電動汽車交流充電樁檢測裝置的設(shè)計研究

賴德鵬 唐偉萍 周 新 王貞仁

電動汽車交流充電樁檢測裝置的設(shè)計研究

賴德鵬1唐偉萍1周 新2王貞仁1

（1.廣西電力職業(yè)技術(shù)學院，廣西 南寧 530007；2.北京華晟經(jīng)世信息技術(shù)股份有限公司，北京 101111）

近年來，隨著新能源汽車快速普及，新能源汽車充電設(shè)施需求也急劇攀升。而充電樁安裝使用過程中，會出現(xiàn)充電異常等故障，充電樁檢修則急需一種具有輕型化、操作簡單、使用空間小、便于攜帶等特點的交流充電樁檢測裝置，以解決充電樁充電過程中出現(xiàn)故障等問題。交流充電樁檢測裝置對解決交流充電樁充電過程中的故障問題意義重大，一種便攜、輕便、精準的交流充電樁檢測裝置能有效節(jié)省充電樁安裝、排故中所需要的時間，極大地提高解決問題的效率。文章設(shè)計研究一種便攜的、輕型的、高效的交流充電樁檢測裝置，對于推動電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)具有現(xiàn)實意義。

電動汽車；交流充電樁；檢測裝置

引言

根據(jù)發(fā)改委印發(fā)的《電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南（2015至2020年）》來計算“十三五”期間充電設(shè)備的市場空間。2015年至2020年，我國共需要新建充電站1.2萬座，其中公交車、出租車、專用車的充電站分別為3848、2462和2438個；到2020年，我國的新能源公交車、出租車、專用車的保有量將分別達到20萬、30萬、20萬輛[1]。2016年國家就制定了電動汽車的充電基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)范，對經(jīng)濟發(fā)達、車輛密度大的地區(qū)進行新能源汽車的試點工作，以解決人們電動汽車的充電問題[2]。2022年1月，國家發(fā)展改革委等部門聯(lián)合印發(fā)了《國家發(fā)展改革委等部門關(guān)于進一步提升電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)保障能力的實施意見》（發(fā)改能源規(guī)〔2022〕53號），意見提出，到“十四五”末，我國電動汽車充電保障能力進一步提升，形成適度超前、布局均衡、智能高效的充電基礎(chǔ)設(shè)施體系，能夠滿足超過2000萬輛電動汽車充電需求。隨著大量的電動汽車充電樁的安裝使用，充電樁充電過程的安全問題也隨之出現(xiàn)。交流充電樁使用過程中，出現(xiàn)充電異常等故障，交流充電樁檢修則急需一種具有輕型化、操作簡單、使用空間小、便于攜帶等特點的交流充電樁檢測裝置，以解決充電樁充電過程中出現(xiàn)故障等問題。

目前，市面上交流充電樁檢測裝置普遍存在操作復雜、體積龐大、檢測過程中存在不能精準找出故障問題的缺點。交流充電樁檢測裝置對解決充電樁充電過程中的故障問題意義重大，一種便攜、輕便、精準的充電樁檢測裝置能有效節(jié)省充電樁安裝、排故中所需要的時間，極大地提高解決問題的效率。本文提出一種區(qū)別于現(xiàn)有新能源汽車交流充電樁檢測領(lǐng)域的交流充電樁檢測裝置；結(jié)合維修技術(shù)人員操作過程中的需求，提出以模擬充電信號、充電效果測試作為研究方向的交流充電樁檢測裝置。基于以模擬充電信號、充電效果測試作為研究方向，本文設(shè)計研究一種便攜的、輕型的、高效的交流充電樁檢測裝置，對于推動電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)具有現(xiàn)實意義。

1 設(shè)計思路

1.1 國內(nèi)外電動汽車傳導充電技術(shù)領(lǐng)域研究現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢分析

查閱國內(nèi)外相關(guān)資料文獻了解到，目前國內(nèi)外交流充電樁故障檢測的裝置主要有：負載充電樁檢測裝置、一體式充電樁檢測裝置、移動式充電樁檢測裝置。

1.1.1 基于負載充電樁檢測裝置的分析

（1）功能現(xiàn)狀：利用電動汽車作為負載，進行充電樁的檢測分析；

（2）水平優(yōu)勢：準確檢測充電樁的故障問題，進行故障分析排除；

（3）發(fā)展趨勢技術(shù)難點：需要電動汽車作為負載進行檢測條件，檢測維修充電樁過程中需要利用電動汽車等問題。

1.1.2 基于一體式充電樁檢測裝置的分析

（1）功能現(xiàn)狀：充電樁檢測裝置自帶功能模擬模塊，進行充電樁的檢測分析；

（2）水平優(yōu)勢：很好地檢測充電樁的故障問題，進行故障分析排除；

（3）發(fā)展趨勢技術(shù)難點：

①因為配備了功能模擬模塊，檢測裝置體積龐大；

②在充電樁檢測過程中，存在需要的操作空間過大、操作繁瑣等問題。

1.1.3 基于移動式的充電樁檢測裝置的分析

（1）功能現(xiàn)狀：該檢測裝置采取充電插頭的電流與電壓，充電插頭通過可調(diào)式非線性電阻與單片機連接，通過可調(diào)式非線性電阻連接電源給充電插頭提供電源，所述單片機的通信口通過網(wǎng)線連接在交流充電樁的通信口，該單片機連接有通信模塊與遠程廠家通信進行充電樁的故障檢測。

（2）水平優(yōu)勢：

①移動式檢測裝置，攜帶方便；

②避免了電樁廠家派專業(yè)人員到現(xiàn)場逐一查找故障的麻煩；

③采用箱體式的設(shè)計，體積較小，增加靈活度。

（3）發(fā)展趨勢技術(shù)難點：

①需要廠家遠程通信檢測，通信訊號不能保障，不能確保故障解決情況；

②功能單一，不能保證準確率。

1.2 交流充電樁檢測裝置總體設(shè)計整體思路

本研究項目選擇為充電樁生產(chǎn)安裝調(diào)試，設(shè)計制作一種具有輕型化、操作簡單、使用空間小等特點的交流充電樁檢測裝置。通過交流充電樁檢測裝置車輛充電插座、漏電保護開關(guān)、液晶顯示屏、車輛充電啟停開關(guān)、CP測試端、PE測試端、負載接口、鋁合金面板的合理布局、設(shè)計，形成穩(wěn)定的操作系統(tǒng)，在技術(shù)上具有可靠性，包括裝置關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計。根據(jù)電動汽車交流充電工作原理，檢測裝置考慮到充電廠商、安裝施工人員及電動汽車車主實際的充電需求，考慮操作簡單智能化、產(chǎn)品性能安全化、裝置輕量化、信息傳遞實時精確性、設(shè)備成本低、耐用的檢測裝置的總體結(jié)構(gòu)和功能要求，并綜合考慮安裝現(xiàn)場具有輔助檢測、維修、不同時間和空間情況下，交流充電樁檢測裝置的多樣性和耐用性設(shè)備配置，確定交流充電樁檢測裝置整體系統(tǒng)設(shè)計方案和總體布置方案。

1.3 交流充電樁檢測裝置技術(shù)指標

根據(jù)交流充電樁檢測裝置總體設(shè)計整體思路，設(shè)計一種具有輕型化、操作簡單、使用空間小等特點的交流充電樁檢測裝置需具備以下技術(shù)指標：

（1）指標一：交流充電樁檢測裝置的輕型化，以便于使用技術(shù)人員攜帶方便；

（2）指標二：交流充電樁檢測裝置的功能設(shè)計，適用于所有歐標交流充電樁；

（3）指標三：交流充電樁檢測裝置的使用空間小，以便于在狹窄空間簡單快捷操作；

（4）指標四：交流充電樁檢測裝置的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計，原則上能符合行業(yè)交流充電樁檢測裝置功能要求，安全、耐用、精確及預留個性定制可擴展功能。

1.4 交流充電樁檢測裝置產(chǎn)品創(chuàng)新點

（1）解決社會汽車移動需求的痛點問題。

充電樁生產(chǎn)廠家組裝好準備出廠的充電樁，需要進行充電測試，以預估充電樁售后企業(yè)維修人員在面對車主反饋車輛不能上電充電等故障情況。交流充電樁檢測裝置需具備輕型、操作簡單、使用空間小的特征，以解決充電售后工程師應急外出，方便進行快速檢測維修的問題。

（2）抓住關(guān)鍵電動汽車傳導充電技術(shù)探索。

交流充電樁檢測裝置采用人性化手提把的箱體；安全防護鎖、兒童安全防護門、高阻燃PC顆粒面板、短路保護、漏電保護等電氣防護設(shè)計用于保護人身及設(shè)備安全；智能控制主板，采用大屏藍膜全視角液晶屏，防水鉆紋，人性化拉手等精細工藝；充電一鍵啟動開關(guān)，負載五孔輸出接口，預留可擴展更多功能電量累計、溫度測試、交流電壓、交流電流、時間計時、藍牙數(shù)據(jù)監(jiān)測等；操作簡單，采用彩色電路，配置操作手冊。

（3）提出輕型化與結(jié)構(gòu)布局設(shè)計結(jié)合。

本項目所研究的是設(shè)計制作一種人性化手持式的交流充電樁檢測裝置，具有輕型化、操作簡單、耐用、安全、精確等特點的交流充電樁檢測裝置，適用于所有歐標交流充電樁安裝測試，采用人性化手持式交流充電樁檢測裝置，結(jié)合電動汽車傳導充電連接裝置通用要求，模擬車輛充電啟停，充電一鍵啟動功能，液晶顯示屏各數(shù)值精確讀取。

2 裝置設(shè)計研究

2.1 交流充電樁檢測裝置的總體構(gòu)形

交流充電樁檢測裝置總體構(gòu)形基于技術(shù)指標一的需求：裝置的輕型化，以便于使用技術(shù)人員攜帶方便。交流充電樁檢測裝置防護箱體由強韌、輕質(zhì)的HPX樹脂材質(zhì)注塑而成，IP67防水等級，-40 ℃～99 ℃耐高低溫，防撞擊、防塵。定制EVA內(nèi)襯，保護設(shè)備臺面的同時，緩沖運輸使用過程中的振動[3,4]、屏幕配備液晶顯示屏、外觀采用手提式設(shè)計。該總體構(gòu)型的設(shè)計，便于裝置的移動，使用過程中實現(xiàn)精確、安全、耐用；通過人性化手提式設(shè)計方便交流充電樁檢測裝置的操作。

2.2 交流充電樁檢測裝置的操縱機構(gòu)

交流充電樁檢測裝置的操縱機構(gòu)基于技術(shù)指標二：交流充電樁檢測裝置的功能設(shè)計，適用于所有歐標交流充電樁。該裝置的操縱機構(gòu)使用按鈕方式，同時配備彩色充電樁電路、并配置有產(chǎn)品操作說明，實現(xiàn)裝置的操作簡單化，以利于維修技術(shù)人員快速操作。

2.3 交流充電樁檢測裝置的外形體積

交流充電樁檢測裝置的外形體積基于技術(shù)指標三：交流充電樁檢測裝置的使用空間小，以便于在狹窄空間內(nèi)簡單快捷操作。為方便交流充電樁檢測裝置檢測操作，設(shè)計本裝置總體結(jié)構(gòu)小、形狀合理，可實現(xiàn)裝置便于在車輛沒電不能挪車的情況下使用，在狹窄的空間內(nèi)也可進行簡單快捷的操作。外觀設(shè)計如圖1所示。

圖1 充電樁檢測裝置外觀設(shè)計圖

2.4 交流充電樁檢測裝置的工藝設(shè)計

交流充電樁檢測裝置的面板設(shè)計基于技術(shù)指標四：交流充電樁檢測裝置的結(jié)構(gòu)布局設(shè)計，原則上能符合行業(yè)交流充電樁檢測裝置功能要求，安全、耐用、精確及預留個性定制可擴展功能。交流充電樁檢測裝置的精工細節(jié)中采用PC顆粒面板、兒童安全防護門的設(shè)計、人性化拉手。

2.5 交流充電樁檢測裝置系統(tǒng)裝調(diào)方案

根據(jù)電動汽車交流充電工作原理，檢測裝置考慮到充電廠商、安裝施工人員及電動汽車車主實際的充電需求，考慮操作簡單智能化、產(chǎn)品性能安全化、裝置輕量化、信息傳遞實時精確性、設(shè)備成本低、耐用的檢測裝置的總體結(jié)構(gòu)和功能要求，并綜合考慮安裝現(xiàn)場具有輔助檢測、維修、不同時間和空間情況下，交流充電樁檢測裝置的多樣性和耐用性設(shè)備配置，確定交流充電樁檢測裝置整體系統(tǒng)設(shè)計方案和總體布置方案。

3 控制原理

3.1 電動汽車傳導充電用連接裝置設(shè)計原理

根據(jù)電動汽車傳導充電用連接裝置《第2部分：交流充電接口GBT 20234.2—2015》，交流充電樁與電動汽車的充電模式選擇典型控制導引電路。其充電模式3連接方式的電路原理圖如圖2所示。

圖2 充電模式3連接方式B的典型控制導引電路原理圖

電路原理圖中，車輛控制裝置通過測量檢測點3與PE之間的電阻值來確認當前充電連接裝置（電纜）的額定容量，是判斷車輛插頭與車輛插座是否完全連接的重要依據(jù)。

如表1所示，通過分析車輛接口S2開關(guān)連接檢測點電壓狀態(tài)，判斷車輛處于不同的工作狀態(tài)。

表1 車輛接口連接檢測點1電壓狀態(tài)

3.2 車輛接口連接狀態(tài)各檢測點及開關(guān)處于不同工作情況

交流充電樁檢測裝置模擬OFF狀態(tài)，CC開關(guān)、S1開關(guān)、S2開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，車輛與充電樁接口處于未連接狀態(tài)；采取即插即用充電樁的使用方法，輸入端電壓接入市電，確保充電樁處于待機狀態(tài)。將充電槍插頭插入交流充電樁檢測裝置充電槍插座端，觀察交流電壓電流電顯示屏電壓電流情況，是否有220 V電壓信號，是否有電流經(jīng)過，10 A及16 A插座是否有電壓，220 V工作指示燈是否點亮。車輛接口連接狀態(tài)各檢測點及開關(guān)處于不同工作情況如圖3所示。

圖3 車輛接口連接狀態(tài)各檢測點及開關(guān)處于不同工作情況

3.3 交流充電樁檢測裝置控制原理

本次設(shè)計研究的交流充電樁檢測裝置控制原理：閉合交流充電樁檢測裝置的S1開關(guān)，CP顯示屏就會顯示此時充電樁的CP電壓值8.5 V～9.0 V，交流顯示屏的顯示值0 V；閉合交流充電樁檢測裝置的S2開關(guān)，CP顯示屏就會顯示此時充電樁的CP電壓值5.5 V～6.0 V，交流顯示屏的顯示值220 V，交流充電樁檢測裝置內(nèi)部的燈泡會變亮，這就說明充電樁能正常充電；斷開S2開關(guān)，模擬器內(nèi)部的燈泡會熄滅，CP顯示屏就會顯示充電樁的CP電壓值為8.5 V～9.0 V，交流顯示屏顯示值為0 V；斷開S1開關(guān)，CP顯示屏就會顯示充電樁的CP電壓值為頂部流顯示屏顯示值為0 V。交流充電樁檢測裝置控制原理如圖4所示。

圖4 交流充電樁檢測裝置控制原理電路圖

3.4 交流充電樁檢測裝置尺寸布局

本次研究設(shè)計的交流充電樁檢測裝置面板布局采用簡約設(shè)計。設(shè)計交流充電樁槍端相匹配的插口，并呈現(xiàn)在一個面板上，方便維修技術(shù)人員連接設(shè)備。交流充電樁檢測裝置面板設(shè)計如圖5所示。

圖5 充電樁檢測裝置面板布局圖

4 結(jié)論

隨著電動汽車的普及，持續(xù)推進新能源汽車充電設(shè)施建設(shè)，可有效促進新能源汽車在市場上的進一步發(fā)展和推廣。統(tǒng)籌規(guī)范充電設(shè)施管理，更好地促進充電設(shè)施產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。本文設(shè)計一種電動汽車交流充電樁檢測裝置，設(shè)計交流充電樁檢測裝置采用人性化手提把的箱體；安全防護鎖、兒童安全防護門、高阻燃PC顆粒面板、短路保護、漏電保護等電氣防護設(shè)計用于保護人身及設(shè)備安全；智能控制主板，采用大屏藍膜全視角液晶屏、防水鉆紋、人性化拉手等精細工藝；充電一鍵啟動開關(guān)，負載五孔輸出接口，預留可擴展更多功能電量累計、溫度測試、交流電壓、交流電流、時間計時、藍牙數(shù)據(jù)監(jiān)測等；操作簡單，采用彩色電路以及配置操作手冊。該交流充電檢測裝置適用于所有歐標交流充電樁安裝測試，采用人性化手持式交流充電樁檢測裝置，結(jié)合電動汽車傳導充電連接裝置通用要求，模擬車輛充電啟停，充電一鍵啟動功能，液晶顯示屏各數(shù)值精確讀取。設(shè)計該交流充電樁檢測裝置，能夠讓交流充電樁技術(shù)人員在維修過程中操作簡單、方便、安全、精確等。

通過深入研究電動汽車充電樁檢測的國家標準、檢定規(guī)程后，切入實際設(shè)計了一款綜合型的電動汽車充電樁檢測裝置，使維修技術(shù)人員在充電樁檢測維修過程中有效節(jié)省充電樁安裝、排故中所需要的時間，極大地提高了解決問題的效率。

[1] 陳旻，王會先. 儲能充電站運維一體化運營模式[J]. 中國電力企業(yè)管理，2018(13): 68-71.

[2] 任春香. 充電樁能力驗證對新能源領(lǐng)域檢驗檢測技術(shù)支撐的研究[J]. 環(huán)境技術(shù)，2020，38(5): 20-23.

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

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

Design and Research of Detection Device for AC Charging Pile of Electric Vehicle

In recent years, with the rapid popularization of new energy vehicles, the demand for new energy vehicle charging facilities has also risen sharply. However, during the installation and use of the charging pile, there will be abnormal charging and other faults. The maintenance of the charging pile urgently needs an AC charging pile detection device with the characteristics of lightweight, simple operation, small use space and easy to carry, so as to solve the problems such as faults in the charging process of the charging pile. The AC charging pile detection device is of great significance in solving the fault problems in the charging process of the AC charging pile. A portable, portable and accurate AC charging pile detection device can effectively save the time required for the installation and troubleshooting of the charging pile, and greatly improve the efficiency of solving the problems. In this paper, the design and research of a portable, light and efficient AC charging pile detection device has practical significance for promoting the construction of electric vehicle charging infrastructure.

electric vehicle; AC charging pile; detection device

TM91

A

1008-1151(2022)11-0053-04

2022-08-22

2022 年度廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項目“一種交流充電樁檢測裝置設(shè)計與研究”（2022KY1348）。

賴德鵬（1990－），男，廣西靈山人，廣西電力職業(yè)技術(shù)學院專任教師，工程師，研究方向為新能源汽車技術(shù)、智能網(wǎng)聯(lián)汽車技術(shù)。