電動(dòng)汽車直流充電機(jī)自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)

朱彬，馬郭亮，王建國(guó)，孫洪亮，劉永相，吳宇，李智，龍羿，徐婷婷，汪會(huì)財(cái)

（1.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司電力科學(xué)研究院，重慶 401123；2.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司，重慶 400014；3.國(guó)網(wǎng)重慶市電力公司電動(dòng)汽車分公司，重慶 400023）

在能源和環(huán)境雙重危機(jī)的背景下[1]，發(fā)展電動(dòng)汽車已成為目前世界各主要國(guó)家的共識(shí)[2-3]。各國(guó)政府都對(duì)電動(dòng)汽車行業(yè)進(jìn)行了大力支持[4-5]，電動(dòng)汽車發(fā)展迅速。統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，2016年我國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷達(dá)到50萬輛、保有量達(dá)100萬輛，產(chǎn)銷量和保有量均占世界50%，已經(jīng)連續(xù)2 a實(shí)現(xiàn)全球產(chǎn)銷量第一。根據(jù)中汽協(xié)發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，2017年1—7月，我國(guó)新能源汽車產(chǎn)銷分別完成27.2萬輛和25.1萬輛，同比分別增長(zhǎng)26.2%和21.5%。

作為直接影響電動(dòng)汽車推廣應(yīng)用效果的關(guān)鍵因素之一[6]，充電樁方面同樣發(fā)展迅速。在2010年初，我國(guó)充電樁數(shù)量在1 000個(gè)左右；到2013年，數(shù)量突破2萬個(gè)；2016年全國(guó)充電樁擁有量已達(dá)到近20萬個(gè)。中國(guó)充電聯(lián)盟官方發(fā)布的最新數(shù)據(jù)顯示，截至2017年7月，聯(lián)盟內(nèi)成員單位2017年總計(jì)上報(bào)公共類充電樁18.1萬個(gè)，私人類充電樁14.9萬個(gè)，僅聯(lián)盟內(nèi)成員上報(bào)充電樁總數(shù)近33萬個(gè)。

根據(jù)《電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展指南（2015—2020年）》，到2020年，充換電站數(shù)量將達(dá)1.2萬個(gè)，充電樁將達(dá)到450萬個(gè)。然而一直困擾該行業(yè)的產(chǎn)品性能與互聯(lián)互通問題，也越來越突出。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)意見中專門提到加強(qiáng)充電設(shè)施的檢測(cè)認(rèn)證，促進(jìn)不同充電服務(wù)平臺(tái)互聯(lián)互通。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)電動(dòng)汽車充電設(shè)備檢驗(yàn)試驗(yàn)規(guī)范，包括 NB/T 33008.1—2013、NB/T 33008.2—2013[7-8]。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，文獻(xiàn)[9]詳細(xì)規(guī)定了電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)的通用要求；文獻(xiàn)[10-12]對(duì)用連接裝置的通用要求，交、直流充電接口進(jìn)行了細(xì)致規(guī)定；文獻(xiàn)[13]對(duì)電動(dòng)汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議進(jìn)行了規(guī)范。目前，最新的國(guó)標(biāo)是GB/T 34567.1-2017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）[14]，對(duì)互操作性的測(cè)試方法、評(píng)定規(guī)則進(jìn)行了規(guī)范。

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)[15]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；文獻(xiàn)[16]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)；文獻(xiàn)[17]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；文獻(xiàn)[18]分析了電壓暫降對(duì)充電機(jī)的影響；文獻(xiàn)[19]提出了電動(dòng)汽車充電站綜合性能評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，進(jìn)而得到充電站綜合性能評(píng)價(jià)等級(jí)；文獻(xiàn)[20-25]針對(duì)諧波污染最嚴(yán)重的三相不可控整流充電機(jī)進(jìn)行了分析、計(jì)算。

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、記錄儀器儀表采集的數(shù)據(jù)，檢測(cè)效率低下，工作量繁重，易出現(xiàn)人為檢測(cè)誤差[21]。因此，本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了電動(dòng)汽車直流充電機(jī)自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)，該平臺(tái)可對(duì)直流充電機(jī)電性能及互操作性進(jìn)行自動(dòng)檢測(cè)并生成測(cè)試報(bào)告。

圖1 電動(dòng)汽車直流充電機(jī)自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)原理圖Fig.1 The schematic diagram of the automatic testing platform for electric vehicle D.C.charging station

1 硬件平臺(tái)

電動(dòng)汽車直流充電機(jī)自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)設(shè)計(jì)原理圖如圖1所示。該平臺(tái)主要由大功率可編程交流電源、可編程直流負(fù)載、電池模擬裝置、數(shù)據(jù)采集卡、高精度功率計(jì)、示波器、控制箱及車輛接口模擬裝置、CAN卡、串口服務(wù)器、系統(tǒng)集成軟件及工控機(jī)等設(shè)備組成，可完成直流充電機(jī)電性能和互操作性的自動(dòng)測(cè)試[26-30]。平臺(tái)中可編程直流負(fù)載、電池模擬裝置、控制箱及車輛接口模擬裝置的最高工作電壓均為1 000 V，可滿足新國(guó)標(biāo)GB/T 20234.1—2015和GB/T 20234.3—2015中對(duì)直流額定電壓最高為1 000 V的要求。

可編程交流電源功率等級(jí)120 kW，可三相獨(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。

GB/T 18487.1—2015、GB/T 34567.1—2017 中推薦采用電阻性負(fù)載，故本文中的可編程直流載由純阻性負(fù)載組成，可遠(yuǎn)程和就地獨(dú)立控制，滿足直流非車載充電機(jī)的測(cè)試負(fù)載要求。

控制箱及車輛接口模擬裝置用于模擬導(dǎo)引電阻變化、信號(hào)接地/斷路等故障、開關(guān)分合邏輯，配合電源和負(fù)載可完成直流充電機(jī)電特性、充電導(dǎo)引和通信協(xié)議一致性測(cè)試的全部項(xiàng)目[31-35]。

電池模擬裝置用于模擬不同電池的輸出特性、電池充放電特性，可以在第一象限和第四象限工作，既可以輸出直流電，又可以吸收直流電，同時(shí)反饋到電網(wǎng)。

高精度功率計(jì)采集被測(cè)充電機(jī)輸入和輸出的三相電壓、電流，計(jì)算電壓、電流和功率值[36]。

高性能數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)置6位半數(shù)字萬用表，共20個(gè)通道，采集模擬器中的采樣點(diǎn)1、采樣點(diǎn)4的電壓值如圖2所示。信號(hào)選通器可完成通道的信號(hào)選通，可程控選通，與示波器配合實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的自動(dòng)采集。串口服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各個(gè)設(shè)備的485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。

圖2 控制箱及車輛接口模擬裝置工作原理圖Fig.2 Working principle diagram of the control box and vehicle interface simulation device

2 控制箱及車輛接口模擬裝置

圖1中的控制箱及車輛接口模擬裝置工作原理圖如圖2所示，該裝置可模擬導(dǎo)引電阻變化、信號(hào)接地/斷路等故障、開關(guān)分合邏輯，配合電源和負(fù)載可完成直流充電機(jī)電特性、充電導(dǎo)引和通信協(xié)議一致性測(cè)試的全部項(xiàng)目。

直流車輛模擬器中對(duì)車輛插座的每個(gè)觸點(diǎn)都有通斷仿真功能，DC+、DC-、PE、S+、S-、CC1、CC2、A+、A-分別對(duì)應(yīng)仿真開關(guān)Q1～Q9，可實(shí)現(xiàn)各路故障仿真。

模塊中各個(gè)開關(guān)2側(cè)都帶有標(biāo)準(zhǔn)4 mm香蕉插座，可通過外部示波器進(jìn)行信號(hào)采集。并且各個(gè)開關(guān)位置可通過面板上的信號(hào)指示燈進(jìn)行查看。

模塊中帶有R4電阻模擬電路，可模擬R4電阻的5個(gè)電阻檔位，分別為 500 Ω、970 Ω、1 000 Ω、1 030 Ω和2000Ω，電阻精度0.2%FS（fullscale，F(xiàn)S），功率＞0.5W。

模塊中帶有R5電阻模擬電路，可模擬R5電阻的5 個(gè)電阻檔位，分別為 500 Ω、970 Ω、1 000 Ω、1030 Ω和 2 000 Ω，電阻精度 0.2%FS，功率＞0.5 W。

設(shè)備內(nèi)部包含1個(gè)12 V電源U1，電壓值可通過控制器進(jìn)行設(shè)定，提供U2電壓上下限的仿真功能。

DC+與PE之間可通過Q17和絕緣模擬電阻進(jìn)行絕緣故障仿真；DC-與PE之間可通過Q18和絕緣模擬電阻進(jìn)行絕緣故障仿真。

充電接口 S+、S-、CC1、CC2、A+和 A-可分別通過導(dǎo)通開關(guān)Q11～Q16與電阻模擬對(duì)地故障的仿真。

設(shè)備內(nèi)部包括高精度電壓傳感器和電流傳感器，可提供給功率分析儀和示波器采集信號(hào)。

設(shè)備具備正常充電和非正常充電的模擬功能。

車輛BMS模擬軟件可通過CAN接口與被測(cè)非車載充電機(jī)通訊，可模擬電池包需求狀態(tài)及通訊故障等，進(jìn)行通訊協(xié)議一致性測(cè)試[37-40]。

控制箱及車輛接口模擬裝置主要以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485進(jìn)行通信，接收指令并返回內(nèi)部狀態(tài)。同時(shí)與內(nèi)部車輛BMS模擬軟件進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制。

設(shè)備可與另一個(gè)直流控制箱及車輛接口模擬裝置使用導(dǎo)線連在一起，通過控制開關(guān)Q10來實(shí)現(xiàn)并機(jī)功能，用以測(cè)試更大功率等級(jí)的直流充電樁。

通過示波器，可進(jìn)行CAN通信干擾測(cè)試，監(jiān)測(cè)CAN-H、CAN-L以及差分信號(hào)，可在互操作性軟件中進(jìn)行自動(dòng)測(cè)試。

設(shè)備帶有電壓、電流接口，功率計(jì)采集被測(cè)直流非車載充電機(jī)輸入端的三相電壓、電流信號(hào)和控制箱及車輛接口模擬裝置內(nèi)部的直流電壓和電流信號(hào)。

3 測(cè)試軟件

3.1 整體方案

軟件采用開放的軟件架構(gòu)，控制管理各種測(cè)試設(shè)備，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。

系統(tǒng)一方面可以控制各裝置的運(yùn)行，采集、分析運(yùn)行和測(cè)試數(shù)據(jù)，生成相關(guān)測(cè)試報(bào)告；另一方面對(duì)各裝置的工作運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

系統(tǒng)主要包括控制部分與人機(jī)交互部分?？刂撇糠钟涩F(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集、控制器（控制與監(jiān)測(cè)）和后臺(tái)工控機(jī)組成，它們直接和受控裝置連接。現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)采集包括功率計(jì)、示波器和各種傳感器數(shù)據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)采集的各種信號(hào)接入系統(tǒng)，然后由數(shù)據(jù)采集錄波裝置、控制器和保護(hù)進(jìn)行綜合處理與判斷，并將相應(yīng)的數(shù)據(jù)和處理、判斷結(jié)果送到后臺(tái)工控機(jī)。

人機(jī)部分主要包括顯示與監(jiān)控部分、控制與操作部分、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分及輸出與打印部分，該部分主要為上位機(jī)的直接顯示與操作。該裝置集成了所有上位機(jī)監(jiān)控和操作功能，以便能夠和各裝置進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)交換。

3.2 軟件功能特性

軟件集成了可編程交流電源、可編程直流負(fù)載、車輛模擬器（包括車輛BMS模擬器）、控制箱及車輛接口模擬裝置、示波器和功率計(jì)等設(shè)備，依據(jù)不同測(cè)試項(xiàng)目，按照設(shè)定好的時(shí)序邏輯自動(dòng)執(zhí)行，自動(dòng)讀取測(cè)試結(jié)果，完成規(guī)定的檢測(cè)項(xiàng)目。

通過系統(tǒng)集成，軟件與硬件設(shè)備聯(lián)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)交、直流充電樁充電過程的全過程仿真。在對(duì)直流非車載充電機(jī)的互操作性測(cè)試中，軟件內(nèi)集成不同動(dòng)力電池（如鉛酸、鎳氫電池、聚合物鋰離子電池等）的電特性曲線，可對(duì)可編程直流負(fù)載的工作模式進(jìn)行設(shè)定，并可對(duì)最大工作電壓、最大工作電流、最小放電電壓等進(jìn)行設(shè)定，模擬動(dòng)力電池包的電池需求。

軟件使用LabVIEW進(jìn)行編程，可維護(hù)性好，可向用戶開放二次接口，方便進(jìn)行二次開發(fā)，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)。

3.3 軟件操作界面

圖3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。軟件配備1個(gè)USB轉(zhuǎn)CAN模塊，可實(shí)現(xiàn)充電樁與上位機(jī)的直接通信，模塊帶有2路CAN通信接口，支持CAN2.0A和CAN2.0B協(xié)議，符合ISO/DIS11898規(guī)范，設(shè)備CAN-bus通訊波特率在5 kb/s～1 Mb/s直接任意編程設(shè)置。軟件有報(bào)告生成功能，可在編輯器了編輯或?qū)雸?bào)告模板，軟件可一鍵將測(cè)試結(jié)果（包括數(shù)據(jù)和圖片）導(dǎo)出到WORD文檔里。

圖3 綜合測(cè)試系統(tǒng)主界面Fig.3 Main interface of the integrated test system

執(zhí)行配置好的測(cè)試項(xiàng)目，可選擇執(zhí)行、單步執(zhí)行2種方式?？蓪?shí)時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)項(xiàng)目和項(xiàng)目工步執(zhí)行情況，可顯示電流、電壓，運(yùn)行狀態(tài)，風(fēng)機(jī)狀態(tài)等參數(shù)。圖4所示為直流充電機(jī)互操作性測(cè)試界面，軟件可控制直流負(fù)載、電池電壓模擬器的輸出參數(shù)，模擬電動(dòng)汽車電池包充電特性，使用CAN可與充電樁實(shí)現(xiàn)通訊，完成控制時(shí)序測(cè)試?；ゲ僮餍攒浖蓪?duì)電流控制時(shí)間、電流停止速率、反灌電流等項(xiàng)目進(jìn)行測(cè)試工步編輯，示波器采集直流側(cè)電壓、電流，示波器可設(shè)置觸發(fā)條件自動(dòng)觸發(fā)，并依據(jù)電流閾值自動(dòng)測(cè)量時(shí)長(zhǎng)。

圖4 直流充電機(jī)互操作性測(cè)試界面Fig.4 Test interface of the DC charger interoperability

軟件可調(diào)用示波器，完成觸發(fā)設(shè)置、圖片截取、數(shù)據(jù)讀取、自動(dòng)測(cè)量等功能，可完成輸出電流控制時(shí)間測(cè)試等內(nèi)容。

軟件里集成BMS通信協(xié)議庫(kù)，可在硬件的配合下完成充電樁連接確認(rèn)、自檢階段、充電準(zhǔn)備階段、充電控制時(shí)序等測(cè)試。

4 測(cè)試項(xiàng)目

直流充電機(jī)互操作性測(cè)試?yán)密囕v測(cè)試模擬器測(cè)試非車載充電機(jī)的充電控制過程、異常充電狀態(tài)以及連接控制時(shí)序等，測(cè)試條件可包含額定工況和參數(shù)公差范圍外的失效測(cè)試。本平臺(tái)可開展的直流充電機(jī)測(cè)試項(xiàng)目如圖5所示，對(duì)每一類測(cè)試項(xiàng)目除了有編輯好的測(cè)試庫(kù)外，用戶還可進(jìn)行自定義編程。選擇試驗(yàn)項(xiàng)目，編輯試驗(yàn)工步。系統(tǒng)提供的標(biāo)準(zhǔn)庫(kù)已經(jīng)編輯好工步，用戶可進(jìn)行編輯更改，軟件支持工步預(yù)編輯檢測(cè)功能，提示用戶編輯是否出現(xiàn)錯(cuò)誤。

圖5 測(cè)試項(xiàng)目Fig.5 Test items

通過工步設(shè)置可設(shè)置直流負(fù)載、車載直流電源、開關(guān)控制器等相關(guān)項(xiàng)參數(shù)，同時(shí)填寫下方記錄條件，可實(shí)現(xiàn)間隔記錄功能；安全保護(hù)值可設(shè)置功率上限值、電壓上限值等保護(hù)參數(shù)。

示波器自動(dòng)觸發(fā)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)和示波器通訊。對(duì)示波器進(jìn)行觸發(fā)，完成電壓、電流等信號(hào)采集，可實(shí)現(xiàn)輸出電壓控制誤差、輸出電流控制誤差、輸出電流控制時(shí)間、輸出電流停止速率、反灌沖擊電流等參數(shù)的測(cè)試。

5 結(jié)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)其電性能與互操作性的檢測(cè)變得特別迫切。本文設(shè)計(jì)并開發(fā)了電動(dòng)汽車直流充電機(jī)自動(dòng)檢測(cè)平臺(tái)，詳述了控制箱及車輛接口模擬裝置工作原理，闡述了檢測(cè)方法并編寫了相應(yīng)的檢測(cè)軟件。該平臺(tái)可對(duì)直流充電機(jī)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，無人為讀數(shù)誤差，檢測(cè)效率高。

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