電動(dòng)汽車交流充電適應(yīng)性測試研究

何鵬林，黃 炘，李 川，王建波，戴 銘，劉易凡

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

電動(dòng)汽車交流充電適應(yīng)性測試研究

何鵬林，黃 炘，李 川，王建波，戴 銘，劉易凡

（中國汽車技術(shù)研究中心，天津 300300）

基于電動(dòng)汽車交流充電的過程，模擬各類故障及邊界條件進(jìn)行測試研究，并結(jié)合典型案例進(jìn)行對(duì)比研究，為電動(dòng)汽車交流充電系統(tǒng)改進(jìn)與設(shè)計(jì)提供參考，提高電動(dòng)汽車交流充電的適應(yīng)性。

電動(dòng)汽車；交流充電；適應(yīng)性測試

電動(dòng)汽車是有效緩解當(dāng)前環(huán)境、資源、交通等壓力的必然途徑，也是未來中國汽車工業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)的戰(zhàn)略布局。通過十?dāng)?shù)年的基礎(chǔ)研究、示范運(yùn)行、推廣應(yīng)用以及戰(zhàn)略規(guī)劃，電動(dòng)汽車以及相應(yīng)充電設(shè)施的規(guī)模化發(fā)展趨勢已經(jīng)顯現(xiàn)。交流充電（俗稱“慢充”）是目前插電式混合動(dòng)力汽車（PHEV）及純電動(dòng)汽車（EV）電能補(bǔ)充的主要方式之一，特別是在面向個(gè)人用戶的私家車中，交流充電方式的應(yīng)用尤為普遍。然而，近年來經(jīng)常有消費(fèi)者反饋電動(dòng)汽車與充電設(shè)施無法充電，嚴(yán)重者出現(xiàn)充電過程中起火等安全事故，頻頻引發(fā)社會(huì)關(guān)注，造成消費(fèi)者的“充電焦慮”，對(duì)用戶體驗(yàn)以及產(chǎn)業(yè)的發(fā)展產(chǎn)生了一定的負(fù)面影響，電動(dòng)汽車充電的適應(yīng)性問題日益凸顯。本文以電動(dòng)汽車交流充電適應(yīng)性為研究對(duì)象，基于電動(dòng)汽車交流充電過程，模擬各類故障及邊界條件進(jìn)行測試研究，并結(jié)合具體典型案例進(jìn)行對(duì)比分析研究，為電動(dòng)汽車交流充電系統(tǒng)改進(jìn)與設(shè)計(jì)提供參考，以期提高電動(dòng)汽車交流充電的適應(yīng)性及安全性。

1 電動(dòng)汽車交流充電簡析

按照相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，電動(dòng)汽車交流充電是指通過線纜傳導(dǎo)的方式，按照充電模式2或充電模式3，將交流電源調(diào)整為校準(zhǔn)的電壓或電流，為電動(dòng)汽車動(dòng)力電池等儲(chǔ)能裝置供給電能。有關(guān)充電模式的定義讀者可參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18487.1—2015《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第1部分：通用要求》［1］相關(guān)術(shù)語說明。

交流充電系統(tǒng)一般由充電設(shè)施（EVSE）、充電連接裝置以及車載充電機(jī)（OBC）3部分組成。有關(guān)充電設(shè)施的相關(guān)技術(shù)要求、結(jié)構(gòu)等，讀者可參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 33002—2010《電動(dòng)汽車交流充電樁技術(shù)條件》等資料。充電連接裝置是交流電能傳輸媒介，一般包括連接線纜以及充電插頭插座等，其物理接口定義、電氣特性、物理尺寸以及連接方式等，讀者可參考國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20234.1—2015《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置 第1部分：通用要求》［2］、GB/T 201234.2—2015《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置 第2部分：交流充電接口》［3］。車載充電機(jī)是實(shí)現(xiàn)電能形式轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，它將單相或三相工頻交流電轉(zhuǎn)換成可為動(dòng)力電池充電的直流電，同時(shí)可根據(jù)充電設(shè)施以及充電連接裝置的相關(guān)參數(shù)動(dòng)態(tài)調(diào)整充電電流。車載充電機(jī)的相關(guān)技術(shù)要求及規(guī)范讀者可參考行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 895—2011《電動(dòng)汽車用傳導(dǎo)式車載充電機(jī)》。交流充電過程是一個(gè)復(fù)雜的多機(jī)協(xié)同過程，無論是電動(dòng)汽車還是充電設(shè)施均應(yīng)具有充電控制導(dǎo)引功能，根據(jù)不同充電模式以及充電連接方式，充電系統(tǒng)的控制導(dǎo)引有所不同，控制導(dǎo)引即控制著整個(gè)充電過程［4-5］。充電過程的控制導(dǎo)引原理讀者可參閱GB/T 18487.1—2015中的相關(guān)說明，這里不再贅述，本文中的適應(yīng)性研究也是基于此開展的。

2 交流充電適應(yīng)性測試研究

電動(dòng)汽車交流充電適應(yīng)性是指電動(dòng)汽車能夠與不同型號(hào)、不同版本的充電設(shè)施之間相互適應(yīng)、相互兼容，在充電時(shí)能夠順利進(jìn)行信息交換和過程控制，確保充電的通暢性和安全性，最終實(shí)現(xiàn)充電互聯(lián)互通。本部分通過模擬各類故障及邊界條件，對(duì)電動(dòng)汽車本身以及電動(dòng)汽車與實(shí)際EVSE充電過程進(jìn)行測試研究，主要包括正常充電過程測試以及出現(xiàn)異常情況下的測試。

2.1 電動(dòng)汽車模擬充電測試研究

本部分的研究是通過測試系統(tǒng)模擬EVSE給電動(dòng)汽車進(jìn)行充電測試，記錄測試過程中各個(gè)交互信息及車輛的充電狀態(tài)，測試方案如圖1所示。表1為電動(dòng)汽車模擬測試研究主要測試項(xiàng)目，主要包括正常充電過程模擬測試及充電異常狀況模擬測試。

圖1 電動(dòng)汽車模擬充電測試方案

表1 電動(dòng)汽車模擬充電測試

2.1.1 正常充電過程測試研究

1）車輛充電與互鎖測試 車輛充電插頭與車輛插座完全耦合時(shí)，測試車輛可否行駛。測試方法及步驟有：①車輛熄火泊車，其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電源被切斷后，將車輛充電插頭與車輛插座完全物理耦合；②測試車輛可否依賴其自身的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)行駛、前進(jìn)或倒車；③車輛未熄火，仍處于可前進(jìn)或倒車的行駛狀態(tài)下，將車輛充電插頭與車輛插座完全物理耦合；④重復(fù)步驟②。

2）連接確認(rèn)測試 測試車輛接口能否完全連接。測試方法及步驟如下：①在車輛充電插頭和車輛插座完全耦合后，測量檢測點(diǎn)3的電壓值；②若車載充電機(jī)額定充電電流超過16 A，重復(fù)步驟①，按壓車輛插頭機(jī)械鎖，確認(rèn)電子鎖止裝置是否已鎖定。

圖2為某車輛充電接口耦合后連接確認(rèn)完成，檢測點(diǎn)1的電壓由+12 V變?yōu)?9 V。

圖2 某車輛連接確認(rèn)完成波形

3）充電準(zhǔn)備就緒測試 測試車輛的充電準(zhǔn)備就緒狀態(tài)。測試方法及步驟：車輛充電接口完全連接后，EVSE模擬控制盒發(fā)送PWM信號(hào)，測量檢測點(diǎn)1處的電壓值及充電狀態(tài)。

4）啟動(dòng)及充電階段測試 主要監(jiān)控車輛的充電控制功能。測試方法及步驟：①按照一定條件設(shè)置車輛充電條件；②調(diào)整EVSE模擬控制盒PWM信號(hào)占空比，使EVSE供電電流值超過車載充電機(jī)額定充電電流以及充電連接裝置的額定電流；③待S2開關(guān)閉合后，EVSE模擬啟動(dòng)充電，測量車輛的充電電壓、電流等充電狀態(tài)參數(shù)；④車輛額定充電電流大于16 A時(shí)，操作車輛插頭機(jī)械鎖，檢查電子鎖止裝置狀態(tài)。

5）正常充電終止測試 測量電動(dòng)汽車達(dá)到正常結(jié)束充電條件后的響應(yīng)。測試方法及步驟：①在正常充電過程中，模擬達(dá)到車輛預(yù)定的結(jié)束充電條件或者對(duì)車輛施加終止充電命令；②測量檢測點(diǎn)1處的電壓值以及充電電壓、電流等充電狀態(tài)參數(shù)；③正常充電過程中，使EVSE模擬裝置停止PWM信號(hào)輸出，切換至＋12 V電壓狀態(tài)，重復(fù)步驟②。

圖3為某車輛正常充電結(jié)束時(shí)各信號(hào)波形，結(jié)束時(shí)，PWM停止輸出，切換至+12 V狀態(tài)，CH3由6 V PWM變?yōu)?6 V DC，充電電流降為0，并斷開S2，CH3由+6 V DC變?yōu)?9 V DC，充電結(jié)束。

圖3 某車輛正常充電結(jié)束各信號(hào)波形

6）充電控制時(shí)序測試 測量車輛充電連接控制時(shí)序，測量檢測點(diǎn)1處的電壓值、PWM信號(hào)、檢測點(diǎn)3處的電壓值、充電電壓、充電電流、電子鎖止?fàn)顟B(tài)等信號(hào)的變化及周期等。

2.1.2 充電過程異常測試研究

1）S3開關(guān)斷開測試 測量正常充電情況下車輛在開關(guān)S3斷開時(shí)的響應(yīng)：模擬開關(guān)S3由閉合變?yōu)閿嚅_，測量車輛的充電狀態(tài)、檢測點(diǎn)1的電壓值。車輛應(yīng)在1 s內(nèi)將充電電流減小至低于1 A，然后斷開開關(guān)S2。圖4為某車輛在充電時(shí)S3開關(guān)突然斷開時(shí)各信號(hào)波形，其中，充電電流的下降時(shí)間約為194 ms。

圖4 某車輛充電過程中S3中斷時(shí)各信號(hào)變化

2）CC信號(hào)中斷測試 測試車輛在CC信號(hào)中斷時(shí)的響應(yīng)：分別在充電準(zhǔn)備階段和正常充電過程中，模擬斷開車輛接口CC連接，測量檢測點(diǎn)1處的電壓及充電電壓、充電電流等信號(hào)。在充電準(zhǔn)備階段，CC信號(hào)連接斷開后，車輛控制裝置應(yīng)不能閉合S2開關(guān)，不能啟動(dòng)充電；在正常充電過程中，CC信號(hào)連接斷開后，車輛應(yīng)在3 s內(nèi)停止充電。

3）CP信號(hào)中斷測試 測試車輛在CP信號(hào)中斷時(shí)的響應(yīng)：在正常充電過程中模擬CP信號(hào)斷開，測量檢測點(diǎn)1處的電壓值及充電電壓、充電電流等信號(hào)，車輛應(yīng)在3 s內(nèi)停止充電。

4）PWM信號(hào)占空比變化測試 測試車輛在EVSE輸出PWM信號(hào)的占空比發(fā)生變化時(shí)的響應(yīng)，測試方法及步驟如下：①使車輛處于正常充電過程中，以10%/30 s的速率增加EVSE模擬裝置輸出PWM信號(hào)占空比，從10%上升至90%，每個(gè)占空比的保持時(shí)間不低于5 s；②測量檢測點(diǎn)1處的電壓值以及充電電壓、充電電流等狀態(tài)參數(shù)；③ 使車輛處于正常充電過程中，以10%/30 s的速率降低EVSE模擬裝置輸出PWM信號(hào)占空比，從90%下降至10%，每個(gè)占空比的保持時(shí)間不低于5 s；④重復(fù)步驟②。

5）PWM信號(hào)占空比超限測試 測試車輛在EVSE輸出PWM信號(hào)占空比超過限值時(shí)的響應(yīng)：首先使車輛處于允許充電狀態(tài)且PWM占空比對(duì)應(yīng)值為車輛允許的最大充電電流，啟動(dòng)充電并持續(xù)至少2 min，調(diào)整PWM占空比至下限值6.5%以及上限值98.5%，使之超限，測量檢測點(diǎn)1的電壓及充電狀態(tài)數(shù)據(jù)。當(dāng)檢測到PWM占空比超限時(shí)，車輛需在8 s內(nèi)使充電電流減小至低于1 A，停止充電。

6）PWM頻率臨界值測試 測試車輛在PWM頻率處于臨界值時(shí)的響應(yīng)，方法及步驟如下：①將EVSE 輸出PWM頻率值設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)稱值1 000 Hz，啟動(dòng)充電后持續(xù)不低于2 min；②測量檢測點(diǎn)1處的電壓值以及充電電壓、充電電流等狀態(tài)參數(shù)；③按照10 Hz/3 s的速率將PWM頻率從1 000 Hz調(diào)整至1 030 Hz，并保持5 s，重復(fù)步驟②；④重復(fù)步驟①和②，以10 Hz/3 s的速率使EVSE輸出PWM頻率從1 000 Hz減小至臨界值970 Hz，然后持續(xù)不低于5 s，重復(fù)步驟②。

2.2 電動(dòng)汽車實(shí)例化充電測試研究

為了使電動(dòng)汽車能夠適應(yīng)更多實(shí)際充電設(shè)施，本文通過采用圖5所示方案，選用若干市場主流的EVSE，使電動(dòng)汽車與其進(jìn)行各項(xiàng)充電過程測試。

圖5 電動(dòng)汽車充電適應(yīng)性實(shí)例化測試方案

實(shí)例化測試內(nèi)容主要包括：①充電控制時(shí)序測試。按照正常操作進(jìn)行充電，進(jìn)行完整的充電過程測試，包括連接確認(rèn)、充電準(zhǔn)備就緒、啟動(dòng)及充電階段、正常充電結(jié)束等。②異常充電測試。通過測試方案中的信號(hào)盒模擬開關(guān)S3斷開、CC信號(hào)中斷、CP信號(hào)中斷、PWM信號(hào)中斷等異常情況測試電動(dòng)汽車響應(yīng)。③模擬操作測試。通過模擬車輛插頭的插入、解鎖、搖晃以及刷卡操作的流程、預(yù)充電的流程，測試實(shí)際可能遇到的問題。

3 結(jié)束語

本文基于電動(dòng)汽車交流充電系統(tǒng)構(gòu)成及充電過程，為應(yīng)對(duì)充電過程中的各類可能的不適應(yīng)問題，研究制定了電動(dòng)汽車模擬交流充電測試方案以及實(shí)例化測試方案，為電動(dòng)汽車交流充電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及改進(jìn)提供了參考依據(jù)及驗(yàn)證手段，能夠提高電動(dòng)汽車實(shí)際使用中交流充電的適應(yīng)性，為消費(fèi)者提供便利，有利于電動(dòng)汽車的推廣及使用。

［1］ GB/T18487.1—2015，電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第1部分：通用要求［S］.

［2］ GB/T 20234.1—2015，電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置第1部分：通用要求［S］.

［3］ GB/T 20234.2—2015，電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置第2部分：交流充電接口［S］.

［4］ 張建偉，楊芳，秦儉，等.電動(dòng)汽車交流充電控制導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.電測與儀表，2014，51（5）：78-82.

［5］ 孫煥新.電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)充電模式分析［J］.時(shí)代汽車，2017（6）：12-14.

Research on AC Charging Adaptability Test for Electric Vehicles

HE Peng-lin， HUANG Xin， LI Chuan， WANG Jian-bo， DAI Ming， LIU Yi-fan
（China Automotive Technology And Research Center， Tianjin 300300， China）

In this article， based on the electric vehicle AC charging process， research and tests are conducted by simulating different types of faults and boundary conditions. Combining with comparison on some typical cases， proposals for improvement and design of AC charging system is put forward， which increase the performance of AC charging adaptability.

electric vehicles； AC charging； adaptability test

U469.72

A

1003-8639（2017）12-0012-03

2017-08-14

何鵬林（1988-），男，甘肅武威人，工程師，碩士，研究方向?yàn)樾履茉雌嚰捌錅y試技術(shù)；黃炘（1984-），男，福建人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)樾履茉雌嚰捌錅y試技術(shù)；李川（1989-），男，天津人，助理工程師，碩士，研究方向?yàn)樾履茉雌嚰捌錅y試技術(shù)；王建波（1988-），男，遼寧人，助理工程師，研究方向?yàn)樾履茉雌嚰捌錅y試技術(shù)；戴銘（1994-），男，安徽人，助理工程師，研究方向?yàn)樾履茉雌嚰捌錅y試技術(shù)；劉易凡（1995-），男，遼寧人，助理工程師，研究方向?yàn)樾履茉雌嚰捌錅y試技術(shù)。

（編輯 凌 波）