基于虛擬儀器的便攜式非車載直流充電樁檢測裝置設計

李忠虎，王瀟霈

（內蒙古科技大學信息工程學院，內蒙古包頭，014017）

0 引言

根據(jù)2020 年底中國汽車工程學會發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖2.0》中預測，在2025 年之前將有3200萬輛新能源汽車上路[1]。2019 年初工信部明確未來的補貼將從新能源汽車購置專項新能源汽車非車載充電樁等基礎設施建設，中共中央政治局常務委員會也在之后明確了七大“新基建”模塊，充電樁成了“新基建”領域的關鍵詞[2～3]。

目前市面上的充電樁功率多集中于60-80kW，歐美等企業(yè)充電樁功率規(guī)劃已達150kW 以上[4]，加之純電動汽車充電難、充電慢、續(xù)航短的特點，未來的非車載充電設施的功率將逐漸增大，如此大功率的充電設施的安全性便成了重中之重，因此，這也對充電樁的測試提出了更高的要求。

目前的充電樁測試系統(tǒng)多用于研發(fā)、下線及法規(guī)標準檢測，需要電子負載、數(shù)采系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等設備，可移動性差、成本高，對已投入運營的充電樁來說，檢測成本過高，因此本文設計了一種便攜式充電樁檢測裝置，在充電樁對新能源汽車正常充電時，對充電流程進行監(jiān)控，達到測試充電樁的目的。

1 非車載直流充電樁充電過程分析

2015 年底國家發(fā)布了電動汽車非車載直流充電樁與汽車電池包管理系統(tǒng)之間的通訊協(xié)議及接口要求，對充電樁與電動汽車的連接裝置及握手過程進行了詳細的定義[5～7]。如圖1 所示，為非車載直流充電樁充電槍接口部分，其中9 個 引 腳 為：PE、DC+、DC-、S+、S-、A+、A-、CC1、CC2，分別為：地線、電能輸出的正極與負極、通信CAN高與低、低壓輔助電源正極與負極、檢測點1、檢測點2。

圖1 非車載直流充電樁充電槍接口部分

根據(jù)國標，在充電過程中需要經(jīng)歷6 個階段，如圖2，分別為：物理連接、低壓輔助上電、握手、參數(shù)配置、高壓上電充電、充電結束配置、結束充電[8]，在測試過程中，主要監(jiān)測這6 個狀態(tài)。

圖2 充電樁充電流程

2 需求分析及軟硬件設計

■2.1 需求分析

測試裝置主要用測監(jiān)測非車載直流充電樁對電動汽車進行充電時，充電過程中的CC1、CC2時序、CAN報文準確性、電壓電流，在監(jiān)測所有過程的同時具有保護功能，即當檢測到異常時，會終止整個充電過程以達到保護人員安全及設備安全的目的。

■2.2 硬件設計

根據(jù)2.1 中的需求，本檢測裝置應具有：can 信息監(jiān)控、電壓采集、電流采集、繼電器控制功能。硬件系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)圖

本系統(tǒng)通過轉接裝置，將CC1、CC2、CAN 及高壓輸出接到傳感器及USB-CAN 上，以方便對充電過程進行完整地監(jiān)控。

控制系統(tǒng)采用便攜式筆記本電腦，運行win7 操作系統(tǒng)，用于運行本裝置的上位機控制系統(tǒng)。

CAN 監(jiān)控采用廣州致遠公司生產(chǎn)的USBCAN-II。根據(jù)相關國標，非車載直流充電樁與汽車電池管理系統(tǒng)進行can 報文交互的標準使用CAN2.0B 通信協(xié)議，波特率為250 kbit/s，報文周期最快為10ms，考慮到本系統(tǒng)的便攜性，采用USBCAN-II，其具有2 路CAN 收發(fā)接口，兼容CAN2.0B 協(xié)議，數(shù)據(jù)收發(fā)能力為2000 幀/秒，與上位機采用USB 通訊，符合本設計的需求。

本測試系統(tǒng)的電壓、電流采集分為電力部分電壓電流采集與信號電壓采集，其中電力部分電壓電流采集主要采集非車載直流充電樁的DC 輸出端的電壓電流，信號電壓采集主要用于采集CC1 與CC2 的電壓，采集點及范圍如表1 所示。

表1 電壓電流采集點及范圍

根據(jù)表1 中的檢測點及信號范圍、類型等參數(shù)，對傳感器及數(shù)采系統(tǒng)進行選型，由于需要采集直流高壓及電流信號的輸出波形參數(shù)，對傳感器的響應頻率要求較高，采用進口LEM 品牌的傳感器；CC1 與CC2 屬低壓信號，故不使用電壓傳感器，直接連接到數(shù)采系統(tǒng)中。

數(shù)采系統(tǒng)采用NI 公司的cDAQ 系列，根據(jù)信號數(shù)量，機箱采用cDAQ-9184，其具有4 個插槽用于接入采集模塊，與上位機通過LAN 進行通信；電壓采集模塊采用NI-9221 模塊，其具有8 通道，60V 輸入范圍，12bit 精度，800kS/s 采樣速度，滿足本系統(tǒng)的信號采集需求。

實驗急停采用繼電器模塊，繼電器的輸出回路鏈接非車載直流充電樁與電動汽車電池包，控制回路鏈接測試系統(tǒng)。繼電器控制回路采用NI 公司cDAQ 系列中的多功能I/O 模塊NI-9381，其具有4 通道的DO 輸出，可以在1uS 內輸出高電平或低電平信號，用于控制繼電器的通斷，以達到終止實驗的目的。

■2.3 軟件設計

虛擬儀器技術可以利用計算機實現(xiàn)儀器、設備管理，通過計算機軟件實驗硬件電路的控制及檢測，為測控系統(tǒng)一種高效、靈活的解決方案[9]，本套系統(tǒng)的主控軟件基于NI 公司的Labview 開發(fā)。

根據(jù)需求，主控系統(tǒng)主要分為：CAN 監(jiān)控程序、數(shù)據(jù)采集程序、閾值報警程序以及急停程序。

CAN 監(jiān)控程序主要用于監(jiān)測充電過程中非車載直流充電樁與電動汽車電池管理系統(tǒng)質檢的CAN 報文交互，根據(jù)國標對通訊報文的要求，編寫DBC 文件，CAN 接收程序如圖4 所示，載入DBC 文件并初始化CAN 通道后，軟件會根據(jù)DBC 自動解析CAN 報文中的有效信息，并顯示在界面上。

圖4 CAN 監(jiān)控程序

數(shù)據(jù)采集程序主要用于采集CC1/CC2 及電流電壓傳感器的輸出電壓，在本設計中采用Labview 編程環(huán)境中的cDAQ 助手進行程序編寫，創(chuàng)建一個DAQ 任務后進行采集，采集后對數(shù)據(jù)進行處理并輸出，由于采樣頻率過高，所以對采集到的數(shù)據(jù)進行均值處理后進行輸出。

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序

閾值報警程序主要用于監(jiān)控試驗過程中的數(shù)據(jù)是否正常，若數(shù)據(jù)不正常，則啟動急停程序，操作繼電器斷開高壓電纜，以達到保護設備及保障人員安全的目的。如圖6 所示，報警程序分為三級報警，被監(jiān)控參數(shù)的實際值在不同的報警范圍內，程序會作出不同的相應，包括：軟件界面顯示信息窗口、蜂鳴器啟動、設備急停切斷繼電器。

圖6 報警程序

3 實驗驗證

系統(tǒng)實物圖如圖7 所示，圖中分別為數(shù)據(jù)采集模塊、USBCAN 模塊以及在win7 環(huán)境下運行的軟件主控界面。

圖7 系統(tǒng)實物圖

對市面上某品牌20kW 的充電樁進行測試，CAN 通訊報文及相關測試如表2 所示。ID 為0x1826f456 的幀為CHM 報 文，byte1，byte2，byte3分別為01 01 00，表示當前版本為V1.1，根 據(jù)GB/T 27930-2015 中 的SPN 定義，適用于本標準的當前版本號 為V1.1。ID 為0x182756f4 的 幀為BHM 報文，為BMS 握手報文，規(guī)定了最高允許充電電壓，幀數(shù)據(jù)為40 1f，對其進行解析后為8000，表示最高允許充電電壓為800.0V。ID為0x1801f456 的幀為CRM 報文，此時SPN2560=0x00，表示BMS 不能辨識。ID 為0x1cec56f4 的幀表示通過傳輸協(xié)議功能發(fā)送BRM 報文。BRM 報文交互完成后，ID 為0x1801f456 的CRM 報文反饋SPN2560=0xaa，表示BMS 能辨識，握手階段到此結束。ID為0x1cec56f4 到ID 為0x1cecf456 的幀表示充電樁與電池包模擬器進入配置階段，并完成配置。通過對以上結果進行分析，本充電樁的通信測試通過，滿足國家標準。

表2 CAN通訊測試

CC1 與CC2 的電壓有4 個狀態(tài)，充電過程中的各個狀態(tài)測量數(shù)據(jù)如表3 所示，經(jīng)比較，都符合國家規(guī)定的相關要求。

表3 CC1及CC2電壓測量

由于使用實際電池包進行測試不能測試全部充電樁的工況點，所以在本文的測試方案中采用可控的雙向直流源進行測試，令直流源工作在恒流模式下，通過BMS 模擬裝置向充電樁發(fā)送不同的電壓控制指令，使充電樁輸出不同的電壓值以測試充電樁的電壓輸出特性，設定值與實際值的對比>圖如圖8 所示，數(shù)據(jù)如表4 所示，通過分析，各項指標都符合國家法規(guī)規(guī)定實際值與設定值誤差＜2V 的要求。

圖8 非車載直流充電樁設定輸出電壓與實際輸出電壓對比

表4 非車載直流充電樁電壓輸出對比表

4 結論

本文設計了一款便攜式非車載直流充電樁測試裝備，軟件基于Labview 開發(fā)，硬件基于普通筆記本電腦及便攜式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，經(jīng)測試，本系裝置可以對市面上的充電樁進行測試，評價其電能輸出特性及通訊準確性。