電動汽車直流充電機自動檢測平臺設計

朱彬，馬郭亮，王建國，孫洪亮，劉永相，吳宇，李智，龍羿，徐婷婷，汪會財

（1.國網重慶市電力公司電力科學研究院，重慶 401123；2.國網重慶市電力公司，重慶 400014；3.國網重慶市電力公司電動汽車分公司，重慶 400023）

在能源和環境雙重危機的背景下[1]，發展電動汽車已成為目前世界各主要國家的共識[2-3]。各國政府都對電動汽車行業進行了大力支持[4-5]，電動汽車發展迅速。統計數據顯示，2016年我國新能源汽車產銷達到50萬輛、保有量達100萬輛，產銷量和保有量均占世界50%，已經連續2 a實現全球產銷量第一。根據中汽協發布的數據顯示，2017年1—7月，我國新能源汽車產銷分別完成27.2萬輛和25.1萬輛，同比分別增長26.2%和21.5%。

作為直接影響電動汽車推廣應用效果的關鍵因素之一[6]，充電樁方面同樣發展迅速。在2010年初，我國充電樁數量在1 000個左右；到2013年，數量突破2萬個；2016年全國充電樁擁有量已達到近20萬個。中國充電聯盟官方發布的最新數據顯示，截至2017年7月，聯盟內成員單位2017年總計上報公共類充電樁18.1萬個，私人類充電樁14.9萬個，僅聯盟內成員上報充電樁總數近33萬個。

根據《電動汽車充電基礎設施發展指南（2015—2020年）》，到2020年，充換電站數量將達1.2萬個，充電樁將達到450萬個。然而一直困擾該行業的產品性能與互聯互通問題，也越來越突出。另外，國家關于加快電動汽車充電基礎設施建設的指導意見中專門提到加強充電設施的檢測認證，促進不同充電服務平臺互聯互通。在2015年之前，充電設施檢測普遍采用的是行業標準電動汽車充電設備檢驗試驗規范，包括 NB/T 33008.1—2013、NB/T 33008.2—2013[7-8]。在2015年年底，電動汽車充電接口及通信協議五項國家標準頒布，文獻[9]詳細規定了電動汽車傳導充電系統的通用要求；文獻[10-12]對用連接裝置的通用要求，交、直流充電接口進行了細致規定；文獻[13]對電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統之間的通信協議進行了規范。目前，最新的國標是GB/T 34567.1-2017電動汽車傳導充電互操作性測試規范第1部分：供電設備（報批稿）[14]，對互操作性的測試方法、評定規則進行了規范。

目前，對充電設施檢測方面的研究較少，相關的研究文獻不多。文獻[15]分析了電動汽車充換電設施一致性測試和互操作測試的必要性；文獻[16]介紹了一種電動汽車充電設施移動檢測平臺的研究和設計；文獻[17]介紹了電動汽車充電接口控制導引電路基本功能和工作原理，設計了在不同充電模式下各檢測點匹配電阻及電壓狀態試驗的方法；文獻[18]分析了電壓暫降對充電機的影響；文獻[19]提出了電動汽車充電站綜合性能評價指標體系，進而得到充電站綜合性能評價等級；文獻[20-25]針對諧波污染最嚴重的三相不可控整流充電機進行了分析、計算。

目前，檢測人員對充電設施電性能及互操作性的測試主要依靠人工逐項地進行檢測，手動讀取、記錄儀器儀表采集的數據，檢測效率低下，工作量繁重，易出現人為檢測誤差[21]。因此，本文設計并開發了電動汽車直流充電機自動檢測平臺，該平臺可對直流充電機電性能及互操作性進行自動檢測并生成測試報告。

圖1 電動汽車直流充電機自動檢測平臺設計原理圖Fig.1 The schematic diagram of the automatic testing platform for electric vehicle D.C.charging station

1 硬件平臺

電動汽車直流充電機自動檢測平臺設計原理圖如圖1所示。該平臺主要由大功率可編程交流電源、可編程直流負載、電池模擬裝置、數據采集卡、高精度功率計、示波器、控制箱及車輛接口模擬裝置、CAN卡、串口服務器、系統集成軟件及工控機等設備組成，可完成直流充電機電性能和互操作性的自動測試[26-30]。平臺中可編程直流負載、電池模擬裝置、控制箱及車輛接口模擬裝置的最高工作電壓均為1 000 V，可滿足新國標GB/T 20234.1—2015和GB/T 20234.3—2015中對直流額定電壓最高為1 000 V的要求。

可編程交流電源功率等級120 kW，可三相獨立帶載，每相可單獨啟動，滿足非線性充電模塊、充電機的帶載要求，具備2倍的額定電流沖擊能力。

GB/T 18487.1—2015、GB/T 34567.1—2017 中推薦采用電阻性負載，故本文中的可編程直流載由純阻性負載組成，可遠程和就地獨立控制，滿足直流非車載充電機的測試負載要求。

控制箱及車輛接口模擬裝置用于模擬導引電阻變化、信號接地/斷路等故障、開關分合邏輯，配合電源和負載可完成直流充電機電特性、充電導引和通信協議一致性測試的全部項目[31-35]。

電池模擬裝置用于模擬不同電池的輸出特性、電池充放電特性，可以在第一象限和第四象限工作，既可以輸出直流電，又可以吸收直流電，同時反饋到電網。

高精度功率計采集被測充電機輸入和輸出的三相電壓、電流，計算電壓、電流和功率值[36]。

高性能數據采集卡內置6位半數字萬用表，共20個通道，采集模擬器中的采樣點1、采樣點4的電壓值如圖2所示。信號選通器可完成通道的信號選通，可程控選通，與示波器配合實現對信號的自動采集。串口服務器可實現系統中各個設備的485通信匯集，與工控機完成數據交互。工控機運行測試軟件，完成測試項目的自動控制，數據和波形采集，并自動生成報告。

圖2 控制箱及車輛接口模擬裝置工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of the control box and vehicle interface simulation device

2 控制箱及車輛接口模擬裝置

圖1中的控制箱及車輛接口模擬裝置工作原理圖如圖2所示，該裝置可模擬導引電阻變化、信號接地/斷路等故障、開關分合邏輯，配合電源和負載可完成直流充電機電特性、充電導引和通信協議一致性測試的全部項目。

直流車輛模擬器中對車輛插座的每個觸點都有通斷仿真功能，DC+、DC-、PE、S+、S-、CC1、CC2、A+、A-分別對應仿真開關Q1～Q9，可實現各路故障仿真。

模塊中各個開關2側都帶有標準4 mm香蕉插座，可通過外部示波器進行信號采集。并且各個開關位置可通過面板上的信號指示燈進行查看。

模塊中帶有R4電阻模擬電路，可模擬R4電阻的5個電阻檔位，分別為 500 Ω、970 Ω、1 000 Ω、1 030 Ω和2000Ω，電阻精度0.2%FS（fullscale，FS），功率＞0.5W。

模塊中帶有R5電阻模擬電路，可模擬R5電阻的5 個電阻檔位，分別為 500 Ω、970 Ω、1 000 Ω、1030 Ω和 2 000 Ω，電阻精度 0.2%FS，功率＞0.5 W。

設備內部包含1個12 V電源U1，電壓值可通過控制器進行設定，提供U2電壓上下限的仿真功能。

DC+與PE之間可通過Q17和絕緣模擬電阻進行絕緣故障仿真；DC-與PE之間可通過Q18和絕緣模擬電阻進行絕緣故障仿真。

充電接口 S+、S-、CC1、CC2、A+和 A-可分別通過導通開關Q11～Q16與電阻模擬對地故障的仿真。

設備內部包括高精度電壓傳感器和電流傳感器，可提供給功率分析儀和示波器采集信號。

設備具備正常充電和非正常充電的模擬功能。

車輛BMS模擬軟件可通過CAN接口與被測非車載充電機通訊，可模擬電池包需求狀態及通訊故障等，進行通訊協議一致性測試[37-40]。

控制箱及車輛接口模擬裝置主要以DSP為核心，IO輸入輸出和模擬量采集為外圍電路組成，與二次集控單元使用485進行通信，接收指令并返回內部狀態。同時與內部車輛BMS模擬軟件進行聯動控制。

設備可與另一個直流控制箱及車輛接口模擬裝置使用導線連在一起，通過控制開關Q10來實現并機功能，用以測試更大功率等級的直流充電樁。

通過示波器，可進行CAN通信干擾測試，監測CAN-H、CAN-L以及差分信號，可在互操作性軟件中進行自動測試。

設備帶有電壓、電流接口，功率計采集被測直流非車載充電機輸入端的三相電壓、電流信號和控制箱及車輛接口模擬裝置內部的直流電壓和電流信號。

3 測試軟件

3.1 整體方案

軟件采用開放的軟件架構，控制管理各種測試設備，監測各測試設備的運行狀態，實現對測試流程、測試資源、測試綜合信息、測試數據、測試報告及測試規范和標準的統一管理，確保整個測試過程可控、測試資源可控、測試數據可控；確保數據的質量及其完整性和安全性。

系統一方面可以控制各裝置的運行，采集、分析運行和測試數據，生成相關測試報告；另一方面對各裝置的工作運行狀態進行監測。

系統主要包括控制部分與人機交互部分?？刂撇糠钟涩F場信號采集、控制器（控制與監測）和后臺工控機組成，它們直接和受控裝置連接。現場信號采集包括功率計、示波器和各種傳感器數據?，F場采集的各種信號接入系統，然后由數據采集錄波裝置、控制器和保護進行綜合處理與判斷，并將相應的數據和處理、判斷結果送到后臺工控機。

人機部分主要包括顯示與監控部分、控制與操作部分、數據存儲部分及輸出與打印部分，該部分主要為上位機的直接顯示與操作。該裝置集成了所有上位機監控和操作功能，以便能夠和各裝置進行實時的數據交換。

3.2 軟件功能特性

軟件集成了可編程交流電源、可編程直流負載、車輛模擬器（包括車輛BMS模擬器）、控制箱及車輛接口模擬裝置、示波器和功率計等設備，依據不同測試項目，按照設定好的時序邏輯自動執行，自動讀取測試結果，完成規定的檢測項目。

通過系統集成，軟件與硬件設備聯動，可實現交、直流充電樁充電過程的全過程仿真。在對直流非車載充電機的互操作性測試中，軟件內集成不同動力電池（如鉛酸、鎳氫電池、聚合物鋰離子電池等）的電特性曲線，可對可編程直流負載的工作模式進行設定，并可對最大工作電壓、最大工作電流、最小放電電壓等進行設定，模擬動力電池包的電池需求。

軟件使用LabVIEW進行編程，可維護性好，可向用戶開放二次接口，方便進行二次開發，實現用戶對測試業務、測試流程、數據處理、報告生成等的再次開發和定義任務。

3.3 軟件操作界面

圖3為測試系統主界面。進入測試程序界面后可選擇測試程序，在每個測試程序中對應多個測試項目可自由勾選。軟件配備1個USB轉CAN模塊，可實現充電樁與上位機的直接通信，模塊帶有2路CAN通信接口，支持CAN2.0A和CAN2.0B協議，符合ISO/DIS11898規范，設備CAN-bus通訊波特率在5 kb/s～1 Mb/s直接任意編程設置。軟件有報告生成功能，可在編輯器了編輯或導入報告模板，軟件可一鍵將測試結果（包括數據和圖片）導出到WORD文檔里。

圖3 綜合測試系統主界面Fig.3 Main interface of the integrated test system

執行配置好的測試項目，可選擇執行、單步執行2種方式。可實時監控試驗項目和項目工步執行情況，可顯示電流、電壓，運行狀態，風機狀態等參數。圖4所示為直流充電機互操作性測試界面，軟件可控制直流負載、電池電壓模擬器的輸出參數，模擬電動汽車電池包充電特性，使用CAN可與充電樁實現通訊，完成控制時序測試。互操作性軟件可對電流控制時間、電流停止速率、反灌電流等項目進行測試工步編輯，示波器采集直流側電壓、電流，示波器可設置觸發條件自動觸發，并依據電流閾值自動測量時長。

圖4 直流充電機互操作性測試界面Fig.4 Test interface of the DC charger interoperability

軟件可調用示波器，完成觸發設置、圖片截取、數據讀取、自動測量等功能，可完成輸出電流控制時間測試等內容。

軟件里集成BMS通信協議庫，可在硬件的配合下完成充電樁連接確認、自檢階段、充電準備階段、充電控制時序等測試。

4 測試項目

直流充電機互操作性測試利用車輛測試模擬器測試非車載充電機的充電控制過程、異常充電狀態以及連接控制時序等，測試條件可包含額定工況和參數公差范圍外的失效測試。本平臺可開展的直流充電機測試項目如圖5所示，對每一類測試項目除了有編輯好的測試庫外，用戶還可進行自定義編程。選擇試驗項目，編輯試驗工步。系統提供的標準庫已經編輯好工步，用戶可進行編輯更改，軟件支持工步預編輯檢測功能，提示用戶編輯是否出現錯誤。

圖5 測試項目Fig.5 Test items

通過工步設置可設置直流負載、車載直流電源、開關控制器等相關項參數，同時填寫下方記錄條件，可實現間隔記錄功能；安全保護值可設置功率上限值、電壓上限值等保護參數。

示波器自動觸發測量，實現和示波器通訊。對示波器進行觸發，完成電壓、電流等信號采集，可實現輸出電壓控制誤差、輸出電流控制誤差、輸出電流控制時間、輸出電流停止速率、反灌沖擊電流等參數的測試。

5 結語

隨著電動汽車充電設施數量的日益增長，對其電性能與互操作性的檢測變得特別迫切。本文設計并開發了電動汽車直流充電機自動檢測平臺，詳述了控制箱及車輛接口模擬裝置工作原理，闡述了檢測方法并編寫了相應的檢測軟件。該平臺可對直流充電機的電性能及互操作性進行系統的測試，自動檢測并生成檢測報告，檢測項目可靈活地管理，設備參數配置方便，無人為讀數誤差，檢測效率高。

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