電動(dòng)汽車無(wú)線充電通信協(xié)議一致性測(cè)試的研究

黃 炘， 張寶強(qiáng)， 李 川， 孔治國(guó)， 王朝暉， 趙凌霄， 蘭 昊

（1.中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津） 有限公司， 天津 300300；2.中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司， 天津 300300）

1 引言

電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)一般可分為地面端設(shè)備和車載端設(shè)備，二者之間無(wú)直接物理連接［1-5］。為保證無(wú)線充電系統(tǒng)正常運(yùn)行，地面端和車載端的控制方式主要有兩種，分別為單邊控制和雙邊控制。單邊控制是指系統(tǒng)輸出功率等關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)節(jié)由地面端或者車載端單獨(dú)完成，另一端不參與調(diào)節(jié)；雙邊控制指地面端和車載端同時(shí)參與無(wú)線充電系統(tǒng)的整體調(diào)節(jié)［6］。目前主流的控制方式為雙邊控制，也就是在無(wú)線充電過(guò)程中，地面端和車載端之間需通過(guò)無(wú)線通信來(lái)控制管理充電過(guò)程［7-9］。

考慮到電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求以及未來(lái)公共場(chǎng)所充電的便利性，無(wú)線充電場(chǎng)景中的地面端和車載端很大程度是來(lái)自不同的設(shè)備生產(chǎn)廠家，可能存在通信協(xié)議和線圈類型等不統(tǒng)一的問(wèn)題。地面端和車載端的無(wú)線通信協(xié)議一致性成為保證不同的地面端和車載端設(shè)備之間正常、高效、安全交互的關(guān)鍵所在。

為了將車載端與地面端充電設(shè)施統(tǒng)一起來(lái)，實(shí)現(xiàn)不同電動(dòng)汽車與不同充電樁之間高效安全地進(jìn)行無(wú)線充電，2020年4月28日國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)委頒布了一系列電動(dòng)汽車無(wú)線充電相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，其中GB/T 38775.2對(duì)車載充電機(jī)和無(wú)線充電設(shè)備之間的通信協(xié)議進(jìn)行了規(guī)范［10］。但是在協(xié)議實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，由于對(duì)通信協(xié)議的理解和實(shí)現(xiàn)方法等的不一致，可能會(huì)給整車實(shí)際充電的互操作帶來(lái)障礙，因此有必要對(duì)電動(dòng)汽車和無(wú)線充電設(shè)備之間的通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)進(jìn)行一致性測(cè)試評(píng)估。

本文首先對(duì)GB/T 38775.2進(jìn)行解讀，在此基礎(chǔ)上，提出了電動(dòng)汽車無(wú)線充電通信協(xié)議一致性測(cè)試系統(tǒng)，包括軟硬件測(cè)試平臺(tái)及測(cè)試方法，能夠?yàn)殡妱?dòng)汽車無(wú)線充電領(lǐng)域的相關(guān)檢測(cè)驗(yàn)證提供技術(shù)支撐，促進(jìn)行業(yè)規(guī)范化發(fā)展。

2 電動(dòng)汽車無(wú)線充電流程

2.1 GB/T 38775.2對(duì)無(wú)線充電流程的規(guī)定

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38775.2將電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)車載側(cè)和地面?zhèn)仍O(shè)備的充電流程分為4個(gè)狀態(tài)，分別為通信未連接、通信連接、待機(jī)和充電［10］，如圖1所示。每個(gè)狀態(tài)具體解釋如下。

圖1 GB/T 38775.2中規(guī)定的無(wú)線充電總體流程

1） 通信未連接：地面、車載側(cè)設(shè)備功率模塊部分待機(jī)，等待指令下達(dá)后可進(jìn)行能量傳輸，但通信連接未建立。

2） 通信連接：各通信單元建立了通信連接，但能量未開始傳輸。

3） 待機(jī)：系統(tǒng)進(jìn)行地面與車載側(cè)的互操作性檢測(cè)、認(rèn)證鑒權(quán)處理、對(duì)位檢測(cè)已結(jié)束，但還未開始能量傳輸。系統(tǒng)完成能量傳輸前提條件的判斷，等待執(zhí)行能量傳輸指令。

4） 充電：接收到啟動(dòng)充電指令，根據(jù)車輛控制系統(tǒng)下達(dá)的充電指標(biāo)執(zhí)行能量傳輸；接收到停止充電指令，停止能量傳輸。

2.2 無(wú)線充電流程解讀

在對(duì)標(biāo)準(zhǔn)解讀過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，GB/T 38775.2對(duì)無(wú)線充電過(guò)程的劃分過(guò)于粗糙，不能較好地幫助理解無(wú)線充電的整個(gè)流程。因此，本文借鑒電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27930對(duì)直流充電過(guò) 程 的 劃 分［11］， 通 過(guò) 對(duì)GB/T 38775.2內(nèi)容的進(jìn)一步梳理，提出如圖2所示的一種對(duì)電動(dòng)汽車無(wú)線充電流程的理解。

圖2將整個(gè)無(wú)線充電過(guò)程劃分為6個(gè)階段，分別為：建立WIFI通信、注冊(cè)鑒權(quán)、互操作性信息兼容檢查、開始充電請(qǐng)求與響應(yīng)、充電狀態(tài)信息交互和結(jié)束充電請(qǐng)求與響應(yīng)。在各個(gè)階段，地面端和車載端設(shè)備如果在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到對(duì)方指令或者沒(méi)有收到正確指令，即判定為超時(shí)（超時(shí)指在規(guī)定時(shí)間內(nèi)沒(méi)有收到對(duì)方的完整數(shù)據(jù)包或者正確數(shù)據(jù)包）［11］。每個(gè)階段具體解釋如下。

1） 建立WIFI通信。當(dāng)系統(tǒng)低壓輔助上電后，地面端和車載端設(shè)備的功率模塊部分待機(jī)，通信模塊開始工作，建立WIFI通信。

2） 注冊(cè)鑒權(quán)。通信模塊啟動(dòng)，車載通信控制單元（IVU） 獲取副邊設(shè)備ID，并與其自身ID生成簽名認(rèn)證值，然后向地面通信控制單元 （CSU） 發(fā)送注冊(cè)請(qǐng)求；CSU對(duì)注冊(cè)請(qǐng)求進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)后向IVU發(fā)送鑒權(quán)認(rèn)證請(qǐng)求；IVU根據(jù)鑒權(quán)認(rèn)證請(qǐng)求對(duì)CSU進(jìn)行認(rèn)證，并反饋鑒權(quán)響應(yīng)給CSU；CSU根據(jù)鑒權(quán)響應(yīng)對(duì)IVU進(jìn)行認(rèn)證，然后向IVU返回注冊(cè)響應(yīng)，整個(gè)注冊(cè)鑒權(quán)過(guò)程完成。

3） 互操作性信息兼容檢查。IVU和CSU互發(fā)兼容性檢查需要的信息，包括功率等級(jí)、諧振補(bǔ)償電路拓?fù)?、線圈類型、頻率范圍和工作間隙等，并檢測(cè)是否相匹配。

4） 開始充電請(qǐng)求與響應(yīng)。IVU向CSU發(fā)送開始充電請(qǐng)求，CSU在收到請(qǐng)求后判斷IVU是否合法，且是否允許本次充電，并向IVU發(fā)送開始充電請(qǐng)求響應(yīng)。若CSU允許充電，會(huì)向功率發(fā)送控制器 （PTC） 發(fā)送開始充電指令，并循環(huán)檢測(cè)PTC狀態(tài)，直到PTC開始充電。

5） 充電狀態(tài)信息交互。CSU檢測(cè)到PTC開始充電或者停止充電，會(huì)向IVU發(fā)送充電狀態(tài)信息；IVU在收到信息后，會(huì)向CSU返回狀態(tài)信息響應(yīng)。

6） 結(jié)束充電請(qǐng)求與響應(yīng)。CSU和IVU均可發(fā)起結(jié)束充電。CSU發(fā)起結(jié)束充電過(guò)程為，首先CSU向PTC發(fā)送停止充電指令，然后向IVU發(fā)送充電狀態(tài)信息；IVU發(fā)起結(jié)束充電過(guò)程為，首先IVU向CSU發(fā)起停止充電請(qǐng)求，然后CSU返回停止充電響應(yīng)，接下來(lái)的過(guò)程與CSU發(fā)起結(jié)束充電過(guò)程相同。

圖2 無(wú)線充電總體流程解讀

3 無(wú)線充電通信一致性測(cè)試系統(tǒng)架構(gòu)

為了驗(yàn)證地面端設(shè)備與車載端設(shè)備在無(wú)線充電過(guò)程中的通信是否滿足GB/T 38775.2通信協(xié)議的要求，測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)該具備模擬充電過(guò)程中通信邏輯和功率傳輸?shù)墓δ?。這是因?yàn)楫?dāng)且僅當(dāng)無(wú)線充電系統(tǒng)地面端設(shè)備和車載端設(shè)備之間的控制導(dǎo)引功能和通信建立正確連接關(guān)系時(shí)才能正常充電。

3.1 硬件架構(gòu)

無(wú)線充電通信一致性測(cè)試系統(tǒng)包括電源變換模塊、線圈、采樣控制單元、工控機(jī)、通信測(cè)試模塊以及檢測(cè)模塊，無(wú)線充電測(cè)試系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖3所示。

圖3 無(wú)線充電測(cè)試系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

1） 電源變換模塊。電源變換模塊分別與線圈、采樣控制單元和檢測(cè)模塊相連接，用于對(duì)接入的交流電進(jìn)行變換。電源變換模塊包括全控整流電路、調(diào)壓電路、逆變電路和諧振補(bǔ)償電路。

2） 線圈。線圈分別與電源變換模塊和檢測(cè)模塊相連接，用于將電源變換模塊輸出的交流電以交變磁場(chǎng)進(jìn)行發(fā)射出去，或者接收其他線圈發(fā)射的交變磁場(chǎng)。線圈的結(jié)構(gòu)包括圓型和矩型。

3） 采樣控制單元。采樣控制單元分別與電源變換模塊和工控機(jī)相連接，用于根據(jù)需求控制電源變換模塊的輸出特性。采樣控制單元主要用于檢測(cè)電源變換模塊中的電壓和/或電流，并生成對(duì)應(yīng)的檢測(cè)信號(hào)傳遞給工控機(jī)；控制調(diào)節(jié)電源變換模塊的輸出電壓和/或電流特性；接收并執(zhí)行來(lái)自工控機(jī)的控制指令。

4） 工控機(jī)。工控機(jī)分別與采樣控制單元、通信測(cè)試模塊和檢測(cè)模塊相連接，用于操控測(cè)試系統(tǒng)。工控機(jī)裝有測(cè)試程序，主要用于測(cè)試地面端和車載端設(shè)備的通信一致性，其功能應(yīng)包括輸入被測(cè)設(shè)備參數(shù)，包括但不限于設(shè)備端ID、功率等級(jí)、諧振補(bǔ)償電路拓?fù)漕愋?、線圈類型和頻率范圍，用于測(cè)試中參數(shù)比對(duì)分析；存儲(chǔ)并執(zhí)行通信一致性測(cè)試指令，下發(fā)給采樣控制單元來(lái)控制測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)作以及通過(guò)通信測(cè)試模塊與被測(cè)設(shè)備進(jìn)行無(wú)線通信；解析通信測(cè)試模塊接收到的來(lái)自被測(cè)設(shè)備的通信指令，并通過(guò)顯示屏顯示解析后的通信指令；判讀接收到的通信指令，并根據(jù)判讀結(jié)果下發(fā)相對(duì)應(yīng)的通信一致性測(cè)試指令給采樣控制單元來(lái)控制測(cè)試系統(tǒng)的動(dòng)作以及通過(guò)通信測(cè)試模塊與被測(cè)設(shè)備進(jìn)行無(wú)線通信；接收并存儲(chǔ)檢測(cè)模塊傳送的檢測(cè)信號(hào)，用于測(cè)試中參數(shù)比對(duì)分析。

5） 通信測(cè)試模塊。通信測(cè)試模塊與工控機(jī)相連接，用于獲取被測(cè)設(shè)備發(fā)出的通信信號(hào)以及通過(guò)無(wú)線通信的方式傳遞工控機(jī)下發(fā)的通信一致性測(cè)試指令給被測(cè)設(shè)備。

6） 檢測(cè)模塊。檢測(cè)模塊分別與工控機(jī)、電源變換模塊和線圈相連接，用于檢測(cè)電源變換模塊和線圈間的電壓和/或電流信號(hào)，并傳送給工控機(jī)。檢測(cè)模塊可以為功率分析儀和/或示波器。

3.2 軟件架構(gòu)

測(cè)試系統(tǒng)的軟件可分為3部分：參數(shù)配置、測(cè)試執(zhí)行和數(shù)據(jù)后處理。其主要功能包括參數(shù)配置、控制車載端和地面端設(shè)備的通信、邏輯判斷、數(shù)據(jù)分析與處理等。本文的無(wú)線充電通信一致性測(cè)試系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖4所示。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)軟件框圖

參數(shù)配置既包括測(cè)試系統(tǒng)自身的參數(shù)設(shè)置，如波特率、信道號(hào)等，也包括測(cè)試樣品參數(shù)的設(shè)置，如設(shè)備端ID、功率等級(jí)、諧振補(bǔ)償電路拓?fù)漕愋汀⒕€圈類型和頻率范圍等，主要用于測(cè)試中參數(shù)比對(duì)分析和判斷。

測(cè)試執(zhí)行主要是指軟件可以選擇編好的測(cè)試用例逐步執(zhí)行，這其中就包括肯定測(cè)試用例和否定測(cè)試用例。此外，在測(cè)試過(guò)程中，用戶可以從軟件界面實(shí)時(shí)讀取通信狀態(tài)和系統(tǒng)狀態(tài)，并在提示出現(xiàn)錯(cuò)誤后可立即停止并重新開始執(zhí)行測(cè)試用例。

數(shù)據(jù)后處理主要指測(cè)試數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、導(dǎo)出、分析和測(cè)試報(bào)告生成等。

4 無(wú)線充電通信一致性測(cè)試方法

利用上述的電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)進(jìn)行通信一致性測(cè)試的具體方法如下。

1） 試驗(yàn)樣品布置。根據(jù)測(cè)試需求，測(cè)試系統(tǒng)連接上交流電源，被測(cè)樣品連接上電子負(fù)載。將測(cè)試系統(tǒng)中的線圈與被測(cè)樣品中的線圈對(duì)齊，線圈間隙調(diào)至滿足可正常工作的要求，如140mm。

2） 試驗(yàn)初始化。低壓上電，使測(cè)試系統(tǒng)待機(jī)，被測(cè)樣品的電源變換模塊待機(jī)，電子負(fù)載待機(jī)，并根據(jù)測(cè)試需求選擇恒壓或恒流或恒阻的工作模式，然后打開交流電源開關(guān)。

3） 進(jìn)行通信一致性測(cè)試。啟動(dòng)測(cè)試軟件，輸入被測(cè)樣品參數(shù)，選擇執(zhí)行設(shè)備通信一致性測(cè)試程序。通信一致性測(cè)試內(nèi)容包括通信連接響應(yīng)、注冊(cè)鑒權(quán)響應(yīng)、兼容性檢查響應(yīng)、開始充電響應(yīng)、充電狀態(tài)信息交互響應(yīng)和結(jié)束充電響應(yīng)等。

4） 測(cè)試結(jié)束，生成測(cè)試報(bào)告。

5 結(jié)論

電動(dòng)汽車無(wú)線充電系統(tǒng)通信協(xié)議GB/T 38775.2是保證實(shí)現(xiàn)無(wú)線充電互操作性的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。本文通過(guò)對(duì)GB/T 38775.2的細(xì)致解讀，梳理得到無(wú)線充電通信的一般流程，并提出了一種無(wú)線充電通信一致性測(cè)試的方案，包括軟硬件架構(gòu)和測(cè)試方法，能夠較為真實(shí)地再現(xiàn)實(shí)際充電狀況，為相關(guān)檢測(cè)試驗(yàn)和驗(yàn)證提供參考，有助于后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)的修訂和測(cè)試的進(jìn)一步完善。