電動(dòng)汽車充電設(shè)施自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)*

朱彬，侯興哲，孫洪亮，劉永相，汪會(huì)財(cái)

（國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶401123）

0 引 言

根據(jù)《電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南（2015－2020年）》（發(fā)改能源［2015］1454號(hào)），到 2020年，充換電站數(shù)量將達(dá)1.2萬(wàn)個(gè)，充電樁將達(dá)到450萬(wàn)個(gè)。我國(guó)電動(dòng)汽車及其基礎(chǔ)設(shè)施呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入快車道。然而一直困擾該行業(yè)的產(chǎn)品性能與互聯(lián)互通問(wèn)題，也越來(lái)越突出。在安全運(yùn)行方面，國(guó)內(nèi)純電動(dòng)汽車僅自燃事件就達(dá)到24例；在互聯(lián)互通方面，目前全國(guó)不同運(yùn)營(yíng)商的充電網(wǎng)絡(luò)間互聯(lián)互通尚未開展，導(dǎo)致跨區(qū)域、跨平臺(tái)充電困難［1］。

另外，國(guó)家關(guān)于加快電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的指導(dǎo)意見(jiàn)（國(guó)辦發(fā)（2015）73號(hào)）中專門提到加強(qiáng)充電設(shè)施的檢測(cè)認(rèn)證，健全電動(dòng)汽車和充電設(shè)備的產(chǎn)品認(rèn)證與準(zhǔn)入管理體系，促進(jìn)不同充電服務(wù)平臺(tái)互聯(lián)互通。因此，有必要對(duì)電動(dòng)汽車充電設(shè)施的性能、互操作性開展系統(tǒng)的檢測(cè)。

在2015年之前，充電設(shè)施檢測(cè)普遍采用的是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB／T 33008－2013電動(dòng)汽車充電設(shè)備檢驗(yàn)試驗(yàn)規(guī)范，其中NB／T 33008.1－2013針對(duì)直流充電機(jī)、NB／T 33008.2－2013針對(duì)交流充電樁［2-3］。在2015年年底，電動(dòng)汽車充電接口及通信協(xié)議五項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)頒布，GB／T 18487.1－2015對(duì)電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)的通用要求進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定［4］，GB／T 20234.1－2015對(duì)傳導(dǎo)充電用連接裝置的通用要求進(jìn)行了細(xì)化［5］，GB／T 20234.2－2015專門對(duì)交流充電接口進(jìn)行了細(xì)致規(guī)定［6］。目前，最新的國(guó)標(biāo)是電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電互操作性測(cè)試規(guī)范 第1部分：供電設(shè)備（報(bào)批稿）［7］，正在征求意見(jiàn)。

目前，對(duì)充電設(shè)施檢測(cè)方面的研究較少，相關(guān)的研究文獻(xiàn)不多。文獻(xiàn)［1］分析了電動(dòng)汽車充換電設(shè)施一致性測(cè)試和互操作測(cè)試的必要性，介紹了測(cè)試結(jié)構(gòu)示意圖以及在電力行業(yè)尤其是智能電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用。對(duì)文獻(xiàn)［8］介紹了一種電動(dòng)汽車充電設(shè)施移動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)的研究和設(shè)計(jì)，開展了需求分析、方案設(shè)計(jì)，畫出了檢測(cè)示意圖，該平臺(tái)可對(duì)整車充電機(jī)、分箱式充電機(jī)和交流充電樁進(jìn)行常規(guī)檢驗(yàn)測(cè)試。文獻(xiàn)［9］介紹了電動(dòng)汽車充電接口控制導(dǎo)引電路基本功能和工作原理，設(shè)計(jì)了一種在不同充電模式下各檢測(cè)點(diǎn)匹配電阻及電壓狀態(tài)試驗(yàn)的方法。目前，檢測(cè)人員對(duì)充電設(shè)施電性能及互操作性的測(cè)試主要依靠人工逐項(xiàng)地進(jìn)行檢測(cè)，手動(dòng)讀取儀器儀表采集的數(shù)據(jù)，然后作出判斷［10］。檢測(cè)效率低下，工作量繁重，易出現(xiàn)人為檢測(cè)誤差，對(duì)檢測(cè)人員要求很高。因此，本文設(shè)將計(jì)并搭建電動(dòng)汽車充電設(shè)施自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)充電設(shè)施電性能及互操作性的自動(dòng)檢測(cè)并生成測(cè)試報(bào)告。

1 硬件平臺(tái)

電動(dòng)汽車充電設(shè)施自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示，可完成交流充電樁通用電特性和互操作性的自動(dòng)測(cè)試。該平臺(tái)主要由可編程交流電源、可編程交流負(fù)載、交流充電測(cè)試接口模擬器、示波器、高精度功率計(jì)、高性能數(shù)據(jù)采集卡、串口服務(wù)器、信號(hào)選通器及工控機(jī)等設(shè)備組成。

圖1 電動(dòng)汽車充電設(shè)施自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)原理圖Fig.1 Test equipment schematic diagram of A.C.charging spot and in－cable control and protection device（IC-CPD）

為滿足三相63 A充電樁的檢測(cè)要求，所選用的可編程交流電源為60 kVA，可輸出額定功率的0 VAC～300 VAC電壓，諧波電流低、對(duì)電網(wǎng)影響小。三相獨(dú)立帶載，每相可單獨(dú)啟動(dòng)，滿足非線性充電模塊、充電機(jī)的帶載要求，具備2倍的額定電流沖擊能力。該交流電源給充電樁供電，用于模擬市電的各種異常及干擾，可以模擬諧波，跌落，瞬斷等狀況，并測(cè)試在這些條件下充電樁的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)是否在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)范圍之內(nèi)。

可編程交流負(fù)載由純阻性負(fù)載組成，單相功率為17 kW，三相總功率為51 kW，可單相獨(dú)立控制，滿足單相和三相交流充電樁的測(cè)試負(fù)載要求。

交流充電測(cè)試接口模擬器可模擬導(dǎo)引電阻的變化、信號(hào)接地／斷路等故障、開關(guān)分合邏輯，配合電源和負(fù)載可完成交流樁電特性和控制導(dǎo)引測(cè)試，測(cè)試充電樁的對(duì)應(yīng)電動(dòng)車的兼容性，及非正常狀態(tài)的保護(hù)動(dòng)作是否正確。

高精度數(shù)字功率計(jì)采集被測(cè)交流樁輸入和輸出的三相電壓、電流，計(jì)算電壓、電流和功率值。

高性能數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)置6位半數(shù)字萬(wàn)用表，共20個(gè)通道。采集檢測(cè)點(diǎn)1（CP）、檢測(cè)點(diǎn)4（CC）的電壓值，作為傳導(dǎo)充電互操作性測(cè)試的判據(jù)。

信號(hào)選通器可完成14通道的信號(hào)選通，可程控選通，與示波器配合，實(shí)現(xiàn)對(duì)需采集信號(hào)的自動(dòng)切換。

串口服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中可編程電源、可編程負(fù)載等各個(gè)設(shè)備的RS485通信匯集，與工控機(jī)完成數(shù)據(jù)交互。

工控機(jī)運(yùn)行測(cè)試軟件，完成測(cè)試項(xiàng)目的自動(dòng)控制，數(shù)據(jù)和波形采集，并自動(dòng)生成報(bào)告。搭建完成后的自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)如圖2所示。

圖2 搭建的自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)Fig.2 Automatic detection platform

2 檢測(cè)方法

交流充電樁和纜上控制與保護(hù)裝置（IC-CPD）常規(guī)電性能和傳導(dǎo)互操作性測(cè)試的測(cè)試原理圖如圖3所示。

圖3 交流充電樁和纜上控制與保護(hù)裝置（IC-CPD）測(cè)試原理圖Fig.3 Test equipment schematic diagram of A.C.charging spot and in-cable control and protection device（IC-CPD）

對(duì)各種工況的模擬方法及詳細(xì)實(shí)現(xiàn)方案如下［9］：

絕緣模擬電阻和對(duì)應(yīng)模擬開關(guān)接在L1與PE之間，模擬L1與PE之間絕緣電阻降低，引起被測(cè)充電樁漏電保護(hù)動(dòng)作，可對(duì)剩余電流功能進(jìn)行測(cè)試；

（1）接地電阻和對(duì)應(yīng)模擬開關(guān)接在CC與PE之間，模擬CC接地故障；接在CP與PE之間，模擬CP接地故障；

（2）R2電阻模擬電路可模擬R2電阻的5個(gè)電阻檔位，分別為909Ω、1 261Ω、1 300Ω、1 339Ω和1723Ω，電阻精度0.2%F.S.，功率＞0.5 W；

（3）R3電阻模擬電阻可模擬R3電阻的5個(gè)電阻檔位，分別為1 820Ω、2 658Ω、2 740Ω、2 822Ω和4 610Ω，電阻精度0.2%F.S.，功率＞0.5W；

（4）車輛控制模擬器中主要以DSP為核心，IO輸入輸出和模擬量采集為外圍電路組成，與二次集控單元使用RS485進(jìn)行通信，接收指令并返回內(nèi)部狀態(tài)；

（5）通過(guò) L1、L2、L3接口后級(jí)串聯(lián)的接觸器組合，可測(cè)試三相充電樁或單相充電樁；

（6）L1、L2、L3、N、PE、CP、CC各個(gè)觸點(diǎn)上均配置模擬開關(guān)，可模擬故障狀態(tài)；

（7）裝置留有IC－CPD和交流充電樁輸入電源專用插座和接口，可對(duì)IC－CPD和交流充電樁進(jìn)行仿真測(cè)試。

功率分析儀采集被測(cè)設(shè)備輸入端三相電壓、電流和可編程交流負(fù)載上的三相電壓電流，其中電壓通過(guò)測(cè)試線直接采集，電流使用高精度電流傳感器直接采集。示波器采集檢測(cè)點(diǎn)1（CP）和檢測(cè)點(diǎn)4（CC）的電壓信號(hào)，以及S2開關(guān)位置信號(hào)、輸出電壓信號(hào)和輸出電流信號(hào)，作為傳導(dǎo)充電互操作性測(cè)試的判據(jù)。二次集控設(shè)備可通過(guò)遠(yuǎn)程單獨(dú)或分項(xiàng)目對(duì)各個(gè)設(shè)備單獨(dú)操作，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)／自動(dòng)測(cè)試，手動(dòng)／自動(dòng)采集數(shù)據(jù)，完成試驗(yàn)項(xiàng)目的測(cè)試。

該平臺(tái)對(duì)于充電模式3中連接方式A和連接方式B場(chǎng)合都可進(jìn)行模擬，適應(yīng)場(chǎng)合更廣。對(duì)于充電模式3連接方式B中場(chǎng)合，使用一根不小于3米的直通交流充電槍電纜線進(jìn)行連接，可實(shí)現(xiàn)對(duì)交流車輛的模擬。各個(gè)開關(guān)觸點(diǎn)和R2、R3電阻模擬電路中開關(guān)位置在面板上均有LED燈指示，方便本地檢測(cè)。針對(duì)交流充電樁和IC-CPD設(shè)備，交流充電測(cè)試模擬器分別給出供電專用接口，便于接插。

3 測(cè)試軟件

3.1 功能模塊

軟件采用開放的軟件架構(gòu)，整合各種測(cè)試相關(guān)資源，控制管理各種測(cè)試設(shè)備（包括但不限于可編程交流電源、交流可編程負(fù)載、功率計(jì)、示波器），監(jiān)測(cè)各測(cè)試設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)試流程、測(cè)試資源、測(cè)試綜合信息、測(cè)試數(shù)據(jù)、測(cè)試報(bào)告，以及測(cè)試規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)的統(tǒng)一管理，確保整個(gè)測(cè)試過(guò)程可控、測(cè)試資源可控、測(cè)試數(shù)據(jù)可控；確保數(shù)據(jù)的質(zhì)量及其完整性和安全性。本系統(tǒng)提供二次可編程接口，實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)測(cè)試業(yè)務(wù)、測(cè)試流程、數(shù)據(jù)處理、報(bào)告生成等的再次開發(fā)和定義任務(wù)。

人機(jī)界面包括測(cè)試參數(shù)設(shè)置、實(shí)時(shí)顯示、測(cè)試控制、狀態(tài)顯示、測(cè)試報(bào)告等功能。人機(jī)界面提供操作界面的效果、色彩、風(fēng)格等方面的設(shè)置和編輯?？蛻裟K通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸接口與控制模塊進(jìn)行通信。

控制模塊負(fù)責(zé)執(zhí)行客戶服務(wù)模塊的命令，完成測(cè)試和數(shù)據(jù)采集?？刂颇K收到測(cè)試指令后，調(diào)用測(cè)試設(shè)備和測(cè)量設(shè)備進(jìn)行測(cè)試和數(shù)據(jù)采集工作?？刂颇K同時(shí)負(fù)責(zé)設(shè)備接口管理。將硬件抽象化，通過(guò)設(shè)備接口驅(qū)動(dòng)，對(duì)硬件進(jìn)行管理、配置、監(jiān)控、操作、數(shù)據(jù)交互等操作。當(dāng)硬件發(fā)生變化時(shí)只需改變?cè)O(shè)備接口配置和參數(shù)即可，這樣就大大減少了未來(lái)設(shè)備更新、升級(jí)所帶來(lái)的軟件工作量。

數(shù)據(jù)模塊包括數(shù)據(jù)的采集、記錄和管理。其中，數(shù)據(jù)的管理包含對(duì)測(cè)試參數(shù)管理及測(cè)試結(jié)果管理。測(cè)試參數(shù)管理包含硬件配置參數(shù)管理、測(cè)試設(shè)備和測(cè)量?jī)x器儀表的參數(shù)設(shè)置、測(cè)試任務(wù)的參數(shù)管理和測(cè)試任務(wù)的參數(shù)管理。硬件配置參數(shù)管理著所配各種儀器和設(shè)備的定義、連接協(xié)議和設(shè)置參數(shù)。

3.2 軟件操作

圖4為測(cè)試系統(tǒng)主界面。進(jìn)入測(cè)試程序界面后可選擇測(cè)試程序，在每個(gè)測(cè)試程序中對(duì)應(yīng)多個(gè)測(cè)試項(xiàng)目，可自由勾選。

圖4 EV綜合測(cè)試系統(tǒng)主界面Fig.4 Main interface of EV integrated test system

硬件配置界面可以對(duì)測(cè)試接口柜中各設(shè)備如電源、負(fù)載、示波器、功率計(jì)等進(jìn)行配置。

在測(cè)試項(xiàng)目界面，選擇要編輯的測(cè)試項(xiàng)目，可以對(duì)測(cè)試項(xiàng)目中的程序命令進(jìn)行修改，也可以添加對(duì)接口柜設(shè)備的控制命令。

點(diǎn)擊“項(xiàng)目執(zhí)行”圖標(biāo)，進(jìn)入項(xiàng)目執(zhí)行界面，選擇要執(zhí)行的項(xiàng)目程序，在執(zhí)行界面左側(cè)顯示當(dāng)前項(xiàng)目的程序語(yǔ)句，右側(cè)可以觀察項(xiàng)目變量、原始報(bào)文等內(nèi)容。

點(diǎn)擊“在線監(jiān)視”，進(jìn)入在線監(jiān)視界面，可對(duì)示波器、功率分析儀、繼電器選通盒、電池電壓模擬電源、數(shù)字萬(wàn)用表及可編程電源等各硬件設(shè)備進(jìn)行設(shè)置。

當(dāng)“項(xiàng)目執(zhí)行”中的測(cè)試程序完成后，測(cè)試程序會(huì)自動(dòng)以測(cè)試時(shí)間為名稱建立一個(gè)文件夾，里面包含所有的測(cè)試數(shù)據(jù)和圖片。

點(diǎn)擊“測(cè)試報(bào)告”圖標(biāo)，進(jìn)入測(cè)試報(bào)告界面，可選擇相應(yīng)測(cè)試程序的報(bào)告模板，數(shù)據(jù)自動(dòng)編譯生成測(cè)試報(bào)告。

4 檢測(cè)項(xiàng)目

4.1 通用電性能測(cè)試項(xiàng)目

可開展的交流充電樁通用電性能測(cè)試項(xiàng)目如表1所示，基本包含了交流充電樁通用電特性型式試驗(yàn)所需的檢測(cè)項(xiàng)目。

表1 可開展的交流充電樁通用電性能測(cè)試項(xiàng)目Tab.1 Electrical performance test items of A.C.charging spotwhich can be carried out

充電連接方式檢查，采用目測(cè)的方式進(jìn)行檢查，判斷交流充電樁及纜上控制與保護(hù)裝置的充電模式與連接方式，應(yīng)符合GB／T 18487.1－2015。

帶載分合電路試驗(yàn)，對(duì)交流充電樁進(jìn)行啟停操作，檢查帶載分合電路時(shí)交流充電樁工作正常，不應(yīng)出現(xiàn)損壞、死機(jī)、復(fù)位的現(xiàn)象。

連接異常試驗(yàn)，交流充電樁在充電運(yùn)行狀態(tài)下，將充電連接裝置連接確認(rèn)觸頭斷開，進(jìn)行充電操作，交流充電樁應(yīng)不能啟動(dòng)充電；交流充電樁在額定負(fù)載下進(jìn)行充電，將充電連接裝置連接確認(rèn)觸頭斷開，檢查交流充電樁應(yīng)立即切斷輸出電源并發(fā)出告警提示。

控制導(dǎo)引試驗(yàn)，檢測(cè)供電設(shè)備對(duì)保護(hù)接地導(dǎo)體連續(xù)性的持續(xù)監(jiān)測(cè)能力，在失去保護(hù)接地導(dǎo)體電氣連續(xù)性的情況下，電動(dòng)汽車供電設(shè)備應(yīng)在100 ms內(nèi)切斷電源；檢查電動(dòng)汽車與供電設(shè)備是否正確連接；檢查當(dāng)允許通電時(shí)，供電設(shè)備才向電動(dòng)汽車供電；檢查當(dāng)控制導(dǎo)引功能中斷，或控制導(dǎo)引信號(hào)不允許充電，或充電設(shè)備門打開等活動(dòng)造成帶電部位露出時(shí)，是否能切斷對(duì)電動(dòng)汽車的供電；檢查供電電流是否超過(guò)當(dāng)前供電設(shè)備的最大供電電流。

過(guò)流保護(hù)試驗(yàn)，交流充電樁在充電運(yùn)行狀態(tài)下，人為模擬交流充電樁輸出過(guò)流故障，交流充電樁應(yīng)立即切斷輸出電源。

剩余電流保護(hù)功能試驗(yàn)，交流充電樁在充電運(yùn)行狀態(tài)下，使用要求的限流電阻在充電回路中將相線與外殼短接，檢查交流充電樁應(yīng)立即切斷輸入電源。

急停功能試驗(yàn)，交流充電樁在充電運(yùn)行狀態(tài)下，按急停按鈕，交流充電樁應(yīng)立即切斷輸出電源并發(fā)出告警提示。

計(jì)量數(shù)據(jù)一致性試驗(yàn)，可選用實(shí)負(fù)載法進(jìn)行計(jì)量數(shù)據(jù)一致性試驗(yàn)，檢查交流充電樁從電能表采集的數(shù)據(jù)與對(duì)應(yīng)顯示的內(nèi)容是否保持一致。

4.2 互操作性測(cè)試項(xiàng)目

可開展的交流充電樁互操作性測(cè)試項(xiàng)目如表2所示。

表2 可開展的交流充電樁互操作性測(cè)試項(xiàng)目Tab.2 Interoperability test items of A.C.charging spotwhich can be carried out

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著電動(dòng)汽車充電設(shè)施數(shù)量的日益增長(zhǎng)，對(duì)其性能與互操作性的檢測(cè)變得特別迫切。文章設(shè)計(jì)并搭建了電動(dòng)汽車充電設(shè)施自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)，詳述了檢測(cè)方法及檢測(cè)項(xiàng)目，并編寫了相應(yīng)的檢測(cè)軟件。該平臺(tái)可對(duì)全系列交流充電樁及纜上控制與保護(hù)裝置（IC-CPD）的電性能及互操作性進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試，自動(dòng)檢測(cè)并生成檢測(cè)報(bào)告，檢測(cè)項(xiàng)目可靈活地管理，設(shè)備參數(shù)配置方便，無(wú)人為讀數(shù)誤差，檢測(cè)效率高。