電動汽車直流充電兼容性分析與測試方案設計

王嬌嬌，竇汝鵬，李 川

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

純電動汽車具有高效、節能、終端零排放等特點，是解決當前能源危機、環境污染以及溫室效應的重要途徑。自2015年起，隨著各項國標的修訂及各項政策的鼓勵，新能源汽車產業迎來發展過程中的高峰期。新能源汽車帶著“綠色環保”的標簽走進萬千大眾的視野中，在對新能源汽車的出現眼前一亮的同時，消費者心中對新能源汽車的充電便利性存在一些疑慮。近年來，隨著電動汽車充電基礎設施的建設，充電兼容性［1］問題漸漸成為影響充電便利性的主要因素［2］。

電動汽車充電方式分為交流充電和直流充電兩種。交流充電是將電網的交流電經過車輛的車載充電機傳遞到車輛的電池端；直流充電是非車載充電機將電網的交流電轉換為直流電然后傳遞到車輛的電池端。影響交流充電的原因主要是車輛及交流充電樁的時序設計，而直流充電部分除了車輛及非車載充電機的時序設計外，兩者之間在充電過程中的通信也會影響充電的兼容性。在實際使用時，經常會出現無法通信、可以通信但是無法充電、充電過程中燒毀器件以及結束充電時響應不及時等幾類問題。上述問題為何出現，該如何進行有效排查和解決，以及如何去規避這些問題都會影響消費者對新能源汽車的直觀感受。

本文圍繞直流充電功能，結合目前充電兼容存在的問題，設計了一套完整的測試方案，并對該方案進行了驗證測試，分析了充電兼容性問題出現的主要原因，結合GB/T 18487.1—2015［3］及GB/T 27930—2015［4］給出了相應的解決方案，為促進電動汽車與充電樁的充電兼容性提供了技術支持。

1 常見問題研究及測試方案設計

1.1 電動汽車充電問題研究

目前電動汽車在充電時的常見問題可以分為以下幾類：①通信異常：本研究將該問題主要分為兩種，一種是無法進行通信，主要表現是將車輛與充電樁完全連接后啟動充電，無任何通信數據產生；另外一種是充電過程中車輛與充電樁之間的通信進行到某一階段無法繼續進行，從而導致充電失敗。②輸出異常：輸出異常與通信異常最大的區別在于輸出異常的情況下，車輛與充電樁之間的通信可以正常完整地進行且充電電壓正常，但是充電電流一直是0。③充電過程燒毀器件：這種現象在充電啟動階段及充電過程中均有發生，用戶在公用充電樁進行充電時，按照正常操作啟動充電的時候，車輛內某個元器件突然損壞導致車輛無法正常使用。④充電結束階段響應不及時：當車輛充電時，用戶在充電樁側進行刷卡結束的操作，充電樁不響應；除此之外，部分有按照充電時間、充電金額及充電電量結束充電功能的充電樁，在對上述功能進行設定后，達到設定條件充電未結束。

針對上述問題，設計了一套試驗室測試方案和現場測試方案，對車輛和充電樁在充電過程中出現的各個問題進行分析研究，旨在通過該測試方案找出其主要原因，為后續的改進提供明確的方向。

1.2 測試方案的設計與實現

采集充電數據是分析車輛與充電樁充電過程中最基本的工作。除此之外，為了詳細分析上述問題，本研究的設計思路是在排查車輛的問題時假定充電樁的通信和時序完全符合GB/T 27930—2015和GB/T 18487.1—2015，然后去和車輛進行充電匹配測試，記錄是否還會出現上述問題。同樣在排查充電樁的問題時，假定車輛的通信和時序完全符合GB/T 27930—2015和GB/T 18487.1—2015，然后去和充電樁進行充電匹配是否還會出現上述問題。基于上述考慮，設計了一套試驗室測試方案，原理如圖1所示。

測試系統由電源模塊、控制器、通信數據采集部分、時序波形采集部分、負載以及上位機組成。由電源模塊模擬充電樁，通過控制器控制輸出電流與輸出電壓；通信數據采集部分用來模擬充電樁的通信模塊與車輛進行通信以及車輛的通信模塊與充電樁進行數據交互，也是由控制器對其通信數據進行控制；控制器的作用是對充電整個過程的通信及充電參數進行調節與控制；時序波形采集部分由功率計和示波器兩部分組成，用來采集充電過程中的電壓、電流及功率等參數；負載則是在測試充電樁時模擬車輛對充電樁的輸出電量進行消耗，上位機對整個過程進行控制及數據的采集等。

在對車輛進行測試時，用到的是圖1中的中間部分和左半部分，右半部分連接的是電動汽車；在對充電樁進行測試時，左側連接的是充電樁。整個測試過程通過控制器對其中的時序和通信情況進行控制和調節，并模擬充電中的各種問題來判斷車輛與充電樁的性能。

該方案的設計思路是由設備代替車輛或者充電樁，而在實際情況下，充電樁及車輛的情況不盡相同，為完善測試方案，本研究還設計了一套用于現場車樁充電匹配測試的方案，該測試系統相比圖1所示系統較為簡易。由于是測試車輛和充電樁的匹配充電，很多情況無法進行人為設定，所以在本研究中，對于車樁的充電匹配測試，只是測試車輛與充電樁進行匹配時是否可以正常充電，并對該過程中的數據進行采集分析，若是可以充電，分析其是否會有潛在影響充電兼容與安全性的問題存在；若是無法充電，找出原因，判斷該問題是由車輛還是充電樁導致。圖2中，DC+、DC-分別為直流電源正極和負極，PE為搭鐵線，CC1、CC2分別為非車載充電機連接確認及車輛連接確認信號，S+、S-為充電通信信號，A+、A-為低壓輔助電源的正極和負極；圖2中標注的信號均可以通過測試設備采集。

圖1 電動汽車與充電樁國標符合性測試原理圖

圖2 車樁匹配充電測試原理圖

2 測試方案驗證與分析

本研究選取市場上的主流車型10余輛，主流充電樁10余臺，對其進行了試驗室的測試和現場的實車實樁測試，并對充電過程中發生的各種問題的原因進行了分析總結。

2.1 報文問題

1） 通信過程中出現非標準的報文。如圖3所示，判斷車輛充電過程是否采用非標報文，主要是通過幀ID，GB/T 27930—2015規定充電過程中充電機的地址為56H，車輛BMS的地址為F4H。此問題主要發生在電動客車上，電動客車在充電時較多使用其固定專用充電樁，其充電過程中的通信使用的是與專用充電樁的特殊協議，若一直使用專用充電樁進行充電，該情況不會對車輛使用有影響，但是一旦這些車輛在公共充電區進行充電，往往會充電失敗，非標協議嚴重影響了這些車輛與市面上主流充電樁之間的充電互聯互通，對該車型的推廣使用非常不利。除了使用非標報文外，還有一種情況可以歸為此大類中，就是車輛在設計時未按照標準規定的要求將充電機與BMS的通信使用獨立于動力總成控制系統之外的CAN接口，從而導致充電的通信報文除了BMS與非車載充電機2個節點的數據之外還存在其他節點的報文，這些報文是車內的其他節點進行數據交互的部分，這些信息的存在也是不符合GB/T 27930—2015規定的。

圖3 測試報文截圖

2）BMS與非車載充電機之間通信報文的周期、字節長度及填充內容等不符合GB/T 27930—2015的規定。該問題主要存在于新標準發布初期，各廠家對標準的關注及理解不盡全面，尤其是對標準中規定的填充問題，不能明確區分字節與位的概念，導致對標準中未規定的位按照字節的方式進行填充而出現問題。該問題屬于一般問題，由于充電樁與車輛在實際充電時，一般只檢測相關參數的字節內容，對于報文的周期與字節長度不去檢測，所以該問題對實際充電的影響比較小。但是在該類問題中有一個報文較為特殊，即CCS報文，在2011版的標準中，CCS為6個字節長度，而2015版的標準中規定CCS為8個字節長度，其中多出的2個字節分別為“充電允許位”與預留位，現有充電樁有一部分在新老標準的更新時忽略該報文，導致CCS字節長度仍為6位，若車輛在充電過程中不檢測該字節長度，不會影響正常充電，但是在異常情況下無法暫停充電，存在安全隱患。

2.2 時序問題

1）充電樁的絕緣檢測電壓未按照標準規定的要求進行。GB/T 18487.1—2015中規定“非車載充電機絕緣檢測時輸出電壓應為車輛通信握手報文內的最高允許充電總電壓和供電設備額定電壓值中的較小值”，在實際測試過程中，充電樁的絕緣檢測部分并沒有完全按照標準進行，該問題主要是由于部分BMS發出的車輛允許充電最大電壓錯誤，有發0的，有最大允許電壓后面還小于實際需求電壓的，所以充電樁在做兼容的時候忽略車輛發出最大允許充電電壓。某一充電樁充電過程的波形圖如圖4所示，其中紅色的波形代表整個充電過程中的電壓。充電過程中，充電電壓不大于車輛通信握手報文內的最高允許充電總電壓和供電設備額定電壓值，此充電樁的主要問題在于其絕緣檢測電壓值低于充電電壓，即低于車輛通信握手報文內的最高允許充電總電壓和供電設備額定電壓值，這種情況的絕緣檢測對于整個充電過程來說毫無意義；除了這種情況的絕緣檢測外，還有一種情況，充電樁只根據自身模塊進行絕緣檢測，不考慮車輛的耐壓能力，這種情況易損壞車內的元件，導致充電失敗，波形如圖5所示。

圖4 A車型與A型充電樁充電過程時序圖

圖5 B車型與B型充電樁充電過程時序圖

2）預充電的錯誤。預充電的時候，車端開始發過來的電壓不是當前電池電壓，而是固定的電池額定電壓，就導致實際充電的時候充電機按照BMS先發來的電壓抬升電壓，準備吸合繼電器之前，發現繼電器內外側電壓差超過10 V，導致充電樁無法正常閉合K1K2，無法進入正常充電的流程。此問題的出現是由于車輛未完全按照國家標準的要求進行設計，若充電樁忽略此部分的判斷直接進行充電，會導致在K1K2閉合時對車輛有一個較大的沖擊，容易毀壞車內部件，造成經濟損失。

2.3 功能問題

1）測試樣品低壓輔助供電回路12 V系統與24 V系統并存。GB/T 18487.1—2015中明確規定低壓輔助供電回路電壓為12 V，目前許多電動客車仍采用24 V的低壓供電系統，導致充電樁在設計的時候考慮對上述客車進行兼容而保留12 V與24 V兩種電壓供電系統。兩種系統的切換方式大部分采用手動切換，而實際操作時容易忽略該功能，在24 V系統大巴車充電結束后切換不及時，12 V的系統車輛充電時造成安全隱患，這屬于嚴重問題。除此之外，在實際測試過程中出現24 V的低壓系統會影響充電過程中檢測點1的電壓值，如果程序處理不妥當，會導致連接狀態的異常，從而使充電失敗。

2）電子鎖的使能功能。目前市面上大部分充電樁都可以人為設定車輛插頭上的電子鎖是否正常作用。該功能存在的主要目的在于預留車輛插頭的電子鎖應急解鎖功能，但是若在充電過程中忘記設定該功能，會出現帶電插拔的情況，存在安全隱患。

2.4 其他問題

還有一些由于車輛與充電樁為了兼容而放寬的現象，例如有的車輛與充電樁對于多包的報文不去檢測，還有一些車輛與充電樁廠家，在新老標準的交替中，對于標準的理解不盡全面，GB/T 27930—2011對于整個的充電流程規定得較為寬泛，GB/T 27930—2015中對于充電過程中的4個階段都進行了詳細的規定。

3 小結及建議

1）本文針對電動汽車直流充電系統分析了充電過程中的常見問題，結合這些問題設計了一套完整的試驗室測試方案及現場車樁充電測試方案。

2）選取主流車型及充電樁對測試方案進行了驗證，并結合測試結果對問題產生的原因進行了分類整理，通過分析可以看出這些問題的出現有的是由于設計過程中對于國標的理解不盡全面，有的是由于考慮充電兼容性而忽略標準的相關要求，放寬要求導致車輛雖然可以充電但是存在安全隱患。

3）基于上述分析可以發現，充電失敗及元器件損壞的主要原因在于車輛及充電樁未完全按照標準進行設計，導致在充電過程中的通信異常和參數異常的發生，從而導致車輛充電失敗及損壞。該問題可以通過整改車輛及充電樁的設計使其符合國標的規定來避免再次發生。

4）后續工作需要進一步研究標準中未詳細說明的部分，細化充電兼容性的影響因素，提出一套在符合國標范圍內兼容性較好的方案，為電動汽車的充電互聯互通提供更多的數據參考及技術支持。

［1］ 賀春，陳卓，馮瑾濤，等.電動汽車充電安全分析與解決方案［J］.供用電， 2017，34（1）：12-18.

［2］ 張萱，董晨，李旭玲.電動汽車非車載充電機國際標準關鍵參數驗證設計［J］.電測與儀表，2015（11）：124-128.

［3］ GB/T 18487.1—2015，電動汽車傳導充電系統 第1部分：通用要求［S］.

［4］ GB/T 27930—2015，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［S］.