電動汽車交流充電樁檢測裝置的設計研究

賴德鵬 唐偉萍 周 新 王貞仁

電動汽車交流充電樁檢測裝置的設計研究

賴德鵬1唐偉萍1周 新2王貞仁1

（1.廣西電力職業技術學院，廣西 南寧 530007；2.北京華晟經世信息技術股份有限公司，北京 101111）

近年來，隨著新能源汽車快速普及，新能源汽車充電設施需求也急劇攀升。而充電樁安裝使用過程中，會出現充電異常等故障，充電樁檢修則急需一種具有輕型化、操作簡單、使用空間小、便于攜帶等特點的交流充電樁檢測裝置，以解決充電樁充電過程中出現故障等問題。交流充電樁檢測裝置對解決交流充電樁充電過程中的故障問題意義重大，一種便攜、輕便、精準的交流充電樁檢測裝置能有效節省充電樁安裝、排故中所需要的時間，極大地提高解決問題的效率。文章設計研究一種便攜的、輕型的、高效的交流充電樁檢測裝置，對于推動電動汽車充電基礎設施建設具有現實意義。

電動汽車；交流充電樁；檢測裝置

引言

根據發改委印發的《電動汽車充電基礎設施發展指南（2015至2020年）》來計算“十三五”期間充電設備的市場空間。2015年至2020年，我國共需要新建充電站1.2萬座，其中公交車、出租車、專用車的充電站分別為3848、2462和2438個；到2020年，我國的新能源公交車、出租車、專用車的保有量將分別達到20萬、30萬、20萬輛[1]。2016年國家就制定了電動汽車的充電基礎設施規范，對經濟發達、車輛密度大的地區進行新能源汽車的試點工作，以解決人們電動汽車的充電問題[2]。2022年1月，國家發展改革委等部門聯合印發了《國家發展改革委等部門關于進一步提升電動汽車充電基礎設施服務保障能力的實施意見》（發改能源規〔2022〕53號），意見提出，到“十四五”末，我國電動汽車充電保障能力進一步提升，形成適度超前、布局均衡、智能高效的充電基礎設施體系，能夠滿足超過2000萬輛電動汽車充電需求。隨著大量的電動汽車充電樁的安裝使用，充電樁充電過程的安全問題也隨之出現。交流充電樁使用過程中，出現充電異常等故障，交流充電樁檢修則急需一種具有輕型化、操作簡單、使用空間小、便于攜帶等特點的交流充電樁檢測裝置，以解決充電樁充電過程中出現故障等問題。

目前，市面上交流充電樁檢測裝置普遍存在操作復雜、體積龐大、檢測過程中存在不能精準找出故障問題的缺點。交流充電樁檢測裝置對解決充電樁充電過程中的故障問題意義重大，一種便攜、輕便、精準的充電樁檢測裝置能有效節省充電樁安裝、排故中所需要的時間，極大地提高解決問題的效率。本文提出一種區別于現有新能源汽車交流充電樁檢測領域的交流充電樁檢測裝置；結合維修技術人員操作過程中的需求，提出以模擬充電信號、充電效果測試作為研究方向的交流充電樁檢測裝置。基于以模擬充電信號、充電效果測試作為研究方向，本文設計研究一種便攜的、輕型的、高效的交流充電樁檢測裝置，對于推動電動汽車充電基礎設施建設具有現實意義。

1 設計思路

1.1 國內外電動汽車傳導充電技術領域研究現狀、水平和發展趨勢分析

查閱國內外相關資料文獻了解到，目前國內外交流充電樁故障檢測的裝置主要有：負載充電樁檢測裝置、一體式充電樁檢測裝置、移動式充電樁檢測裝置。

1.1.1 基于負載充電樁檢測裝置的分析

（1）功能現狀：利用電動汽車作為負載，進行充電樁的檢測分析；

（2）水平優勢：準確檢測充電樁的故障問題，進行故障分析排除；

（3）發展趨勢技術難點：需要電動汽車作為負載進行檢測條件，檢測維修充電樁過程中需要利用電動汽車等問題。

1.1.2 基于一體式充電樁檢測裝置的分析

（1）功能現狀：充電樁檢測裝置自帶功能模擬模塊，進行充電樁的檢測分析；

（2）水平優勢：很好地檢測充電樁的故障問題，進行故障分析排除；

（3）發展趨勢技術難點：

①因為配備了功能模擬模塊，檢測裝置體積龐大；

②在充電樁檢測過程中，存在需要的操作空間過大、操作繁瑣等問題。

1.1.3 基于移動式的充電樁檢測裝置的分析

（1）功能現狀：該檢測裝置采取充電插頭的電流與電壓，充電插頭通過可調式非線性電阻與單片機連接，通過可調式非線性電阻連接電源給充電插頭提供電源，所述單片機的通信口通過網線連接在交流充電樁的通信口，該單片機連接有通信模塊與遠程廠家通信進行充電樁的故障檢測。

（2）水平優勢：

①移動式檢測裝置，攜帶方便；

②避免了電樁廠家派專業人員到現場逐一查找故障的麻煩；

③采用箱體式的設計，體積較小，增加靈活度。

（3）發展趨勢技術難點：

①需要廠家遠程通信檢測，通信訊號不能保障，不能確保故障解決情況；

②功能單一，不能保證準確率。

1.2 交流充電樁檢測裝置總體設計整體思路

本研究項目選擇為充電樁生產安裝調試，設計制作一種具有輕型化、操作簡單、使用空間小等特點的交流充電樁檢測裝置。通過交流充電樁檢測裝置車輛充電插座、漏電保護開關、液晶顯示屏、車輛充電啟停開關、CP測試端、PE測試端、負載接口、鋁合金面板的合理布局、設計，形成穩定的操作系統，在技術上具有可靠性，包括裝置關鍵技術的設計。根據電動汽車交流充電工作原理，檢測裝置考慮到充電廠商、安裝施工人員及電動汽車車主實際的充電需求，考慮操作簡單智能化、產品性能安全化、裝置輕量化、信息傳遞實時精確性、設備成本低、耐用的檢測裝置的總體結構和功能要求，并綜合考慮安裝現場具有輔助檢測、維修、不同時間和空間情況下，交流充電樁檢測裝置的多樣性和耐用性設備配置，確定交流充電樁檢測裝置整體系統設計方案和總體布置方案。

1.3 交流充電樁檢測裝置技術指標

根據交流充電樁檢測裝置總體設計整體思路，設計一種具有輕型化、操作簡單、使用空間小等特點的交流充電樁檢測裝置需具備以下技術指標：

（1）指標一：交流充電樁檢測裝置的輕型化，以便于使用技術人員攜帶方便；

（2）指標二：交流充電樁檢測裝置的功能設計，適用于所有歐標交流充電樁；

（3）指標三：交流充電樁檢測裝置的使用空間小，以便于在狹窄空間簡單快捷操作；

（4）指標四：交流充電樁檢測裝置的結構布局設計，原則上能符合行業交流充電樁檢測裝置功能要求，安全、耐用、精確及預留個性定制可擴展功能。

1.4 交流充電樁檢測裝置產品創新點

（1）解決社會汽車移動需求的痛點問題。

充電樁生產廠家組裝好準備出廠的充電樁，需要進行充電測試，以預估充電樁售后企業維修人員在面對車主反饋車輛不能上電充電等故障情況。交流充電樁檢測裝置需具備輕型、操作簡單、使用空間小的特征，以解決充電售后工程師應急外出，方便進行快速檢測維修的問題。

（2）抓住關鍵電動汽車傳導充電技術探索。

交流充電樁檢測裝置采用人性化手提把的箱體；安全防護鎖、兒童安全防護門、高阻燃PC顆粒面板、短路保護、漏電保護等電氣防護設計用于保護人身及設備安全；智能控制主板，采用大屏藍膜全視角液晶屏，防水鉆紋，人性化拉手等精細工藝；充電一鍵啟動開關，負載五孔輸出接口，預留可擴展更多功能電量累計、溫度測試、交流電壓、交流電流、時間計時、藍牙數據監測等；操作簡單，采用彩色電路，配置操作手冊。

（3）提出輕型化與結構布局設計結合。

本項目所研究的是設計制作一種人性化手持式的交流充電樁檢測裝置，具有輕型化、操作簡單、耐用、安全、精確等特點的交流充電樁檢測裝置，適用于所有歐標交流充電樁安裝測試，采用人性化手持式交流充電樁檢測裝置，結合電動汽車傳導充電連接裝置通用要求，模擬車輛充電啟停，充電一鍵啟動功能，液晶顯示屏各數值精確讀取。

2 裝置設計研究

2.1 交流充電樁檢測裝置的總體構形

交流充電樁檢測裝置總體構形基于技術指標一的需求：裝置的輕型化，以便于使用技術人員攜帶方便。交流充電樁檢測裝置防護箱體由強韌、輕質的HPX樹脂材質注塑而成，IP67防水等級，-40 ℃～99 ℃耐高低溫，防撞擊、防塵。定制EVA內襯，保護設備臺面的同時，緩沖運輸使用過程中的振動[3,4]、屏幕配備液晶顯示屏、外觀采用手提式設計。該總體構型的設計，便于裝置的移動，使用過程中實現精確、安全、耐用；通過人性化手提式設計方便交流充電樁檢測裝置的操作。

2.2 交流充電樁檢測裝置的操縱機構

交流充電樁檢測裝置的操縱機構基于技術指標二：交流充電樁檢測裝置的功能設計，適用于所有歐標交流充電樁。該裝置的操縱機構使用按鈕方式，同時配備彩色充電樁電路、并配置有產品操作說明，實現裝置的操作簡單化，以利于維修技術人員快速操作。

2.3 交流充電樁檢測裝置的外形體積

交流充電樁檢測裝置的外形體積基于技術指標三：交流充電樁檢測裝置的使用空間小，以便于在狹窄空間內簡單快捷操作。為方便交流充電樁檢測裝置檢測操作，設計本裝置總體結構小、形狀合理，可實現裝置便于在車輛沒電不能挪車的情況下使用，在狹窄的空間內也可進行簡單快捷的操作。外觀設計如圖1所示。

圖1 充電樁檢測裝置外觀設計圖

2.4 交流充電樁檢測裝置的工藝設計

交流充電樁檢測裝置的面板設計基于技術指標四：交流充電樁檢測裝置的結構布局設計，原則上能符合行業交流充電樁檢測裝置功能要求，安全、耐用、精確及預留個性定制可擴展功能。交流充電樁檢測裝置的精工細節中采用PC顆粒面板、兒童安全防護門的設計、人性化拉手。

2.5 交流充電樁檢測裝置系統裝調方案

根據電動汽車交流充電工作原理，檢測裝置考慮到充電廠商、安裝施工人員及電動汽車車主實際的充電需求，考慮操作簡單智能化、產品性能安全化、裝置輕量化、信息傳遞實時精確性、設備成本低、耐用的檢測裝置的總體結構和功能要求，并綜合考慮安裝現場具有輔助檢測、維修、不同時間和空間情況下，交流充電樁檢測裝置的多樣性和耐用性設備配置，確定交流充電樁檢測裝置整體系統設計方案和總體布置方案。

3 控制原理

3.1 電動汽車傳導充電用連接裝置設計原理

根據電動汽車傳導充電用連接裝置《第2部分：交流充電接口GBT 20234.2—2015》，交流充電樁與電動汽車的充電模式選擇典型控制導引電路。其充電模式3連接方式的電路原理圖如圖2所示。

圖2 充電模式3連接方式B的典型控制導引電路原理圖

電路原理圖中，車輛控制裝置通過測量檢測點3與PE之間的電阻值來確認當前充電連接裝置（電纜）的額定容量，是判斷車輛插頭與車輛插座是否完全連接的重要依據。

如表1所示，通過分析車輛接口S2開關連接檢測點電壓狀態，判斷車輛處于不同的工作狀態。

表1 車輛接口連接檢測點1電壓狀態

3.2 車輛接口連接狀態各檢測點及開關處于不同工作情況

交流充電樁檢測裝置模擬OFF狀態，CC開關、S1開關、S2開關處于關閉狀態，車輛與充電樁接口處于未連接狀態；采取即插即用充電樁的使用方法，輸入端電壓接入市電，確保充電樁處于待機狀態。將充電槍插頭插入交流充電樁檢測裝置充電槍插座端，觀察交流電壓電流電顯示屏電壓電流情況，是否有220 V電壓信號，是否有電流經過，10 A及16 A插座是否有電壓，220 V工作指示燈是否點亮。車輛接口連接狀態各檢測點及開關處于不同工作情況如圖3所示。

圖3 車輛接口連接狀態各檢測點及開關處于不同工作情況

3.3 交流充電樁檢測裝置控制原理

本次設計研究的交流充電樁檢測裝置控制原理：閉合交流充電樁檢測裝置的S1開關，CP顯示屏就會顯示此時充電樁的CP電壓值8.5 V～9.0 V，交流顯示屏的顯示值0 V；閉合交流充電樁檢測裝置的S2開關，CP顯示屏就會顯示此時充電樁的CP電壓值5.5 V～6.0 V，交流顯示屏的顯示值220 V，交流充電樁檢測裝置內部的燈泡會變亮，這就說明充電樁能正常充電；斷開S2開關，模擬器內部的燈泡會熄滅，CP顯示屏就會顯示充電樁的CP電壓值為8.5 V～9.0 V，交流顯示屏顯示值為0 V；斷開S1開關，CP顯示屏就會顯示充電樁的CP電壓值為頂部流顯示屏顯示值為0 V。交流充電樁檢測裝置控制原理如圖4所示。

圖4 交流充電樁檢測裝置控制原理電路圖

3.4 交流充電樁檢測裝置尺寸布局

本次研究設計的交流充電樁檢測裝置面板布局采用簡約設計。設計交流充電樁槍端相匹配的插口，并呈現在一個面板上，方便維修技術人員連接設備。交流充電樁檢測裝置面板設計如圖5所示。

圖5 充電樁檢測裝置面板布局圖

4 結論

隨著電動汽車的普及，持續推進新能源汽車充電設施建設，可有效促進新能源汽車在市場上的進一步發展和推廣。統籌規范充電設施管理，更好地促進充電設施產業的發展。本文設計一種電動汽車交流充電樁檢測裝置，設計交流充電樁檢測裝置采用人性化手提把的箱體；安全防護鎖、兒童安全防護門、高阻燃PC顆粒面板、短路保護、漏電保護等電氣防護設計用于保護人身及設備安全；智能控制主板，采用大屏藍膜全視角液晶屏、防水鉆紋、人性化拉手等精細工藝；充電一鍵啟動開關，負載五孔輸出接口，預留可擴展更多功能電量累計、溫度測試、交流電壓、交流電流、時間計時、藍牙數據監測等；操作簡單，采用彩色電路以及配置操作手冊。該交流充電檢測裝置適用于所有歐標交流充電樁安裝測試，采用人性化手持式交流充電樁檢測裝置，結合電動汽車傳導充電連接裝置通用要求，模擬車輛充電啟停，充電一鍵啟動功能，液晶顯示屏各數值精確讀取。設計該交流充電樁檢測裝置，能夠讓交流充電樁技術人員在維修過程中操作簡單、方便、安全、精確等。

通過深入研究電動汽車充電樁檢測的國家標準、檢定規程后，切入實際設計了一款綜合型的電動汽車充電樁檢測裝置，使維修技術人員在充電樁檢測維修過程中有效節省充電樁安裝、排故中所需要的時間，極大地提高了解決問題的效率。

[1] 陳旻，王會先. 儲能充電站運維一體化運營模式[J]. 中國電力企業管理，2018(13): 68-71.

[2] 任春香. 充電樁能力驗證對新能源領域檢驗檢測技術支撐的研究[J]. 環境技術，2020，38(5): 20-23.

[3] GB/T 20234.1—2015電動汽車傳導充電連接裝置第1部分通用要求[S]. 北京: 中國標準出版社，2015.

[4] GB/T 20234.2—2015電動汽車傳導充電連接裝置第2部分交流充電接口[S]. 北京: 中國標準出版社，2015.

Design and Research of Detection Device for AC Charging Pile of Electric Vehicle

In recent years, with the rapid popularization of new energy vehicles, the demand for new energy vehicle charging facilities has also risen sharply. However, during the installation and use of the charging pile, there will be abnormal charging and other faults. The maintenance of the charging pile urgently needs an AC charging pile detection device with the characteristics of lightweight, simple operation, small use space and easy to carry, so as to solve the problems such as faults in the charging process of the charging pile. The AC charging pile detection device is of great significance in solving the fault problems in the charging process of the AC charging pile. A portable, portable and accurate AC charging pile detection device can effectively save the time required for the installation and troubleshooting of the charging pile, and greatly improve the efficiency of solving the problems. In this paper, the design and research of a portable, light and efficient AC charging pile detection device has practical significance for promoting the construction of electric vehicle charging infrastructure.

electric vehicle; AC charging pile; detection device

TM91

A

1008-1151(2022)11-0053-04

2022-08-22

2022 年度廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“一種交流充電樁檢測裝置設計與研究”（2022KY1348）。

賴德鵬（1990－），男，廣西靈山人，廣西電力職業技術學院專任教師，工程師，研究方向為新能源汽車技術、智能網聯汽車技術。