基于智能感應(yīng)的新能源汽車充電樁檢測技術(shù)研究

王 斌

(云南省電子信息產(chǎn)品檢驗(yàn)院，云南 昆明 650031)

0 引言

全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展一方面推動了人類社會的不斷前進(jìn)，另一方面也對環(huán)境造成了一系列影響，其中典型的就是交通出行帶來的碳排放和化石燃料的低效率消耗。新能源汽車作為典型的綠色交通工具之一，能夠直接通過儲能設(shè)備利用電能驅(qū)動車輛，從而實(shí)現(xiàn)零排放。盡管這種方式依賴各種發(fā)電、變電、輸電和儲電手段，也會涉及污染物排放，但規(guī)模化發(fā)電能盡量降低綜合污染，提升化學(xué)能的利用率，因此新能源汽車相對于傳統(tǒng)汽柴油內(nèi)燃車輛，本質(zhì)上依然是綠色環(huán)保的。到目前為止，新能源汽車已經(jīng)逐步成為主流出行方式之一。在新能源汽車推廣和普及過程中，充電基礎(chǔ)設(shè)施的完善是另一個重點(diǎn)，特別是充電樁的功能、性能和安全等，都是行業(yè)內(nèi)較為關(guān)心的問題[1]。本文從新能源充電樁的檢測技術(shù)入手，對智能感應(yīng)在其中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，提出了充電樁模擬檢測方案。期望通過本文的研究，新能源充電樁檢測領(lǐng)域的相關(guān)理論研究能夠更為豐富，檢測技術(shù)實(shí)踐有更多經(jīng)驗(yàn)可參照。

1 新能源汽車充電樁及其分類

隨著新能源基礎(chǔ)設(shè)施相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的逐步出臺，新能源汽車充電樁的種類、規(guī)格和標(biāo)準(zhǔn)也趨于統(tǒng)一，目前為止，根據(jù)充電供能類型分為直流充電樁和交流充電樁兩類。交流充電樁主要為帶有車載充電器的車輛提供交流輸入，無法根據(jù)充電場景調(diào)節(jié)功率大小；直流充電樁通常直接用于充電，無需中轉(zhuǎn)，可通過專有協(xié)議與車輛電池的BMS進(jìn)行協(xié)商，經(jīng)智能化控制和調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)充電功率的控制[2]。直流充電樁的充電效率較高，目前廣泛應(yīng)用于新能源充電樁領(lǐng)域，通常研究的充電樁也多為直流，本文主要圍繞直流充電樁展開討論。

1.1 直流單槍充電樁

單槍充電樁的結(jié)構(gòu)較為簡單，整套充電樁元器件只能同時服務(wù)一輛車，設(shè)備單向投入較高。而且通常只能實(shí)現(xiàn)大功率充電，需要在完成充電后人工介入調(diào)度，不僅對人力有較高要求，在應(yīng)對低功率車輛充電場景時也有資源浪費(fèi)。此外，單槍充電樁的升級改造較為困難，成本較高。

1.2 直流雙槍輪充充電樁

直流雙槍輪充充電樁結(jié)構(gòu)與單槍充電樁基本一致，但支持夜間充電，過程中無需人工介入。該結(jié)構(gòu)下由于配備了不同功率輸出的充電槍，充電樁功率和設(shè)備利用率較高，單充電槍可以獲得最大的充電效率。然而因其內(nèi)部能源分配策略為輪動策略，無法同時支持雙車充電，同樣，該充電樁的升級成本也較高[3]。

1.3 直流雙槍同充充電樁

雙槍同充充電樁是目前公共充電樁領(lǐng)域應(yīng)用和布設(shè)最廣泛的充電樁類型，其最典型的特征是雙槍可以同時充電，整套設(shè)備功率能夠被充分利用。然而雙槍同充時共享了同一套功能設(shè)施，因此充電功率只能相同，無法進(jìn)行動態(tài)分配。

1.4 一拖多群充充電樁

此類充電樁實(shí)際上是將傳統(tǒng)充電樁進(jìn)行擴(kuò)展，增加動態(tài)擴(kuò)充模塊，實(shí)現(xiàn)多充電頭的搭載。采用這種擴(kuò)充技術(shù)，傳統(tǒng)單充充電樁可以快速擴(kuò)展為多充充電樁，通過電力負(fù)載均衡，使得各充電槍分享單機(jī)的功率，實(shí)現(xiàn)批量充電。該方式盡管充電功率較低，但可以用時間換空間，在夜晚充電需求旺盛但時間不敏感的場景下，提升充電效率。

2 新能源汽車充電樁檢測標(biāo)準(zhǔn)及方法

2.1 新能源汽車充電樁功能及性能需求

要對新能源汽車充電樁檢測標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行探討，應(yīng)當(dāng)明確充電樁的普遍功能及性能需求，當(dāng)前主流的智能充電樁通常具備充電、斷電、自動識別、智能計(jì)費(fèi)、安全保障、人機(jī)交互和通信等能力[4]。從性能方面來看，充電樁的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)當(dāng)遵循如下參數(shù)。

(1)輸入電壓電流。充電樁輸入電壓電流要求如表1所示。

表1 充電樁常見輸入電壓電流要求

(2)工作環(huán)境要求。工作環(huán)境通常對溫度、相對濕度和海拔有一定要求。大部分充電樁應(yīng)當(dāng)滿足-20 ℃到50 ℃的工作環(huán)境溫度，5%～95%的相對濕度，同時能夠在海拔1 000 m以內(nèi)無差別安裝使用[5]。

(3)器件溫度要求。充電樁各部件有極限溫升限制，例如：功率器件極限溫升為70 K，半導(dǎo)體器件連接處極限溫升為55 K，母線連接處極限溫升為50 K，銅與銅連接處極限溫升為50 K，銅搪錫相互之間連接處極限溫升為60 K。

(4)電氣防護(hù)要求。電氣防護(hù)方面主要是過壓保護(hù)、欠壓保護(hù)、短路保護(hù)、絕緣監(jiān)測、防雷保護(hù)等。不同的絕緣電壓，有不同的絕緣試驗(yàn)等級要求，如表2所示。

表2 絕緣試驗(yàn)等級

(5)環(huán)境耐性要求。要求外殼防護(hù)等級不低于GB 4208—2008相關(guān)規(guī)定，即室內(nèi)IP30以及室外IP54；戶外安裝能夠承受GB/T 4797.5—1992中定義的最大風(fēng)速；能夠承受GB/T 17626.5—2008中定義的三級浪涌抗擾度試驗(yàn)。

(6)電磁兼容性要求。電磁兼容方面，能夠承受GB/T 17626.3—2006中定義的三級電磁場輻射抗擾度試驗(yàn)，特別在20 MHz～250 MHz范圍內(nèi)，準(zhǔn)峰值限值為40 dB；230 MHz～1 000 MHz，準(zhǔn)峰值限值為47 dB。

2.2 基本檢測標(biāo)準(zhǔn)及方法

本文對常用的非車載檢測場景進(jìn)行分析。首先，利用交流電源，模擬電網(wǎng)向充電樁接入帶有不同干擾類型的電源輸入，測試充電樁在面臨諧波、暫升暫降、瞬時中斷等不同情況下的處理能力。通常選用超過額定負(fù)載的可編程電源進(jìn)行測試[6]。其次，利用直流充電模擬器對車輛的直流電路系統(tǒng)進(jìn)行模擬，包括BMS、絕緣電阻、車輛供電等。通常情況下直流模擬器應(yīng)當(dāng)具備如下特性：(1)可配置250 A標(biāo)準(zhǔn)充電口，提供DC+，DC-，PE，S+，S-，CC1，CC2，A+，A-等，回路配備適當(dāng)?shù)耐〝嚅_關(guān)，實(shí)現(xiàn)故障仿真。(2)R3R4電阻可連續(xù)無極調(diào)節(jié)，阻值范圍500 Ω～3 000 Ω。(3)可進(jìn)行包括DC-與PE，DC+與PE間絕緣電阻的絕緣故障仿真。(4)S+，S-，CC1，CC2可模擬對低短路。(5)可通過CAN總線與BMS交互。(6)DC+，DC-的斷電開關(guān)可實(shí)現(xiàn)絕緣測試過程和充電過程中的閉合狀態(tài)。

直流負(fù)載和電池模擬，可模擬不同工作模式和待載模式，模擬功率、電流、電壓恒定的狀態(tài)，能夠無極調(diào)節(jié)上述參數(shù)，并滿足GB/ T 34657.1—2017《電動汽車傳導(dǎo)充電互操作性測試規(guī)范》“第1部分 供電設(shè)備”關(guān)于輸出電流調(diào)整時間和輸出電流停止速率的要求[7]。電池模擬部分，應(yīng)當(dāng)滿足多種電池的模擬要求，仿真多種電池包。產(chǎn)生電壓可調(diào)整范圍100 V～1 000 V。

2.3 智能感應(yīng)在充電樁檢測中的應(yīng)用現(xiàn)狀

智能感應(yīng)實(shí)質(zhì)上是一種概念描述，通常可以理解為兩層含義：(1)在電流電壓等參數(shù)的測量方面，可通過電壓和電流互感，對電流電壓進(jìn)行非接觸式的精準(zhǔn)測量。在充電樁檢測過程中，電流電壓的測量直接影響到檢測的各項(xiàng)指標(biāo)的比對，因此電流電壓的智能檢測十分重要。常見的電流電壓傳感器包括面向直流和面向交流的，在直流充電樁的檢測過程中，測量模塊集成的通常為直流電流電壓傳感器。(2)在智能充電樁的協(xié)議測試方面也存在智能感應(yīng)的概念。智能充電樁需要與新能源汽車的CAN總線進(jìn)行交互，并通過電源協(xié)議與車機(jī)和BMS進(jìn)行協(xié)商，實(shí)現(xiàn)充電過程的動態(tài)調(diào)整。這一方面，智能感應(yīng)主要體現(xiàn)在智能充電樁對協(xié)議的智能解析，以及充電樁對外輸出自身協(xié)議規(guī)范的過程上。通過接觸式和非接觸式通信方式，測試設(shè)備和真機(jī)能夠快速獲取智能充電樁的協(xié)議，并與之進(jìn)行對接，確保試驗(yàn)和真實(shí)運(yùn)行能夠順利進(jìn)行[8]。

3 直流充電樁模擬檢測方案設(shè)計(jì)

目前直流充電樁應(yīng)用范圍最廣，本文主要對直流充電樁的模擬檢測方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 電池模擬電壓源

充電樁的測試要從控制引導(dǎo)開始。樁體通常對蓄電池的電壓有特殊的檢測過程，必須對蓄電池電壓進(jìn)行模擬。在模擬源的選擇中，依照國標(biāo)設(shè)置300 V和600 V兩種電壓源，在輸出的時候能夠滿足各種充電樁對電池電壓檢測的需求，從而確保充電樁不被損壞，能夠驅(qū)動充電樁啟動引導(dǎo)。在實(shí)際的電壓電源模擬中，通常會增加1個二極管，通過并聯(lián)電壓對模擬設(shè)備和充電樁進(jìn)行保護(hù)，常見的模擬電路如圖1所示。

圖1 電池電壓模擬電路

3.2 控制引導(dǎo)電路

控制引導(dǎo)電路的實(shí)現(xiàn)，主要是為了模擬不同測試狀態(tài)的切換，例如正常連接充電、意外斷開、接地導(dǎo)體丟失等。控制引導(dǎo)電路中，充電樁一端的連接確認(rèn)主要通過CC1完成，這里需要增加可調(diào)電阻，阻值1 000 Ω。車輛模擬端CC2增加1 000 Ω電阻，并施加12 V電壓到槍口。通常還可通過調(diào)整阻值，對限值、超限值等情況進(jìn)行測試。

3.3 絕緣故障測試

絕緣故障測試部分，主要通過測試電阻在DC+和 PE，DC-和PE之間進(jìn)行對稱絕緣測試，此時施加的電壓是充電樁自身的額定輸出電壓。當(dāng)一輪測試結(jié)束后，對測試參數(shù)重新初始化，恢復(fù)初始化狀態(tài)并重新由充電樁自檢，然后才能進(jìn)行新的測試。若電阻在100 Ω/V到500 Ω/V之間，將電阻設(shè)置為240 KΩ,以測試絕緣是否有異常報警；若小于100 Ω/V，將電阻設(shè)置為48 KΩ,以滿足對絕緣故障提示的檢測。

3.4 采樣電路

采樣電路通常容易受到干擾，特別是充電樁的控制引導(dǎo)回路在接地時可能引發(fā)干擾誤差，需要通過線性隔離方式實(shí)現(xiàn)信號的處理。在實(shí)際的采樣電路中，通常選用車規(guī)級ACPL-C87BT芯片，以實(shí)現(xiàn)線性隔離，此后利用差分電路對所測目標(biāo)進(jìn)行采樣。

如圖2所示，通過AD620運(yùn)放進(jìn)行差分接入，將兩路電壓接地端與采樣回路實(shí)現(xiàn)線性隔離，最后利用AD采樣芯片進(jìn)行采樣。對充電樁輸出電壓電流、輔助電壓模擬的采樣也如上述邏輯進(jìn)行處理。

圖2 電壓檢測模擬電路

4 結(jié)語

隨著新能源電動車的發(fā)展，對充電樁的檢測技術(shù)提出了更高的要求。本文探討了基于智能感應(yīng)的新能源充電樁檢測技術(shù)，對當(dāng)前充電樁的實(shí)際需求進(jìn)行整理，并對當(dāng)前主流的檢測標(biāo)準(zhǔn)和方法進(jìn)行了論述，擴(kuò)展性地補(bǔ)充了智能感應(yīng)技術(shù)在檢測過程中的應(yīng)用，并對直流充電樁檢測技術(shù)所依賴的直流充電樁模擬檢測方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，期望本文的研究能夠?yàn)橄嚓P(guān)工作提供啟示。