電動(dòng)汽車充電樁檢測技術(shù)應(yīng)用及分析

宋夢瓊, 康逸群

(1.國網(wǎng)湖北省電力有限公司 技術(shù)培訓(xùn)中心, 湖北 武漢 430071;2.國網(wǎng)湖北省電力有限公司 電力科學(xué)研究院, 湖北 武漢 430077)

0 引 言

發(fā)展電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要戰(zhàn)略舉措。據(jù)統(tǒng)計(jì) 2021年5月全國公共充電樁保有量已超過89萬臺(tái),隨著充電設(shè)施建設(shè)規(guī)模和數(shù)量的持續(xù)增長,如何提升充電設(shè)施服務(wù)水平,提高充電樁安全性、一致性、可靠性,成為行業(yè)內(nèi)日益突出和亟待解決的問題。

檢測試驗(yàn)是充電樁故障診斷和性能評價(jià)的重要手段;國家、行業(yè)層面陸續(xù)出臺(tái)相關(guān)技術(shù)規(guī)范和檢測標(biāo)準(zhǔn)[1-5],為檢測試驗(yàn)工作提供支撐;行業(yè)內(nèi)諸多企業(yè)機(jī)構(gòu)已長期開展充電樁檢測或檢測儀器設(shè)備研發(fā)工作,自動(dòng)化、智能化檢測技術(shù)得到廣泛應(yīng)用[6-10]。本文基于大量直流充電樁檢測試驗(yàn)的實(shí)際數(shù)據(jù),研究分析直流充電樁在檢測中的異常狀態(tài),并提煉典型問題案例,為直流充電樁的性能評價(jià)和故障診斷提供參考依據(jù)。

1 主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

經(jīng)過數(shù)年持續(xù)研究與發(fā)展,國內(nèi)已形成較為完善的直流充電樁標(biāo)準(zhǔn)體系,涉及充電系統(tǒng)、通信協(xié)議、檢測試驗(yàn)等,包含了充電設(shè)備的硬、軟件部分技術(shù)參數(shù)及檢測試驗(yàn)內(nèi)容。

(1)充電系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn):如GB/T 18487.1—2015《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第1部分:通用要求》規(guī)定了充電系統(tǒng)分類、設(shè)備結(jié)構(gòu)、性能要求、連接設(shè)施要求、使用條件等內(nèi)容。

(2)通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn):如GB/T 27930—2015《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》規(guī)定了直流充電樁與車輛電池管理系統(tǒng)(BMS)基于控制器局域網(wǎng)的通信物理層、數(shù)據(jù)鏈路層及應(yīng)用層的定義。

(3)檢測試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn):如NB/T 33008.1—2018《電動(dòng)汽車充電設(shè)備檢驗(yàn)試驗(yàn)規(guī)范 第1部分:非車載充電機(jī)》、GB/T 34657.1—2017《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電設(shè)備互操作性測試規(guī)范 第1部分:供電設(shè)備》、GB/T 34658—2017《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)議一致性測試》。上述標(biāo)準(zhǔn)分別對直流充電樁的電氣性能、互操作性、通信協(xié)議一致性等方面檢測試驗(yàn)的條件、方法、技術(shù)要求做出具體規(guī)定。

2 檢測系統(tǒng)架構(gòu)

直流充電樁檢測系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 直流充電樁檢測系統(tǒng)架構(gòu)

(1)車輛控制器模擬盒:包括有充電槍接口、BMS模擬軟件、車輛模擬電路,負(fù)責(zé)構(gòu)建車-樁控制導(dǎo)引電路、模擬真實(shí)車輛BMS系統(tǒng),并將各類信號轉(zhuǎn)送至檢測系統(tǒng)其他部件。

(2)主控機(jī):承擔(dān)人機(jī)交互、檢測軟件操作的功能,顯示檢測軟件流程,以及檢測過程中的各類信號狀態(tài)、波形數(shù)據(jù)等。

(3)測試儀器:主要由測量、錄波模塊組成,實(shí)時(shí)準(zhǔn)確采集充電樁的電氣量、開關(guān)量、及相應(yīng)波形。

(4)低壓輔助電源模塊:用于模擬車輛內(nèi)部低壓輔助電源。

(5)電池模擬裝置:可調(diào)直流負(fù)載可采用阻性負(fù)載或電子負(fù)載,并根據(jù)檢測流程控制負(fù)載大小,以達(dá)到調(diào)節(jié)充電樁輸出電壓或電流的功能;電池電壓模塊用于模擬車輛電池在各類工況時(shí)的電壓量。

基于上述構(gòu)架的直流充電樁檢測裝置可以滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中涉及安全要求、充電輸出、控制導(dǎo)引、協(xié)議一致性等試驗(yàn)項(xiàng)目的要求,其檢測軟件程序已基本實(shí)現(xiàn)了全自動(dòng)化。此外,部分檢測裝置的直流負(fù)載采用獨(dú)立連接方式,具備擴(kuò)展功能,從而可根據(jù)被測充電樁額定功率進(jìn)行負(fù)載調(diào)節(jié)。

3 典型案例分析

3.1 輸出過壓保護(hù)試驗(yàn)

輸出過壓保護(hù)試驗(yàn)中,電池模擬裝置在充電回路正負(fù)極兩端施加超過充電樁限值的過電壓,充電樁應(yīng)立即停止輸出并斷開直流接觸器S1、S2。

某樣品測試中,輸出過壓保護(hù)試驗(yàn)波形如圖2所示。圖2中充電功率模塊的輸出電壓,即為直流接觸器前端電壓,當(dāng)檢測儀模擬過電壓后,充電功率模塊繼續(xù)保持設(shè)定電壓值輸出約5 s后停機(jī)。

圖2 輸出過壓保護(hù)試驗(yàn)波形

經(jīng)分析后發(fā)現(xiàn),充電樁在檢測到電壓故障后,充電控制器向BMS發(fā)送CST報(bào)文,并延時(shí)5 s判定未收到BST報(bào)文后才進(jìn)入結(jié)束充電階段,因此導(dǎo)致下發(fā)充電功率模塊關(guān)機(jī)指令延長5 s,造成模擬過電壓后充電樁未立即停機(jī)。

3.2 穩(wěn)壓、穩(wěn)流精度試驗(yàn)

穩(wěn)壓、穩(wěn)流精度試驗(yàn)考核充電樁在設(shè)定的工況下輸出電壓、電流的穩(wěn)定性,體現(xiàn)充電模塊的性能。

穩(wěn)壓精度試驗(yàn)波形如圖3所示。樣品充電樁設(shè)置為恒壓模式,并按照銘牌參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)測試點(diǎn)設(shè)置輸出電壓為額定750 V、輸出電流為額定80 A。該測試點(diǎn)下電壓、電流無法保持穩(wěn)定,電壓在670～740 V,電流在60～75 A內(nèi)較大幅度波動(dòng);電壓設(shè)定為750 V時(shí),電流最大穩(wěn)定點(diǎn)為55 A。在穩(wěn)流精度試驗(yàn)中,設(shè)置充電樁為恒流模式,部分工況同樣出現(xiàn)電壓、電流較大波動(dòng)情況。

圖3 穩(wěn)壓精度試驗(yàn)波形

出現(xiàn)上述問題在于充電功率模塊的硬件性能和控制策略。樣品充電樁配置3組20 kW功率模塊,根據(jù)充電需求功率的增加依次啟動(dòng)下一組模塊,并且功率增幅需超過模塊額定功率的50%。在750 V/80 A測試點(diǎn)工況下,第三組模塊不能保持穩(wěn)定運(yùn)行,導(dǎo)致電壓、電流出現(xiàn)較大波動(dòng)。

3.3 自檢階段測試

絕緣自檢是充電樁啟動(dòng)充電前檢查整個(gè)充電回路絕緣性的關(guān)鍵步驟。自檢階段測試中充電樁的常見異常有兩種:未進(jìn)行絕緣檢測,絕緣檢測電壓值有誤。

自檢階段檢測儀模擬電池端電壓小于10 V,充電樁應(yīng)正常進(jìn)行絕緣檢測,而在測試中存在充電樁未按要求啟動(dòng)絕緣檢測的情況。造成該故障主要原因有兩點(diǎn):握手階段的通訊報(bào)文CHM和BHM存在異常;IMD模塊投切回路故障。

絕緣檢測電壓值有誤問題常見于握手報(bào)文的最高允許充電總電壓在充電樁輸出電壓范圍內(nèi)工況。如充電樁的電壓750 V,模擬發(fā)出握手報(bào)文內(nèi)的最高允許電壓為475 V,此時(shí)充電樁仍以750 V進(jìn)行絕緣自檢,導(dǎo)致車輛電池存在過電壓危險(xiǎn)。

3.4 通訊超時(shí)測試

在正常充電過程中,檢測儀發(fā)送通訊超時(shí),充電樁立即停止充電,并進(jìn)入第三次握手重連階段,通訊超時(shí)測試波形如圖4所示。

圖4 通訊超時(shí)測試波形

由圖4可見,充電樁在通訊超時(shí)停止充電后,重新啟動(dòng)充電失敗;通過分析充電樁報(bào)文可知,由于在第三次握手重連階段,充電樁在第三次重連時(shí)未成功發(fā)送充電機(jī)握手報(bào)文CHM,導(dǎo)致啟動(dòng)充電失敗。

3.5 接觸器斷開時(shí)間

直流接觸器S1、S2在故障情況是否可靠動(dòng)作,將直接影響充電樁安全性。輸出電壓超過車輛允許值試驗(yàn)S1、S2斷開時(shí)間如圖5所示。當(dāng)模擬充電樁輸出過壓后,S1、S2斷開時(shí)間為1.153 s,超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1 s。車輛接口斷開試驗(yàn)S1、S2斷開時(shí)間如圖6所示。檢測儀通過控制CC1信號模擬車輛接口連接狀態(tài);當(dāng)充電樁檢測到充電接口斷開后,S1、S2斷開時(shí)間為129.6 ms,超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的100 ms。

圖5 輸出電壓超過車輛允許值試驗(yàn)S1、S2斷開時(shí)間

圖6 車輛接口斷開試驗(yàn)S1、S2斷開時(shí)間

此外,充電樁停止充電階段,低壓輔助供電回路接觸器S3、S4同樣存在斷開時(shí)間不合格問題。充電結(jié)束階段S3、S4斷開時(shí)間如圖7所示。

圖7 充電結(jié)束階段S3、S4斷開時(shí)間

由圖7可見,S3、S4在充電樁停止輸出前已斷開,不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的應(yīng)在投入泄放回路后斷開S3、S4的要求。

3.6 電壓泄放時(shí)間

充電樁完成絕緣檢測后充電回路電壓進(jìn)行泄放,可避免在充電階段對電池負(fù)載產(chǎn)生電壓沖擊,常見泄放超時(shí)問題主要由于泄放回路切換延時(shí)造成。充電樁完成絕緣檢測后,電壓泄放波形如圖8所示。由圖8可見,充電回路直流電壓下降至60 V以下時(shí)間為12.64 s,大于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的1 s。

圖8 電壓泄放波形

4 結(jié) 語

本文簡要介紹了電動(dòng)汽車直流充電樁相關(guān)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和檢測系統(tǒng)架構(gòu),并針對直流充電樁檢測案例中出現(xiàn)的典型不合格項(xiàng)目,分析其異常狀態(tài)及原因,為直流充電樁性能評價(jià)和故障診斷工作提供技術(shù)參考。