充電樁在內的電動汽車充電設施在綜合性能方面存在很多不足，如充電樁出現故障導致無法充電，充電過程中發生漏電、過流、過壓等現象，導致車輛及人身出現傷損等。現階段，有關電動汽車充電設施電氣安全保護的研究還比較少，而且大部分保護（如過壓、過流等）通過判斷采集的數據是否超過閾值決定下一步的動作。這種保護模式在功能方面略顯單一，在實際應用時經常受到較大的制約?；诖?，必須設計出一種能夠準確定位到實際的故障位置、能減少保護的誤動作率、提高充電設備電氣安全保護準確性的測試裝置。

2 電動汽車直流充電接口互操作性測試裝置構成

2.1 測試裝置技術路線

針對電動汽車直流充電接口的互操作性（或綜合性）測試裝置進行設計之前，必須明確以下內容：導致電動汽車直流充電接口互操作性下降或完全失效的原因為機械或機械零件在使用過程中，由于尺寸、形狀、材料的性能或組織發生變化而引起的機械或機械零件不能完成指定的功能，或者機械構件喪失了原設計功能的現象[1]。常見的失效形式包含機械性變化失效、材料變化失效、接觸性失效、絕緣功能失效等。基于此，設置測試裝置的主要測試路線為：在直流充電接口互操作性能下降時，測試裝置系統能夠對諸多潛在的失效模式、可能產生的后果進行比較全面的分析，最終確定失效發生位置、原因，判斷失效產生的不良后果的嚴重程度，并提前采取針對性的預防措施。具體的技術路線為，使用PHM（Prognostics and Health Management）傳感器感知系統，配合數據分析功能，對電動汽車直流充電接口的互操作性能進行診斷，對是否發生故障及故障的嚴重程度進行預測[2]。這種故障判定思路并不陌生，在我國多個領域都有應用先例。如在各行各業已經廣泛應用的“自動化監測系統”的構建原理為：在重要的電氣/機械設備、線路處設置傳感器、PLC等裝置，對設備及線路處于正常工作狀態時對應的某種參數進行收集。之后根據大量數據反饋，確定設備及線路運行參數的正常區間。如果發現某設備或某段線路的溫度、壓力等參數超過正常值，自動化監測系統便會發出異常警報，或是根據系統數據庫內預先存儲的應對方案進行自動化處理。本文介紹的針對電動汽車直流充電接口互操作性能的測試裝置在運行控制原理層面與上述模式無本質差異，但在功能控制方面進行了升級。

2.2 針對充電過程中故障的自動分析定位方法

測試電動汽車直流充電接口互操作性是否出現失效情況的首個重點考慮內容為：必須在充電裝置復雜的模塊構成體系中，確定造成功能失效的原因所在區域。基于此，需要按照以下三道程序，完成故障自動定位分析系統的建立。

2.2.1 面向電動汽車充電設備核心元器件的失效機理與模型研究

首先需要了解電動汽車充電設施的運行原理，包含典型大功率充電、有序充電、雙向充放電充電設備等。需要利用系統功能需求分析法對其系統各模塊分別進行功能架構，按照系統結構層分別解析并分類各層模塊內部核心元器件構成[3]。在此基礎上，運用PHM技術路線，完成對充電設備中多種核心元器件進入充電時效狀態時的工況感知?？梢圆捎玫木唧w方法為：基于小波包技術，對充電設備核心元器件的數據信號進行分析，并將時域信息轉換成頻域特征信息。在此基礎上，還應對關鍵性的失效特征信號進行精確提煉，可采用的技術為人工神經網絡方法，確定失效核心器件來自系統內的哪一個模塊，至此便完成了“失效定位”。

2.2.2 充電設備運行可靠性評價指標體系及各部件壽命預測技術研究

“2.2.1”介紹的內容僅僅是對“充電設施發生故障”這一特點時段進行故障定位，屬于“事后性質”。更加先進的一種故障測試檢測思維在于：應該做好“前瞻性預測”。實現方法為，建立充電設備運行可靠性評價指標體系，根據基礎數據和運行過程中產生的數據，對充電設施內多種設備、元器件的使用壽命進行預測。如果發現某元器件、設備的參數已經大幅度下滑，可以理解為“該元器件、設備的使用壽命已經大幅度滑落，在未來一段時間內出現故障的概率會大幅度增加，需要提前解決這一潛在風險項”。為了保證評估結果的準確性，需要根據充電設備指標的建立原則和國家標準以及行業標準，分別從技術、經濟、環境和安全等方面選取充電設備評價指標，明確計算方法和指標范圍，以此作為壽命預測技術的評價標準。

2.2.3 基于安全運行、檢測大數據的充電設備及元器件質量評價技術研究

構成電動汽車充電設施的諸多元器件和設備中，由于生產廠家、生產工藝均可能存在差異，故即使在運行過程中，相關運行參數在當前時段處于正常范圍內，也有可能在下一時段突然出現故障。因此，為了提高對充電設施元件、設備使用壽命的預估的準確性，需圍繞實時運行狀況、運行年限、運行環境這三方面深入分析充電設備的運行狀況，進一步分析充電設備的投運前狀態、故障缺陷及異常記錄、檢修記錄。除此之外，還需考慮到充電設備工作環境具有多重不確定性，導致充電設備運行數據的采集會存在較大誤差，因此采用基于非結構化數據建模法對充電設備的運行數據進行預處理以保證采樣數據的有效性。

2.3 電動汽車直流充電接口互操作性測試裝置構成

2.3.1 裝置的設計原則

電動汽車直流充電接口互操作性測試裝置設計期間，應該遵循三項原則：①標準化原則。測試裝置必須完全符合國家、行業相關標準以及現行規范，務必保證測試裝置達到檢測要求，且應當遵循國際標準和規范化的軟件開發流程進行系統的設計、編碼、測試和聯調。②具備擴展性（兼容性）原則。電動汽車具有廣闊的發展前景，在未來，電池、電力系統、充電系統的性能都會得到提升。為了適用后續電動汽車充電接口互操作性能融合測試的需求，當前的測試裝置必須具有較強的可擴展性和兼容性。③高效性原則。整個測試過程必須簡單、高效、準確性強。

2.3.2 測試裝置硬件部分的設計

硬件設備構成為：負載箱、網線（線纜）、電動汽車充電接口互操作性能融合測試裝置。

電器回路的拓撲設計：根據設備規格方面的要求，擬采用整機輸出250 A的整體方案，控制直流輸出的裝置為直流接觸器。在此基礎上，還需為三相交流輸入回路配置防雷模塊，輔助電源支路擬采用單相交流電輸入模式。經過檢測，經開關的電源整流輸出為DC 12 V/10 A，能夠為電動汽車提供BMS工作電源或是啟動車輛直流接觸器等[4]。

主要硬件元器件共分為三大類別：

（1）交流側。①塑殼斷路器的作用為：電流超過額定狀態時迅速切斷電路。②交流接觸器，具備快速分合交流主回路的功能。③電涌保護器，主要具備防雷功能，能夠保護設備在接受測試時不會受到雷擊作用而被損壞。

（2）直流側。①充電槍，是連接車輛電流輸出接口的主要裝置。②熔斷器，主要作用為：在直流回路發生短路故障時能夠有效保護整個電路。③分流器，可以對直流回路的電流進行輔助測量。④輸出接觸器，主要對直流輸出回路進行控制，可執行接通、關斷作業。

（3）其他元器件。①控制器，對整個重點系統進行總體控制，并與BMS進行信息交互和響應充電需求，采集電動汽車充電接口綜合性能融合測試裝置狀態信號及控制各部件動作。②開關電源，能夠將AC 220 V轉換為符合控制器的供電電壓。③輔助電源：能夠將AC 220 V轉換為DC 12 V，并為BMS提供輔助電源。

基于各種硬件的電動車直流充電樁口互操作性測試裝置的主回路設計思路為：①三相交流輸入斷路器主要用于交流輸入保護，內置遙信觸點和分勵開關。②三項輸入接觸器用于交流輸入控制，同樣內置遙信觸點。③直流輸出接觸器用于對直流輸出進行控制。④直流熔斷器主要用于過流保護和短路保護。⑤設置直流殘壓泄放回路，作用為防止殘余電壓造成沖擊。⑥設置絕緣監測功能電路，主要用于對測試過程是否處于絕緣狀態進行監測，確保全過程處于接地狀態。

完成電路搭設之后，還需基于“模塊化控制”思路，完成測試裝置的整體搭建。包括主控模塊（樁、柜）和充電接口模塊，主要實現通信功能、電氣件狀態的采樣和控制等功能。①通信功能實現方面：主控模塊、溫濕度控制器、直流電表等均采用485通信;充電接口模塊、充電模塊、計費模塊均采用CAN通信。②控制供能裝置除了上文提到的直流/交流接觸器、泄放裝置之外，還應包括電子鎖、風扇控制器等。

2.3.3 測試裝置軟件部分的設計

測試裝置的主控模塊包括A、B兩個模塊。其中，A模塊是整個測試裝置的邏輯控制核心，為了實現相關控制功能，需要搭配多個通信接口和部分I/O口，基于CAN總線通信（對應其他模塊）、485通信（對應兩個主控模塊）實現對整個裝置的數據收集與協調控制。測試直流充電接口互操作性能時的程序控制邏輯為：①必須對充電槍插頭處的電壓進行實時監測，電壓異常時模塊A發布“斷開輸出”指令，防止充電過程中充電槍被拔出時接口帶電。②進行絕緣檢測前，應重點檢查車輛接觸器的狀態，應避免電動汽車充電接口互操作性能測試裝置輸出電壓對車輛電池造成沖擊。③接觸器閉合之后，應對充電接口輸出電壓電流前，直流正負母線上的電壓是否處于安全狀態進行監測。④與車輛通訊系統連接后，應對BMS報文狀態進行檢測，確保BMS程序出現異常時不會導致充電失控狀態。B模塊的主要功能為監視充電柜體的工作環境，包含溫度、濕度等數據，并可以控制風機、除濕器等環境調整部件，實現與充電模塊的信息交互，交流回路的遙控。

2.3.4 測試裝置的優缺點分析

2.3.4.1 先進性和創新點方面

能夠滿足多種使用環境、自然氣候環境，且測試人員即使專業性不強，也可以按照使用說明書進行監測。此外，由于測試系統充分考慮了安全接地、防雷、防觸電等危險因素，整個測試過程的安全性極高。

2.3.4.2 現存問題

針對電動汽車充電樁進行檢測時，由于充電樁協議版本存在差異，故缺乏權威性，且具體檢測結果尚未得到市場檢驗。

3 結束語

介紹的電動車直流充電樁口互操作性測試裝置首先考慮的內容為：電動汽車異常充電過程中發生故障時，定位系統應該實時記錄直流充電設備的運行工況、車輛動力電池等狀態數據，發生充電異常時對電壓、電流、通信報文及電氣件狀態進行錄波并分析，自動分析故障原因進行故障定位。在此基礎上，圍繞電動汽車直流充電接口互操作性測試裝置應用過程中必須重點考慮的設備完備性、測試實時性、準確性、環境試驗性等要素，完成了硬件構成、軟件程序控制算法的設計。最終呈現出的結果為：測試裝置的靈活性極強，可根據實際情況自由調整控制程序，并且可以有效模擬充電過程中的各種反向故障，從而提高充電樁在實際使用中的安全性。

參考文獻

[1] 陳浩，曲鈺，黃海寧，等.電動汽車直流充電樁互操作性檢測系統設計研究[J].電子測試，2021（24）：125-126，99.

[2] 萬偉江，周俊，蔡劍，等.電動汽車非車載充電機互操作性測試研究[J].浙江電力，2021（1）：78-86.

[3] 郭昊.電動汽車充電系統現場互操作性檢測裝置研發[D].天津：天津職業技術師范大學，2020.

[4] 陸春光，徐韜，袁健，等.電動汽車直流充電樁互操作性檢測系統設計[J].電工電氣，2019（12）：45-49.