一種充電樁運維巡檢裝置的研制

張明暉，張 濤，徐廣騰，劉寶文，關朝強

一種充電樁運維巡檢裝置的研制

張明暉，張 濤，徐廣騰，劉寶文，關朝強

(北京博電未來電動汽車科技有限公司, 北京 100176)

為了解決充電樁運維巡檢缺乏專用設備的問題，開展了充電樁運維巡檢裝置的研制。首先，從標準、設備和安裝現場等方面分析了充電樁運維巡檢工作中的問題。其次，從充電樁運維巡檢標準、設備及人員培訓方面提出了建議。再次，提出了一種充電樁運維巡檢裝置。從研制要求、技術路線、功能和組成等方面闡述了裝置的研制。最后，對充電樁運維巡檢行業的發展提出了建議，并指出未來充電樁的運維需要在標準和設備兩方面開展工作。

充電樁；充電樁巡檢；交直流一體；充電樁測試

0 引言

為應對氣候變化，我國做出了“二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”的目標承諾。國家相關部委陸續出臺了相關的政策，交通運輸部、國家發展改革委在《綠色出行創建行動方案》中明確提出：“到2022年，力爭60%以上的創建城市綠色出行比例達到70%以上”。交通電動化是其中關鍵一環，而充電樁又是綠色出行的重要基礎設施，得到了大力地推動和發展。根據中國充電基礎設施促進聯盟統計，截至2022年4月，全國充電設施累計數量為332.4萬臺。大量充電樁的接入，給配電網帶來了潛在的風險[1]，因此對已經投運的充電樁運維、巡檢的要求也越來越高。及時有效的運維、巡檢工作對保障充電樁正常工作，及時排除安全和故障隱患具有重要作用[2]。

目前充電樁運維、巡檢工作一般使用充電樁測試儀、測試車等設備完成或人工憑經驗做簡單判斷。充電樁測試儀、測試車等設備是為開展充電樁現場測試而設計的，使用的技術門檻高，并且接線復雜，測試時間長[3-5]，不能滿足日常運維、巡檢的要求。

由于缺乏相應的標準、專業的運維設備，并受制于運維人員的技術水平等因素，致使部分充電樁運維、巡檢工作形同虛設，導致了充電樁存在安全隱患，故障率較高[6-7]。

在調研了某電動汽車服務公司及多家具有代表性的充電樁運營企業后，根據充電樁運維、巡檢工作的特點，總結日常運維的需求，研制了一種接線簡單、擺脫對人員技術能力及經驗的依賴性、低成本的交直流一體充電樁運維巡檢裝置。

1 充電樁運維巡檢工作存在的問題

根據對前述企業的調研結果分析，目前充電樁運維、巡檢工作存在以下問題[8]。

1) 沒有統一的充電樁運維、巡檢標準

國家發布了多項充電樁測試標準，包括NB/T33008.1.2、GB/T34657.1等，對充電樁的測試提出了明確的要求，規范了試驗條件[9-11]。國家電網也出臺了“營銷智用〔2018〕45號國網營銷部關于印發進一步加強電動汽車充電設備質量評價工作方案的通知”，對國網系統內的充電樁在到貨階段、驗收階段、運行階段的測試提出了具體要求。充電樁的運維、巡檢工作與充電樁測試工作性質不同，因此這些充電樁測試標準，無法直接用于指導充電樁的運維、巡檢。

由于沒有統一的充電樁運維、巡檢標準，調研的幾家充電樁運營企業制定了自己的運維、巡檢規定。部分企業引用了NB/T33008.1.2、GB/T34657.1標準[12]，刪減了不適合在現場檢測的項目，有些企業只進行簡單的充電功能驗證。

2) 缺乏專業的充電樁運維、巡檢設備

有的企業采用充電樁測試設備開展充電樁現場測試。這些設備用于充電樁運維、巡檢的缺點是對使用人員的技術水平要求高，時間長，導致很多充電樁無法及時巡檢。另一方面，這些設備往往比較昂貴，無法進行大面積的推廣和應用。

有的企業采用常規的萬用表等工具，巡檢人員憑經驗做簡單判斷。這種方式的缺點是無法發現充電樁的全部故障隱患，容易造成故障隱患發展成永久故障甚至安全事故。

3) 相當數量的充電樁建設在居民區[13]，如果缺乏運維、巡檢的有效手段，會留下安全隱患，有可能導致人身及財產損害。

上述問題影響了充電樁運維、巡檢工作的開展，亟需一種能夠快速進行充電樁運維、巡檢，并且操作簡單、接線方便的專用設備。

2 充電樁運維巡檢工作的改進建議

2.1 運維、巡檢標準的建議

由于沒有統一的充電樁運維、巡檢標準，充電樁運營企業各自為戰，導致了充電樁運行狀況相差較大，甚至存在各種安全隱患，這大大降低了客戶體驗，可能危害到人身安全。因此建議有關部門盡快制定統一的具有指導意義的充電樁運維、巡檢標準，規范各充電樁運營企業的運維、巡檢工作。

在充電樁的測試標準中，明確細致地規定了充電樁的測試項目，分為交直流充電樁電性能、互操作、協議一致性等[9-11,14-15]。

建議在未來的充電樁運維、巡檢標準中，像充電樁的測試標準一樣，對運維、巡檢的項目做出明確的規定。根據對某電動汽車服務公司和充電樁運營企業的調研結果，對未來充電樁運維、巡檢標準提出如下建議。

將充電樁運維、巡檢項目分為基本充電功能、安全保護、設備保護等。文獻[16-19]針對不同類型的充電樁，有具體的項目建議。

2.1.1 交流充電樁運維巡檢項目

1) 基本充電功能

交流充電樁能夠正常完成整個充電過程。

2) 安全保護

交流充電樁在發生安全故障時及時停止充電，項目包括：電氣絕緣、接地、主動停止充電、被動停止充電等。其中主動停止充電項目驗證充電樁的急停功能；被動停止充電項目驗證充電樁的開門保護功能。

3) 設備保護

充電過程中電動汽車或充電槍發生異常時，充電樁必須及時停止充電。檢查的項目包括：CC斷線、CP斷線、CP接地、斷開開關S2斷開等。

2.1.2 直流充電樁運維巡檢項目

1) 基本充電功能

直流充電樁能夠正常完成整個充電過程。具體檢查的項目包括：正常充電過程、暫停輸出、充電樁輸出電壓以及通信協議一致性等。

2) 安全保護

直流充電樁在發生安全故障時及時停止充電，具體的檢查項目包括：電氣絕緣、接地、主動停止充電、被動停止充電等。其中主動停止充電項目驗證充電樁的急停功能；被動停止充電項目驗證充電樁的開門保護功能。

3) 設備保護

充電過程中電動汽車或充電槍發生異常時，充電樁必須及時停止充電。具體的檢查項目包括：絕緣故障測試、充電接口斷開、單體蓄電池電壓異常、整車動力蓄電池SOC異常、動力蓄電池充電電流異常、動力蓄電池溫度異常、動力蓄電池絕緣狀態異常、動力蓄電池輸出連接器連接狀態異常、輸出連接器過溫故障。這類項目牽涉到充電樁和電動汽車設備安全，尤其是蓄電池的項目，牽涉到電動汽車的安全、續航里程、經濟性能、安全性能以及動力性能等[20]。

2.2 運維、巡檢設備的建議

由于缺乏專業的運維、巡檢設備，部分充電樁運營企業直接采用充電樁測試設備作為運維、巡檢設備，例如充電樁測試車、充電樁測試儀等。以充電樁測試車為例，測試車由充電接口測試裝置、大功率交流負載、大功率直流負載、錄波儀、功率分析儀等組成[21-24]，結構復雜，測試過程和接線十分繁瑣。充電樁測試儀雖然屬于便攜式設備，但是仍然具有使用復雜、測試時間長的特點。

充電樁的測試和運維、巡檢是兩種性質不同的工作，充電樁測試設備用于運維、巡檢必然會帶來文中所述的問題。因此，充電樁運維、巡檢工作應該采用專業的設備完成。

設備應該滿足如下需求。

1) 操作簡單，普通運維人員經過簡單培訓即可使用該設備完成充電樁的運維、巡檢。

2) 不需要外部接線，使用方便，能夠快速完成工作。

3) 便于攜帶，減少運維人員的負擔。

4) 設備既可以用于交流充電樁，也可以用于直流充電樁，即交直流一體，以減少設備種類。

5) 成本經濟，以利于設備的推廣應用。

6) 支持2011版和2015版新舊兩版國標的充電樁。

2.3 運維、巡檢人員培訓的建議

隨著充電樁行業的快速發展，對充電樁運維隊伍的素質特別是高層次充電樁運維人才提出了更高的要求。因此加強充電樁運維人員的專業技能培訓，將有利于充電樁運維、巡檢工作的開展。建議各充電樁運營企業、培訓機構等大力開展充電樁日常運維、安全隱患排查、常見故障檢修等方面技能培訓，提高運維人員在充電樁安裝、運行、維護、檢修等方面的技能水平。

3 充電樁運維巡檢裝置的研制

3.1 研制要求

現場充電樁的主要問題可以歸納為器件故障、外力破壞、運營管理三大類[25-26]。

器件故障包括：讀卡器故障、充電模塊故障、交流接觸器故障、風機故障、電表通信故障、充電樁離線故障等。

外力破壞類包括：輸入功能故障、屏幕損壞、充電槍損壞、急停故障、充電樁體損壞等。

運營管理類包括：充電樁遷改移、未投運、未上電、充電槍隨意扔到地面、充電終端外殼破損等。

通過充電樁運維、巡檢工作要能夠發現、排查上述問題，這也是充電樁運維、巡檢裝置的主要用途。

3.2 技術路線

1) 設計依據

裝置需要符合充電樁充電接口相關標準的要求，包括：

GB/T 18487.1-2015 電動汽車傳導充電系統通用要求

GB/T 20234.1-2015 電動汽車傳導充電用連接裝置通用要求

GB/T 20234.2-2015 電動汽車傳導充電用連接裝置交流接口

GB/T 20234.3-2015 電動汽車傳導充電用連接裝置直流接口

GB/T 27930-2015 電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統中間的通信協議

2) 總體設計

裝置能夠模擬電動汽車的充電接口，啟動充電樁進行充電。裝置要記錄整個充電過程的數據，分析判斷充電的成功或失敗。裝置還需要模擬充電過程中的常見故障，驗證充電樁的保護功能。考慮到成本、體積和重量等因素，裝置采用合金電阻絲模擬充電負荷。

從方便運維和管理角度出發，裝置應該設計為交直流一體，即將交流充電樁和直流充電樁的運維巡檢功能集成到一臺裝置上。

裝置的使用場合為戶外，需要頻繁移動，因此需要采用便攜式設計，可以放入背包中。

3) 外觀設計

裝置的外觀采用扁平造型，可以放到專用的挎包中，方便運維人員攜帶。由于充電槍頭需要的插拔力較大，為保證順利插拔，需要有助力機構。裝置的外觀設計中，要把散熱通道的設計作為重點考慮的問題，防止充電槍和線纜阻擋散熱風道。為避免出現交流充電槍和直流充電槍同時插在裝置上的情況，裝置需要考慮防呆設計。圖1為外觀設計的構想圖。

圖1 外觀設計構想圖

4) 主電路設計

裝置需要啟動充電樁，完成整個充電過程。因此主電路需要包括交流控制導引電路、直流控制導引電路、BMS模擬電路、電池電壓模擬電路和負載電阻。控制導引電路需要具備模擬故障的能力，用以檢驗充電樁的故障保護功能。控制導引電路要具有較高的兼容性，以適應不同廠家的充電樁。

5) 外部接口設計

為了使裝置使用簡便，高效巡檢，裝置應該盡量簡化外部接口，減少外部接線。經過優化，裝置提供的外部接口包括：交流充電座、直流充電座、電源口、維護口。

6) 主控制芯片選擇

裝置的軟件系統是基于linux開發，能夠模擬電動汽車的整個充電過程，采集、分析充電樁數據，判斷數據波形，并自動生成測試報告。因此主控制芯片需要具備足夠的計算能力，并提供CAN、以太網等接口。在比較了多款芯片后，裝置采用了TI Hercules RM46L852PGET 數字微控制器，支持1路以太網、2路USB、3路CAN通信接口。

3.3 裝置的構成及功能

充電樁運維巡檢裝置與充電樁之間的連接如圖2所示。

圖2 充電樁與運維巡檢儀連接圖

裝置主要由交流充電接口、直流充電接口、交流控制導引電路、直流控制導引電路、電池電壓模擬回路、BMS模擬單元、電池包及充電回路、交直流負載、通信模塊、核心控制板、人機接口以及外圍輔助回路，例如散熱風扇、外殼、告警燈等組成。原理如圖3所示。

交流充電接口和直流充電接口采用符合GB/T20234標準的交流充電座和直流充電座。充電座之間采用互鎖設計。交流控制導引電路和直流控制導引電路模擬車輛端導引回路，采用電池電壓模擬回路模擬動力電池的電壓，可以根據充電的各個階段調整電壓。BMS模擬單元模擬車輛端BMS的CAN通信，運行GB/T 27930協議。

圖3 運維巡檢儀原理圖

裝置采用交直流電阻負載給充電樁提供最基本的充電負荷，功率為交流1 kW/直流3 kW。

核心控制板采用完成數據采集和傳輸單元、負載模塊、核心控制板采用工控機板，完成整個裝置的控制和測試。通信模塊提供WIFI、藍牙和4G通信功能。

裝置內置鋰電池，用于在充電前啟動裝置并與APP建立連接。充電樁啟動后裝置采用充電樁供電，同時給內置鋰電池充電。裝置的實物圖如圖4所示。

圖4 運維巡檢儀實物照片

3.3 基本功能

充電樁運維巡檢裝置能夠滿足交、直流充電樁日常運維、巡檢的要求，具備如下功能。

1) 自動充電交互：將直流充電樁或交流充電樁的充電槍直接插入裝置的槍座中，啟動充電樁，即可自動開始檢查充電樁。

2) 數據監測和顯示：能夠監測、記錄和實時顯示當前各類數據和報文等，包括電氣量、信號量等。

3) 可兼容GB/T27930的2011版和2015版的充電協議。

4) 可模擬的交流故障狀態和直流故障狀態。

5) 具備故障告警和保護功能。

6) 提供手機端APP。

4 結論

當前電動汽車行業處于高速發展時期，為了防止充電樁由于運維、巡檢不到位、不及時，造成電動汽車無法充電甚至發生事故，對充電樁開展運維、巡檢成為一項非常必要的工作。本文根據前期對某電動汽車服務公司和知名充電樁運營企業的調研，總結分析其需求，提出了充電樁運維、巡檢工作的建議，研制了一種交直流一體的充電樁運維巡檢裝置。

充電樁的相關測試標準中，對于充電樁測試提出了明確的要求，但是目前還缺乏專門針對充電樁運維巡檢的標準，亟需制定一個統一的標準。另一方面，在充電樁運維、巡檢方面，建議各相關企業和企業共同努力，盡快研制更多的專業的運維、巡檢設備，以幫助充電樁運營企業高效、經濟地開展運維、巡檢工作。

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Development of an operation and maintenance inspection device for charging pile

ZHANG Minghui, ZHANG Tao, XU Guangteng, LIU Baowen, GUAN Chaoqiang

(Beijing PONOVO Future Electric Vehicle Technology Co., Ltd., Beijing 100176, China)

In order to solve the problem of lack of special equipment for charging pile operation and maintenance inspection, a charging pile operation and maintenance inspection device is developed. First, the problems in the operation and maintenance inspection of charging pile are analyzed from the aspects of standards, equipment and installation site. Secondly, suggestions are put forward from the aspects of charging pile operation and maintenance inspection standards, equipment and personnel training. Thirdly, a charging pile operation and maintenance inspection device is proposed. The development of the device is described from the aspects of development requirements, technical route, function and composition. Finally, it puts forward some suggestions on the development of charging pile operation and maintenance inspection industry, and points out that the operation and maintenance of charging pile in the future needs to be carried out in two aspects of standards and equipment.

charging pile; charging pile inspection; AC and DC integration; charging pile test

2021-09-30；

2021-11-20

張明暉(1970—)，男，碩士，高級工程師，研究方向為新能源及電動汽車；E-mail: zhangmh@ponovo.cn

張 濤(1984—)，男，碩士，高級工程師，研究方向為電力電子、新能源檢測、充電樁檢測；E-mail: 151433633@ qq.com

徐廣騰(1976—)，男，碩士，高級工程師，研究方向為新能源檢測、充電樁檢測、繼電保護。E-mail: 18611348106@ 163.com