基于智能感應的新能源汽車充電樁檢測技術研究

王 斌

(云南省電子信息產品檢驗院，云南 昆明 650031)

0 引言

全球經濟的發展一方面推動了人類社會的不斷前進，另一方面也對環境造成了一系列影響，其中典型的就是交通出行帶來的碳排放和化石燃料的低效率消耗。新能源汽車作為典型的綠色交通工具之一，能夠直接通過儲能設備利用電能驅動車輛，從而實現零排放。盡管這種方式依賴各種發電、變電、輸電和儲電手段，也會涉及污染物排放，但規模化發電能盡量降低綜合污染，提升化學能的利用率，因此新能源汽車相對于傳統汽柴油內燃車輛，本質上依然是綠色環保的。到目前為止，新能源汽車已經逐步成為主流出行方式之一。在新能源汽車推廣和普及過程中，充電基礎設施的完善是另一個重點，特別是充電樁的功能、性能和安全等，都是行業內較為關心的問題[1]。本文從新能源充電樁的檢測技術入手，對智能感應在其中的應用進行了分析，提出了充電樁模擬檢測方案。期望通過本文的研究，新能源充電樁檢測領域的相關理論研究能夠更為豐富，檢測技術實踐有更多經驗可參照。

1 新能源汽車充電樁及其分類

隨著新能源基礎設施相關標準的逐步出臺，新能源汽車充電樁的種類、規格和標準也趨于統一，目前為止，根據充電供能類型分為直流充電樁和交流充電樁兩類。交流充電樁主要為帶有車載充電器的車輛提供交流輸入，無法根據充電場景調節功率大小；直流充電樁通常直接用于充電，無需中轉，可通過專有協議與車輛電池的BMS進行協商，經智能化控制和調節實現充電功率的控制[2]。直流充電樁的充電效率較高，目前廣泛應用于新能源充電樁領域，通常研究的充電樁也多為直流，本文主要圍繞直流充電樁展開討論。

1.1 直流單槍充電樁

單槍充電樁的結構較為簡單，整套充電樁元器件只能同時服務一輛車，設備單向投入較高。而且通常只能實現大功率充電，需要在完成充電后人工介入調度，不僅對人力有較高要求，在應對低功率車輛充電場景時也有資源浪費。此外，單槍充電樁的升級改造較為困難，成本較高。

1.2 直流雙槍輪充充電樁

直流雙槍輪充充電樁結構與單槍充電樁基本一致，但支持夜間充電，過程中無需人工介入。該結構下由于配備了不同功率輸出的充電槍，充電樁功率和設備利用率較高，單充電槍可以獲得最大的充電效率。然而因其內部能源分配策略為輪動策略，無法同時支持雙車充電，同樣，該充電樁的升級成本也較高[3]。

1.3 直流雙槍同充充電樁

雙槍同充充電樁是目前公共充電樁領域應用和布設最廣泛的充電樁類型，其最典型的特征是雙槍可以同時充電，整套設備功率能夠被充分利用。然而雙槍同充時共享了同一套功能設施，因此充電功率只能相同，無法進行動態分配。

1.4 一拖多群充充電樁

此類充電樁實際上是將傳統充電樁進行擴展，增加動態擴充模塊，實現多充電頭的搭載。采用這種擴充技術，傳統單充充電樁可以快速擴展為多充充電樁，通過電力負載均衡，使得各充電槍分享單機的功率，實現批量充電。該方式盡管充電功率較低，但可以用時間換空間，在夜晚充電需求旺盛但時間不敏感的場景下，提升充電效率。

2 新能源汽車充電樁檢測標準及方法

2.1 新能源汽車充電樁功能及性能需求

要對新能源汽車充電樁檢測標準進行探討，應當明確充電樁的普遍功能及性能需求，當前主流的智能充電樁通常具備充電、斷電、自動識別、智能計費、安全保障、人機交互和通信等能力[4]。從性能方面來看，充電樁的技術指標應當遵循如下參數。

(1)輸入電壓電流。充電樁輸入電壓電流要求如表1所示。

表1 充電樁常見輸入電壓電流要求

(2)工作環境要求。工作環境通常對溫度、相對濕度和海拔有一定要求。大部分充電樁應當滿足-20 ℃到50 ℃的工作環境溫度，5%～95%的相對濕度，同時能夠在海拔1 000 m以內無差別安裝使用[5]。

(3)器件溫度要求。充電樁各部件有極限溫升限制，例如：功率器件極限溫升為70 K，半導體器件連接處極限溫升為55 K，母線連接處極限溫升為50 K，銅與銅連接處極限溫升為50 K，銅搪錫相互之間連接處極限溫升為60 K。

(4)電氣防護要求。電氣防護方面主要是過壓保護、欠壓保護、短路保護、絕緣監測、防雷保護等。不同的絕緣電壓，有不同的絕緣試驗等級要求，如表2所示。

表2 絕緣試驗等級

(5)環境耐性要求。要求外殼防護等級不低于GB 4208—2008相關規定，即室內IP30以及室外IP54；戶外安裝能夠承受GB/T 4797.5—1992中定義的最大風速；能夠承受GB/T 17626.5—2008中定義的三級浪涌抗擾度試驗。

(6)電磁兼容性要求。電磁兼容方面，能夠承受GB/T 17626.3—2006中定義的三級電磁場輻射抗擾度試驗，特別在20 MHz～250 MHz范圍內，準峰值限值為40 dB；230 MHz～1 000 MHz，準峰值限值為47 dB。

2.2 基本檢測標準及方法

本文對常用的非車載檢測場景進行分析。首先，利用交流電源，模擬電網向充電樁接入帶有不同干擾類型的電源輸入，測試充電樁在面臨諧波、暫升暫降、瞬時中斷等不同情況下的處理能力。通常選用超過額定負載的可編程電源進行測試[6]。其次，利用直流充電模擬器對車輛的直流電路系統進行模擬，包括BMS、絕緣電阻、車輛供電等。通常情況下直流模擬器應當具備如下特性：(1)可配置250 A標準充電口，提供DC+，DC-，PE，S+，S-，CC1，CC2，A+，A-等，回路配備適當的通斷開關，實現故障仿真。(2)R3R4電阻可連續無極調節，阻值范圍500 Ω～3 000 Ω。(3)可進行包括DC-與PE，DC+與PE間絕緣電阻的絕緣故障仿真。(4)S+，S-，CC1，CC2可模擬對低短路。(5)可通過CAN總線與BMS交互。(6)DC+，DC-的斷電開關可實現絕緣測試過程和充電過程中的閉合狀態。

直流負載和電池模擬，可模擬不同工作模式和待載模式，模擬功率、電流、電壓恒定的狀態，能夠無極調節上述參數，并滿足GB/ T 34657.1—2017《電動汽車傳導充電互操作性測試規范》“第1部分 供電設備”關于輸出電流調整時間和輸出電流停止速率的要求[7]。電池模擬部分，應當滿足多種電池的模擬要求，仿真多種電池包。產生電壓可調整范圍100 V～1 000 V。

2.3 智能感應在充電樁檢測中的應用現狀

智能感應實質上是一種概念描述，通常可以理解為兩層含義：(1)在電流電壓等參數的測量方面，可通過電壓和電流互感，對電流電壓進行非接觸式的精準測量。在充電樁檢測過程中，電流電壓的測量直接影響到檢測的各項指標的比對，因此電流電壓的智能檢測十分重要。常見的電流電壓傳感器包括面向直流和面向交流的，在直流充電樁的檢測過程中，測量模塊集成的通常為直流電流電壓傳感器。(2)在智能充電樁的協議測試方面也存在智能感應的概念。智能充電樁需要與新能源汽車的CAN總線進行交互，并通過電源協議與車機和BMS進行協商，實現充電過程的動態調整。這一方面，智能感應主要體現在智能充電樁對協議的智能解析，以及充電樁對外輸出自身協議規范的過程上。通過接觸式和非接觸式通信方式，測試設備和真機能夠快速獲取智能充電樁的協議，并與之進行對接，確保試驗和真實運行能夠順利進行[8]。

3 直流充電樁模擬檢測方案設計

目前直流充電樁應用范圍最廣，本文主要對直流充電樁的模擬檢測方案進行設計。

3.1 電池模擬電壓源

充電樁的測試要從控制引導開始。樁體通常對蓄電池的電壓有特殊的檢測過程，必須對蓄電池電壓進行模擬。在模擬源的選擇中，依照國標設置300 V和600 V兩種電壓源，在輸出的時候能夠滿足各種充電樁對電池電壓檢測的需求，從而確保充電樁不被損壞，能夠驅動充電樁啟動引導。在實際的電壓電源模擬中，通常會增加1個二極管，通過并聯電壓對模擬設備和充電樁進行保護，常見的模擬電路如圖1所示。

圖1 電池電壓模擬電路

3.2 控制引導電路

控制引導電路的實現，主要是為了模擬不同測試狀態的切換，例如正常連接充電、意外斷開、接地導體丟失等。控制引導電路中，充電樁一端的連接確認主要通過CC1完成，這里需要增加可調電阻，阻值1 000 Ω。車輛模擬端CC2增加1 000 Ω電阻，并施加12 V電壓到槍口。通常還可通過調整阻值，對限值、超限值等情況進行測試。

3.3 絕緣故障測試

絕緣故障測試部分，主要通過測試電阻在DC+和 PE，DC-和PE之間進行對稱絕緣測試，此時施加的電壓是充電樁自身的額定輸出電壓。當一輪測試結束后，對測試參數重新初始化，恢復初始化狀態并重新由充電樁自檢，然后才能進行新的測試。若電阻在100 Ω/V到500 Ω/V之間，將電阻設置為240 KΩ,以測試絕緣是否有異常報警；若小于100 Ω/V，將電阻設置為48 KΩ,以滿足對絕緣故障提示的檢測。

3.4 采樣電路

采樣電路通常容易受到干擾，特別是充電樁的控制引導回路在接地時可能引發干擾誤差，需要通過線性隔離方式實現信號的處理。在實際的采樣電路中，通常選用車規級ACPL-C87BT芯片，以實現線性隔離，此后利用差分電路對所測目標進行采樣。

如圖2所示，通過AD620運放進行差分接入，將兩路電壓接地端與采樣回路實現線性隔離，最后利用AD采樣芯片進行采樣。對充電樁輸出電壓電流、輔助電壓模擬的采樣也如上述邏輯進行處理。

圖2 電壓檢測模擬電路

4 結語

隨著新能源電動車的發展，對充電樁的檢測技術提出了更高的要求。本文探討了基于智能感應的新能源充電樁檢測技術，對當前充電樁的實際需求進行整理，并對當前主流的檢測標準和方法進行了論述，擴展性地補充了智能感應技術在檢測過程中的應用，并對直流充電樁檢測技術所依賴的直流充電樁模擬檢測方案進行設計，期望本文的研究能夠為相關工作提供啟示。