葉 旺,江 磊,李智輝
一種電動(dòng)汽車(chē)直流充電系統(tǒng)下線(xiàn)檢測(cè)方案探討
葉 旺1,江 磊1,李智輝2
(1.上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院,上海 201600;2.上海鈦昕電氣科技有限公司,上海 201600)
為解決電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)出廠(chǎng)檢測(cè)問(wèn)題,提出一種面向電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)的檢測(cè)設(shè)備,電氣結(jié)構(gòu)按照GB/T-34657標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),按照國(guó)標(biāo)GB/T-27930對(duì)電動(dòng)汽車(chē)通信時(shí)序執(zhí)行測(cè)試,判斷車(chē)輛在常規(guī)充電以及各種臨界狀態(tài)是否符合標(biāo)準(zhǔn),實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)輛充電控制系統(tǒng)出廠(chǎng)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,該方案能夠測(cè)出被測(cè)車(chē)輛充電系統(tǒng)是否正常工作,協(xié)議時(shí)序是否符合國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)、以及控制引導(dǎo)電路對(duì)各檢測(cè)點(diǎn)電壓值是否保留規(guī)定裕量等。
電動(dòng)汽車(chē);汽車(chē)充電控制系統(tǒng);直流充電系統(tǒng);車(chē)輛檢測(cè)設(shè)備
隨著國(guó)內(nèi)新能源汽車(chē)市場(chǎng)逐漸發(fā)展壯大,國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上新能源汽車(chē)品牌越來(lái)越多,隨之也帶來(lái)諸多問(wèn)題,各廠(chǎng)商車(chē)輛充電管理系統(tǒng)各有差異,充電控制器邏輯各不相同,導(dǎo)致不同品牌車(chē)輛對(duì)不同充電樁的適配性、可靠性逐漸成為充電樁研發(fā)企業(yè)和電動(dòng)汽車(chē)制造方關(guān)注的重點(diǎn)。早期市場(chǎng)上充電樁企業(yè)相比新能源車(chē)企實(shí)力薄弱,研究方向主要聚焦在充電樁合格性檢測(cè)上,隨著市場(chǎng)逐漸擴(kuò)大,更多新能源汽車(chē)企業(yè)接入后,不同車(chē)輛對(duì)充電樁的兼容性問(wèn)題也層出不窮[1-2]。初期設(shè)備故障大多需要專(zhuān)業(yè)人員或是經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的技術(shù)人員現(xiàn)場(chǎng)排查,操作門(mén)檻較高。為了保證電動(dòng)汽車(chē)充電控制系統(tǒng)可靠性、減少研發(fā)人員售后投入,需要嚴(yán)格對(duì)出廠(chǎng)車(chē)輛充電系統(tǒng)功能進(jìn)行全方面檢測(cè)[3-4]。為此有必要引入電動(dòng)汽車(chē)交/直流充電系統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備,來(lái)實(shí)現(xiàn)充電樁和電動(dòng)汽車(chē)質(zhì)量管控。在電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)中,直流充電相比交流充電擁有更快的充電速度、更短的充電時(shí)長(zhǎng)成為充電樁市場(chǎng)上的焦點(diǎn),新的ChaoJi充電通信協(xié)議將直流充電功率又推上新高度。功能更加強(qiáng)大的同時(shí)也帶來(lái)系統(tǒng)更加繁雜的問(wèn)題,為保證充電樁與車(chē)雙方的可靠性、安全性等,國(guó)標(biāo)在規(guī)約雙方通信協(xié)議和電氣結(jié)構(gòu)同時(shí),也規(guī)約樁與車(chē)端充電檢測(cè)設(shè)備必須完成的檢測(cè)項(xiàng)目。
在檢測(cè)設(shè)備中,方向分為對(duì)充電樁和對(duì)新能源汽車(chē)兩類(lèi),面向車(chē)端的檢測(cè)設(shè)備在應(yīng)用場(chǎng)景有車(chē)輛出廠(chǎng)流水線(xiàn)檢測(cè)、故障現(xiàn)場(chǎng)排查、車(chē)輛售后返修檢測(cè)等[5-6],此次研究主要探討面向車(chē)端的直流充電系統(tǒng)檢測(cè)設(shè)備,用以實(shí)現(xiàn)車(chē)輛出廠(chǎng)質(zhì)量管控、縮短測(cè)試周期、提高生產(chǎn)效率。
測(cè)試硬件主體內(nèi)容按照GB/T-34657[7-11]需求設(shè)計(jì)。主體框架如圖1所示。

圖1 硬件框架圖
設(shè)備使用三相電供電,在硬件系統(tǒng)中,AC轉(zhuǎn)DC模塊用于為電動(dòng)汽車(chē)直流充電提供電壓和電流,主控制器調(diào)度硬件資源實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)功能;電阻模擬模塊負(fù)責(zé)改變充電過(guò)程中檢測(cè)點(diǎn)CC2電壓作為測(cè)量CC2電壓臨界值的硬件資源;絕緣電阻模擬板負(fù)責(zé)改變DC輸出線(xiàn)上絕緣電阻大小,模擬絕緣故障和絕緣異常情況;檢測(cè)設(shè)備和被測(cè)車(chē)輛連接口與國(guó)標(biāo)規(guī)定非車(chē)載式充電設(shè)備接口完全一致,但內(nèi)部經(jīng)過(guò)特殊改造使得CC2點(diǎn)電壓受控。設(shè)備提供液晶顯示屏作為人機(jī)交互界面。
采用ST系列高性能處理器,使用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)檢測(cè)邏輯,中央控制單元實(shí)時(shí)采集各點(diǎn)電壓值,在符合GB/T-27930協(xié)議條件下,監(jiān)測(cè)雙方CAN報(bào)文交互,處理測(cè)試項(xiàng)中所有數(shù)據(jù)并判斷車(chē)輛工作是否正常。測(cè)試框架如圖2所示。

圖2 測(cè)試框架圖
左側(cè)主測(cè)試項(xiàng)為GB/T-34657直流部分所有基本測(cè)試項(xiàng)目,右側(cè)分區(qū)為測(cè)試項(xiàng)目詳細(xì)測(cè)試節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)內(nèi)部監(jiān)測(cè)線(xiàn)程任務(wù)將各報(bào)文發(fā)送階段作為節(jié)點(diǎn),實(shí)時(shí)顯示測(cè)試階段。
直流充電可分為:連接確認(rèn);樁端絕緣檢測(cè);車(chē)端絕緣檢測(cè);充電就緒階段;充電階段;充電結(jié)束階段,如圖3所示。插槍后CC1檢測(cè)點(diǎn)采樣值為4 V時(shí),樁端供電系統(tǒng)開(kāi)啟CHM握手報(bào)文發(fā)送,5 s內(nèi)接收不到車(chē)端BHM報(bào)文時(shí),即可判斷握手階段失敗,檢測(cè)設(shè)備提供工作人員錯(cuò)誤代碼和推薦解決方案;CHM通過(guò)后進(jìn)入充電樁端絕緣檢測(cè)階段,絕緣檢測(cè)判定正常后進(jìn)入辨識(shí)階段,辨識(shí)階段主要內(nèi)容是樁與車(chē)參數(shù)匹配;辨識(shí)通過(guò)后發(fā)送時(shí)間同步和輸出能力等內(nèi)容;下一階段車(chē)端開(kāi)始絕緣檢測(cè),檢測(cè)完成后正式進(jìn)入電池充電環(huán)節(jié),最后達(dá)到預(yù)設(shè)結(jié)束充電條件后停止充電,至此完成一輪充電流程。每一步驟皆有嚴(yán)格時(shí)序要求,出現(xiàn)故障即可鎖定車(chē)輛故障源頭,實(shí)現(xiàn)充電檢測(cè)目的。

圖3 充電流程圖
絕緣故障測(cè)試原理是通過(guò)絕緣電阻板模擬對(duì)地電阻值,將正負(fù)母線(xiàn)對(duì)地加入一個(gè)30k電阻模擬絕緣故障、或加入200k電阻模擬絕緣異常,此電阻值大小取決于GB/T-34657內(nèi)規(guī)約的絕緣正常、異常、故障值范圍,在充電過(guò)程中投入絕緣電阻,即可檢測(cè)被測(cè)車(chē)輛是否有正確應(yīng)對(duì)絕緣異常、絕緣故障的反應(yīng)能力。PE地線(xiàn)斷針與絕緣測(cè)試類(lèi)似,將保護(hù)接地線(xiàn)斷開(kāi),車(chē)輛應(yīng)能夠立即做出反應(yīng)停止充電。
通信中斷測(cè)試檢測(cè)通信數(shù)據(jù)包掉幀問(wèn)題,以及通訊阻塞等,此測(cè)試項(xiàng)目的在于檢測(cè)車(chē)輛面對(duì)各種未知情況的處理能力,通過(guò)充電中模擬數(shù)據(jù)掉包來(lái)檢測(cè)車(chē)輛動(dòng)作情況,一般情況下,在充電樁端某類(lèi)應(yīng)發(fā)報(bào)文在一定時(shí)長(zhǎng)內(nèi)未成功傳送到總線(xiàn)上時(shí),可能樁端已經(jīng)出現(xiàn)問(wèn)題,例如過(guò)熱起火等極端情況,此時(shí)車(chē)輛應(yīng)迅速停止充電,阻止問(wèn)題繼續(xù)擴(kuò)大,所以車(chē)端面對(duì)通信中斷應(yīng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)迅速終止,且能在通信恢復(fù)后重連樁端,重新開(kāi)始充電流程。
檢測(cè)點(diǎn)2邊界值電壓測(cè)試,本設(shè)備采用程序控制可調(diào)電阻板,通過(guò)定制充電槍內(nèi)CC2信號(hào)線(xiàn),來(lái)實(shí)現(xiàn)改變車(chē)端檢測(cè)到的CC2電壓值,車(chē)輛應(yīng)在能接受的范圍內(nèi)允許檢測(cè)點(diǎn)2電壓出現(xiàn)浮動(dòng)。插槍后各點(diǎn)電壓值如表1所示。

表1 各檢測(cè)點(diǎn)電壓值
輔助電源早期作為電池BMS充電控制器供電電源投入使用,近幾年來(lái)大部分新能源汽車(chē)并不需要此電源來(lái)供電,僅作為連接成功判定標(biāo)識(shí)。國(guó)標(biāo)規(guī)約樁端提供給車(chē)的輔源標(biāo)準(zhǔn)值為12 V,浮動(dòng)范圍為±0.6 V,即車(chē)輛在11.4~12.6 V輔助電源值下應(yīng)能正常工作。從另一方面來(lái)看,輔助電源超出標(biāo)準(zhǔn)值或是低于下限值時(shí),此時(shí)樁端供電模塊或是供電電壓可能已出現(xiàn)問(wèn)題,無(wú)論車(chē)端是否由輔助電源供電都應(yīng)該能主動(dòng)停止充電進(jìn)入充電結(jié)束階段。
控制回路模型如圖4所示,用以保證本設(shè)備輸出電源精度,系統(tǒng)采用閉環(huán)控制來(lái)控制可調(diào)電源輸出精確電壓值,誤差在±0.1%以?xún)?nèi)。測(cè)試結(jié)束后可提供故障指示等內(nèi)容,測(cè)試系統(tǒng)提供故障來(lái)源和解決辦法。顯示界面顯示所有測(cè)試項(xiàng)統(tǒng)計(jì)信息,包括已測(cè)試項(xiàng)目、已通過(guò)項(xiàng)目、未通過(guò)項(xiàng)目、測(cè)試時(shí)長(zhǎng)等內(nèi)容,便于廠(chǎng)家統(tǒng)計(jì)信息。可供使用方接入上級(jí)控制單元,應(yīng)用在車(chē)廠(chǎng)流水線(xiàn)出廠(chǎng)檢測(cè)等環(huán)境下統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。

圖4 輸出信號(hào)閉環(huán)控制圖
在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下校準(zhǔn)設(shè)備采樣精度,理想狀態(tài)下電壓值與電路各系數(shù)成線(xiàn)性關(guān)系,實(shí)際情況下,溫差帶來(lái)的電路電阻變化,電阻自身精度影響都會(huì)導(dǎo)致實(shí)際測(cè)試值與預(yù)期電壓值出現(xiàn)較大誤差。為保障測(cè)試設(shè)備精度,在采取閉環(huán)調(diào)節(jié)條件下對(duì)各測(cè)試相關(guān)點(diǎn)電壓值進(jìn)行精確校驗(yàn)并采取補(bǔ)償算法,確保測(cè)試設(shè)備端精度,未經(jīng)校準(zhǔn)時(shí),采樣精度誤差在0.5%~1.5%,經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)后系統(tǒng)誤差能控制在2‰以?xún)?nèi)。
必須保障檢測(cè)設(shè)備端應(yīng)對(duì)國(guó)標(biāo)所規(guī)約的通信時(shí)序和故障處理等一系列問(wèn)題能做出正確反應(yīng),在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下對(duì)檢測(cè)設(shè)備引入GB/T-34657-2互操作性測(cè)試,用以測(cè)試設(shè)備協(xié)議一致性和通信時(shí)序問(wèn)題。對(duì)各個(gè)階段報(bào)文超時(shí)時(shí)間、超時(shí)處理等問(wèn)題適當(dāng)調(diào)整。
最后需要保證設(shè)備能長(zhǎng)時(shí)間投入運(yùn)行,將測(cè)試設(shè)備放入老化實(shí)驗(yàn)室,進(jìn)行7×24小時(shí)老化試驗(yàn),期間使用設(shè)備內(nèi)部Flash存儲(chǔ)記憶芯片記錄設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中出錯(cuò)次數(shù)、重啟次數(shù)等統(tǒng)計(jì)信息,確保檢測(cè)設(shè)備出廠(chǎng)時(shí)的可靠性[12-14]。
在驗(yàn)證完檢測(cè)設(shè)備各項(xiàng)指標(biāo)后,使用設(shè)備對(duì)運(yùn)行正常的新能源車(chē)輛進(jìn)行充電測(cè)試,得到所需測(cè)試數(shù)據(jù)。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)論證提出了一種面向電動(dòng)汽車(chē)直流充電系統(tǒng)下線(xiàn)檢測(cè)方案,該方案包含了硬件架構(gòu)、軟件邏輯等內(nèi)容,用以實(shí)現(xiàn)國(guó)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)下各檢測(cè)項(xiàng)目。
(1) 測(cè)試多個(gè)品牌車(chē)輛,此方案均能兼容測(cè)試且準(zhǔn)確得到車(chē)輛直流充電系統(tǒng)工作情況;能測(cè)試車(chē)輛充電控制單元是否滿(mǎn)足互操作性標(biāo)準(zhǔn),同時(shí)后續(xù)測(cè)試項(xiàng)能檢測(cè)車(chē)輛應(yīng)對(duì)特定情況能力[15]。
(2) 培訓(xùn)非專(zhuān)業(yè)類(lèi)人員后,在現(xiàn)場(chǎng)使用時(shí)能得到較為滿(mǎn)意的測(cè)試報(bào)告回執(zhí),相對(duì)減輕專(zhuān)業(yè)相關(guān)工作人員的時(shí)間投入[16]。應(yīng)用到車(chē)廠(chǎng)出廠(chǎng)檢測(cè)流水線(xiàn)測(cè)試臺(tái)架上時(shí),能較好解決測(cè)試車(chē)輛出廠(chǎng)時(shí)直流充電系統(tǒng)可靠性、兼容性等問(wèn)題,降低出現(xiàn)汽車(chē)售后相關(guān)問(wèn)題風(fēng)險(xiǎn)。
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A qualification test device based on electric vehicle DC charging system
(1. School of Mechanical and Automotive Engineering, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201600, China;2. Shanghai Thaisen Electrical Technology Co., Ltd., Shanghai 201600, China)
In order to solve the factory inspection problem of electric vehicle charging system, a testing equipment for electric vehicle charging system isproposed, the electrical structure is designed according to GB/T-34657 standard, the test of EV communication timing is executed in accordance with GB/T-27930 tojudge if the vehicle complies with the standard during normal charging and various critical states, thereby realizing the vehicle charging control system factory inspection. The experimental results show that the scheme can detect whether the working state of the vehicle charging system is normal, whether the protocol timing confirms to the national standard,and whether control pilot circuit to reserve the specified margin for the voltage value of each detection point.
energy vehicles; vehicle charging control system; DC charging system; vehicle detection equipment
2021-10-03;
2021-12-10
葉 旺(1998—),男,碩士研究生,研究方向?yàn)檐?chē)輛工程;E-mail: 1452251700@qq.com
江 磊( 1985—),男,博士研究生,主要研究方向?yàn)樾履茉雌?chē)充換電;E-mail: lei_jiang@126.com
李智輝(1987—),男,鈦昕電氣研發(fā)總工程師,主要從事交直流充電樁研發(fā)。E-mail: leezhhui@163.com