交流充電樁互操作性測(cè)試系統(tǒng)研究＊

郭昊，李藝超，劉凌飛

（1.天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 汽車與交通學(xué)院，天津 300222；2.天津動(dòng)核芯科技有限公司，天津 300350）

前言

近年來(lái)，在國(guó)家和地方政策的鼓勵(lì)下，充電基礎(chǔ)設(shè)施伴隨著電動(dòng)汽車的發(fā)展不斷增長(zhǎng)。其中，對(duì)于私人而言，隨車配備的交流充電樁或便攜式纜上充電裝置成為為電動(dòng)汽車補(bǔ)充電能的首選方式。在公共充電樁領(lǐng)域，中國(guó)電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施促進(jìn)聯(lián)盟發(fā)布的《2018-2019 年度中國(guó)充電基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展報(bào)告》中，2018 年12 月數(shù)據(jù)顯示，國(guó)內(nèi)公共充電樁中交流樁數(shù)量為178364 臺(tái)，占比為54%[1]。交流充電樁將電網(wǎng)的交流電通過(guò)車輛接口傳輸給車載充電機(jī)，實(shí)現(xiàn)與電動(dòng)汽車的充電過(guò)程控制，車載充電機(jī)將交流整流為直流后，給動(dòng)力電池進(jìn)行充電。交流充電樁的互操作性直接影響充電體驗(yàn)與充電安全，為保證交流充電樁與電動(dòng)汽車之間的兼容性，判定交流充電樁是否符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GBT 34657.1-2017 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》中規(guī)定了交流充電樁互操作性相關(guān)的試驗(yàn)項(xiàng)目、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)方法和合格評(píng)定。本文首先介紹了交流充電控制導(dǎo)引電路原理，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)給定的交流充電互操作性測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提出了互操作性測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，其中重點(diǎn)介紹了車輛控制器模擬盒的電路設(shè)計(jì)。

1 互操作性測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理分析

電動(dòng)汽車交流充電時(shí)，交流充電樁的主要功能是完成交流電能的輸出控制，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，交流充電樁在交流充電過(guò)程中只是起到接通和關(guān)斷交流電的作用。電動(dòng)汽車與交流充電樁的信號(hào)交互是通過(guò)交流充電控制導(dǎo)引電路實(shí)現(xiàn)的，充電連接方式C 的交流充電控制導(dǎo)引電路，如圖1 所示。充電連接方式C 是指充電電纜與車輛插頭永久連接在交流充電樁上。在充電信號(hào)交互時(shí)，車輛控制裝置通過(guò)檢測(cè)CC 與PE 端之間的電阻值變化，判斷車輛接口是否完全連接，通過(guò)判斷RC電阻值確認(rèn)充電連接電纜的電流承載能力。通過(guò)CP 端的PWM 信號(hào)的占空比確定交流充電樁的最大供電能力。當(dāng)車輛和交流充電樁完全連接后，交流充電的功率回路導(dǎo)通。當(dāng)車載充電機(jī)設(shè)定最大允許輸入電流后，車載充電機(jī)啟動(dòng)[2]-[4]。

圖1 充電連接方式C 的交流充電控制導(dǎo)引電路

2 互操作性測(cè)試系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

根據(jù)圖1 可知，整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試對(duì)象為交流充電樁，若設(shè)計(jì)檢測(cè)交流充電樁互操作性測(cè)試系統(tǒng)，需模擬完整的電動(dòng)汽車端，包括符合國(guó)標(biāo)的交流充電插座，交流充電信號(hào)模擬電路，動(dòng)力電池模擬裝置?；ゲ僮鳒y(cè)試系統(tǒng)與交流充電樁實(shí)現(xiàn)充電連接，完成與交流充電樁的信號(hào)交互和充電樁的功率輸出，從而模擬電動(dòng)汽車測(cè)試整個(gè)交流充電過(guò)程中交流充電樁信號(hào)交互和充電過(guò)程控制。完整的互操作性測(cè)試系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的測(cè)試功能在國(guó)標(biāo)《GBT 34657.1-2017 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》中已經(jīng)給出，實(shí)際的交流充電互操作性測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)可實(shí)現(xiàn)交流充電樁的充電狀態(tài)控制、充電連接時(shí)序、異常充電控制、充電控制導(dǎo)引回路等測(cè)試內(nèi)容[5]。具體的測(cè)試項(xiàng)目已在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中給出，包括各個(gè)測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試目的、測(cè)試方法及步驟、合格評(píng)判等內(nèi)容。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GBT 34657.1-2017 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》中給出了交流充電樁互操作測(cè)試系統(tǒng)的大致結(jié)構(gòu)圖。如圖2 所示。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)中電動(dòng)汽車交流充電信號(hào)模擬電路與標(biāo)準(zhǔn)車輛控制器模擬盒對(duì)應(yīng)，動(dòng)力電池模擬裝置對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)給出的大致結(jié)構(gòu)中的負(fù)載。其中車輛控制模擬盒是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵電路部分。

圖2 交流充電樁互操作測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 互操作性測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的測(cè)試系統(tǒng)大致結(jié)構(gòu)以及互操作性測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試點(diǎn)要求，結(jié)合交流互操作性測(cè)試的詳細(xì)項(xiàng)目，設(shè)計(jì)了如圖3 所示的車輛控制器模擬盒相關(guān)電路。

在公共充電領(lǐng)域，交流充電樁常見(jiàn)的充電方式是連接方式C，圖3 中設(shè)計(jì)了充電連接方式C 對(duì)應(yīng)的互操作性測(cè)試系統(tǒng)。測(cè)試系統(tǒng)中主要的測(cè)試點(diǎn)包括：檢測(cè)點(diǎn)1 處的電壓值，CP 回路的PWM 信號(hào)的占空比、頻率、上升時(shí)間、下降時(shí)間，檢查充電樁的充電連接狀態(tài)和充電狀態(tài)。

圖3 車輛控制器模擬盒電路原理

測(cè)試系統(tǒng)主要包括標(biāo)準(zhǔn)的交流充電插座、單相/三相電壓采集、電流采集模塊、可編程交流負(fù)載、開(kāi)關(guān)S1、S2、S3、S4、CP 回路接地電阻、R2、R3 模擬電路、車輛控制模擬電路模塊、示波器、工控機(jī)等。為保證更高的兼容性，充電插座額定電流選擇63A。在執(zhí)行測(cè)試時(shí)，交流充電槍直接連接至交流充電插座，在L1、L2、L3、N 電路中，在回路之間采集交流電壓，在L1、L2、L3 單獨(dú)的電路中，采用霍爾電流傳感器采集充電樁輸出電流。S1、S2、S3、S4 開(kāi)關(guān)均由繼電器控制，在正常情況下，S1、S4 為常閉開(kāi)關(guān)，S2、S3 為常開(kāi)開(kāi)關(guān)。在充電測(cè)試過(guò)程中，將可編程交流負(fù)載設(shè)置為定電流模式。以下對(duì)各個(gè)部件的主要功能進(jìn)行詳細(xì)介紹：

（1）PE 回路開(kāi)關(guān)S1，用于模擬PE 中斷故障，測(cè)試交流充電樁的充電過(guò)程控制。

（2）CC 回路用于測(cè)量充電槍內(nèi)RC 電阻值，確定充電電纜的最大承載電流能力。

（3）CP 回路中S4 開(kāi)關(guān)用于模擬CP 中斷故障。

（4）CP 與PE 之間120Ω接地電阻由S3 開(kāi)關(guān)控制，用于實(shí)現(xiàn)CP 接地故障模擬。

（5）R2、R3 模擬電路用于CP 回路電壓限值測(cè)試。R2、R3 阻值可在500～2000Ω范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)整。

（6）車輛控制模擬電路模塊根據(jù)充電樁輸出的PWM 信號(hào)占空比、CC 回路RC 電阻值，確定可編程交流負(fù)載的輸入電流。

（7）工控機(jī)用于實(shí)現(xiàn)整個(gè)測(cè)試過(guò)程的測(cè)試流程控制，數(shù)據(jù)分析，測(cè)試評(píng)價(jià)等功能。

（8）示波器用于測(cè)量整個(gè)充電過(guò)程中的單相／三相交流電壓值、電流值，同時(shí)測(cè)量檢測(cè)點(diǎn)1處電壓值、PWM 信號(hào)的占空比、頻率、上升和下降時(shí)間。

4 互操作性測(cè)試系統(tǒng)軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

互操作性測(cè)試系統(tǒng)軟件系統(tǒng)是集成在工控機(jī)上，控制互操作性系統(tǒng)中可編程交流負(fù)載，以及各個(gè)回路之間繼電器，實(shí)現(xiàn)充電線路的故障模擬，同時(shí)讀取示波器測(cè)試的電壓電流、占空比等信號(hào)，進(jìn)行分析處理，完成測(cè)試流程和測(cè)試結(jié)果評(píng)價(jià)。軟件整體流程圖如圖4 所示。

5 結(jié)論

為保證現(xiàn)階段市場(chǎng)上的交流充電樁與國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的吻合性，完成交流充電樁互操作性測(cè)試，保證充電樁與市場(chǎng)上電動(dòng)汽車的充電兼容性，實(shí)現(xiàn)更好的充電體驗(yàn)，同時(shí)保證充電安全性，本文在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了交流充電互操作性測(cè)試系統(tǒng)，通過(guò)模擬電動(dòng)汽車端電路，可完成交流充電樁出廠測(cè)試、充電樁現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)、交流充電樁互操作性測(cè)試等內(nèi)容，具體的測(cè)試項(xiàng)目因在標(biāo)準(zhǔn)中已詳細(xì)給出，故在本文中沒(méi)有一一列出。

圖4 互操作性測(cè)試系統(tǒng)軟件整體流程圖