基于虛擬儀器的便攜式非車(chē)載直流充電樁檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

李忠虎，王瀟霈

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古包頭，014017）

0 引言

根據(jù)2020 年底中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車(chē)技術(shù)路線(xiàn)圖2.0》中預(yù)測(cè)，在2025 年之前將有3200萬(wàn)輛新能源汽車(chē)上路[1]。2019 年初工信部明確未來(lái)的補(bǔ)貼將從新能源汽車(chē)購(gòu)置專(zhuān)項(xiàng)新能源汽車(chē)非車(chē)載充電樁等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，中共中央政治局常務(wù)委員會(huì)也在之后明確了七大“新基建”模塊，充電樁成了“新基建”領(lǐng)域的關(guān)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(dá)150kW 以上[4]，加之純電動(dòng)汽車(chē)充電難、充電慢、續(xù)航短的特點(diǎn)，未來(lái)的非車(chē)載充電設(shè)施的功率將逐漸增大，如此大功率的充電設(shè)施的安全性便成了重中之重，因此，這也對(duì)充電樁的測(cè)試提出了更高的要求。

目前的充電樁測(cè)試系統(tǒng)多用于研發(fā)、下線(xiàn)及法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)，需要電子負(fù)載、數(shù)采系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等設(shè)備，可移動(dòng)性差、成本高，對(duì)已投入運(yùn)營(yíng)的充電樁來(lái)說(shuō)，檢測(cè)成本過(guò)高，因此本文設(shè)計(jì)了一種便攜式充電樁檢測(cè)裝置，在充電樁對(duì)新能源汽車(chē)正常充電時(shí)，對(duì)充電流程進(jìn)行監(jiān)控，達(dá)到測(cè)試充電樁的目的。

1 非車(chē)載直流充電樁充電過(guò)程分析

2015 年底國(guó)家發(fā)布了電動(dòng)汽車(chē)非車(chē)載直流充電樁與汽車(chē)電池包管理系統(tǒng)之間的通訊協(xié)議及接口要求，對(duì)充電樁與電動(dòng)汽車(chē)的連接裝置及握手過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的定義[5～7]。如圖1 所示，為非車(chē)載直流充電樁充電槍接口部分，其中9 個(gè) 引 腳 為：PE、DC+、DC-、S+、S-、A+、A-、CC1、CC2，分別為：地線(xiàn)、電能輸出的正極與負(fù)極、通信CAN高與低、低壓輔助電源正極與負(fù)極、檢測(cè)點(diǎn)1、檢測(cè)點(diǎn)2。

圖1 非車(chē)載直流充電樁充電槍接口部分

根據(jù)國(guó)標(biāo)，在充電過(guò)程中需要經(jīng)歷6 個(gè)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(jié)束配置、結(jié)束充電[8]，在測(cè)試過(guò)程中，主要監(jiān)測(cè)這6 個(gè)狀態(tài)。

圖2 充電樁充電流程

2 需求分析及軟硬件設(shè)計(jì)

■2.1 需求分析

測(cè)試裝置主要用測(cè)監(jiān)測(cè)非車(chē)載直流充電樁對(duì)電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行充電時(shí)，充電過(guò)程中的CC1、CC2時(shí)序、CAN報(bào)文準(zhǔn)確性、電壓電流，在監(jiān)測(cè)所有過(guò)程的同時(shí)具有保護(hù)功能，即當(dāng)檢測(cè)到異常時(shí)，會(huì)終止整個(gè)充電過(guò)程以達(dá)到保護(hù)人員安全及設(shè)備安全的目的。

■2.2 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)2.1 中的需求，本檢測(cè)裝置應(yīng)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(guò)轉(zhuǎn)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(duì)充電過(guò)程進(jìn)行完整地監(jiān)控。

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

CAN 監(jiān)控采用廣州致遠(yuǎn)公司生產(chǎn)的USBCAN-II。根據(jù)相關(guān)國(guó)標(biāo)，非車(chē)載直流充電樁與汽車(chē)電池管理系統(tǒng)進(jìn)行can 報(bào)文交互的標(biāo)準(zhǔn)使用CAN2.0B 通信協(xié)議，波特率為250 kbit/s，報(bào)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(jī)采用USB 通訊，符合本設(shè)計(jì)的需求。

本測(cè)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(hào)電壓采集，其中電力部分電壓電流采集主要采集非車(chē)載直流充電樁的DC 輸出端的電壓電流，信號(hào)電壓采集主要用于采集CC1 與CC2 的電壓，采集點(diǎn)及范圍如表1 所示。

表1 電壓電流采集點(diǎn)及范圍

根據(jù)表1 中的檢測(cè)點(diǎn)及信號(hào)范圍、類(lèi)型等參數(shù)，對(duì)傳感器及數(shù)采系統(tǒng)進(jìn)行選型，由于需要采集直流高壓及電流信號(hào)的輸出波形參數(shù)，對(duì)傳感器的響應(yīng)頻率要求較高，采用進(jìn)口LEM 品牌的傳感器；CC1 與CC2 屬低壓信號(hào)，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(hào)數(shù)量，機(jī)箱采用cDAQ-9184，其具有4 個(gè)插槽用于接入采集模塊，與上位機(jī)通過(guò)LAN 進(jìn)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(mǎn)足本系統(tǒng)的信號(hào)采集需求。

實(shí)驗(yàn)急停采用繼電器模塊，繼電器的輸出回路鏈接非車(chē)載直流充電樁與電動(dòng)汽車(chē)電池包，控制回路鏈接測(cè)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(nèi)輸出高電平或低電平信號(hào)，用于控制繼電器的通斷，以達(dá)到終止實(shí)驗(yàn)的目的。

■2.3 軟件設(shè)計(jì)

虛擬儀器技術(shù)可以利用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)儀器、設(shè)備管理，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件實(shí)驗(yàn)硬件電路的控制及檢測(cè)，為測(cè)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(kāi)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(bào)警程序以及急停程序。

CAN 監(jiān)控程序主要用于監(jiān)測(cè)充電過(guò)程中非車(chē)載直流充電樁與電動(dòng)汽車(chē)電池管理系統(tǒng)質(zhì)檢的CAN 報(bào)文交互，根據(jù)國(guó)標(biāo)對(duì)通訊報(bào)文的要求，編寫(xiě)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(huì)根據(jù)DBC 自動(dòng)解析CAN 報(bào)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(shè)計(jì)中采用Labview 編程環(huán)境中的cDAQ 助手進(jìn)行程序編寫(xiě)，創(chuàng)建一個(gè)DAQ 任務(wù)后進(jìn)行采集，采集后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并輸出，由于采樣頻率過(guò)高，所以對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行均值處理后進(jìn)行輸出。

圖5 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)程序

閾值報(bào)警程序主要用于監(jiān)控試驗(yàn)過(guò)程中的數(shù)據(jù)是否正常，若數(shù)據(jù)不正常，則啟動(dòng)急停程序，操作繼電器斷開(kāi)高壓電纜，以達(dá)到保護(hù)設(shè)備及保障人員安全的目的。如圖6 所示，報(bào)警程序分為三級(jí)報(bào)警，被監(jiān)控參數(shù)的實(shí)際值在不同的報(bào)警范圍內(nèi)，程序會(huì)作出不同的相應(yīng)，包括：軟件界面顯示信息窗口、蜂鳴器啟動(dòng)、設(shè)備急停切斷繼電器。

圖6 報(bào)警程序

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

系統(tǒng)實(shí)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(yùn)行的軟件主控界面。

圖7 系統(tǒng)實(shí)物圖

對(duì)市面上某品牌20kW 的充電樁進(jìn)行測(cè)試，CAN 通訊報(bào)文及相關(guān)測(cè)試如表2 所示。ID 為0x1826f456 的幀為CHM 報(bào) 文，byte1，byte2，byte3分別為01 01 00，表示當(dāng)前版本為V1.1，根 據(jù)GB/T 27930-2015 中 的SPN 定義，適用于本標(biāo)準(zhǔn)的當(dāng)前版本號(hào) 為V1.1。ID 為0x182756f4 的 幀為BHM 報(bào)文，為BMS 握手報(bào)文，規(guī)定了最高允許充電電壓，幀數(shù)據(jù)為40 1f，對(duì)其進(jìn)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(bào)文，此時(shí)SPN2560=0x00，表示BMS 不能辨識(shí)。ID 為0x1cec56f4 的幀表示通過(guò)傳輸協(xié)議功能發(fā)送BRM 報(bào)文。BRM 報(bào)文交互完成后，ID 為0x1801f456 的CRM 報(bào)文反饋SPN2560=0xaa，表示BMS 能辨識(shí)，握手階段到此結(jié)束。ID為0x1cec56f4 到ID 為0x1cecf456 的幀表示充電樁與電池包模擬器進(jìn)入配置階段，并完成配置。通過(guò)對(duì)以上結(jié)果進(jìn)行分析，本充電樁的通信測(cè)試通過(guò)，滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

表2 CAN通訊測(cè)試

CC1 與CC2 的電壓有4 個(gè)狀態(tài)，充電過(guò)程中的各個(gè)狀態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)如表3 所示，經(jīng)比較，都符合國(guó)家規(guī)定的相關(guān)要求。

表3 CC1及CC2電壓測(cè)量

由于使用實(shí)際電池包進(jìn)行測(cè)試不能測(cè)試全部充電樁的工況點(diǎn)，所以在本文的測(cè)試方案中采用可控的雙向直流源進(jìn)行測(cè)試，令直流源工作在恒流模式下，通過(guò)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(cè)試充電樁的電壓輸出特性，設(shè)定值與實(shí)際值的對(duì)比>圖如圖8 所示，數(shù)據(jù)如表4 所示，通過(guò)分析，各項(xiàng)指標(biāo)都符合國(guó)家法規(guī)規(guī)定實(shí)際值與設(shè)定值誤差＜2V 的要求。

圖8 非車(chē)載直流充電樁設(shè)定輸出電壓與實(shí)際輸出電壓對(duì)比

表4 非車(chē)載直流充電樁電壓輸出對(duì)比表

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一款便攜式非車(chē)載直流充電樁測(cè)試裝備，軟件基于Labview 開(kāi)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(cè)試，本系裝置可以對(duì)市面上的充電樁進(jìn)行測(cè)試，評(píng)價(jià)其電能輸出特性及通訊準(zhǔn)確性。