ICCPD測試系統(tǒng)設(shè)計與研究

摘"要：電動汽車充電模式2屬于交流慢充模式，其能夠連接傳統(tǒng)家用插座和車輛，便于攜帶，使用靈活。充電模式2必須配備纜上控制與保護(hù)裝置（ICCPD）以保證充電安全。在ICCPD出廠前必須經(jīng)過嚴(yán)格的測試，以滿足安全使用條件。基于ICCPD測試的重要性，分析了ICCPD主要功能及內(nèi)部結(jié)構(gòu)；設(shè)計開發(fā)了一種能模擬電動汽車充電模式2導(dǎo)引過程，進(jìn)行CP信號測試和輔助充電網(wǎng)絡(luò)上繼電器關(guān)斷測試的ICCPD測試設(shè)備；并詳細(xì)給出了該測試設(shè)備的硬件電路設(shè)計及與ICCPD進(jìn)行測試的具體過程。

關(guān)鍵詞：ICCPD；CP信號；測試設(shè)備；LIN通信

中圖分類號：TP23"""""文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

Design"and"Research"of"ICCPD"Testing"System

CHEN"Cong1，"NI"Feng2

（1.Jiangsu"Aviation"Technical"College，"Zhenjiang"，Jiangsu"212134，China;

2."Suzhou"Ulicar"Technology"Limited"Company，"Suzhou，"Jiangsu"215000，China）

Abstract：Electric"vehicle"charging"mode"2"belongs"to"the"AC"slow"charging"mode，"which"can"connect"to"traditional"home"sockets"and"vehicles"for"easy"carrying"and"flexible"use."Charging"mode"2"must"be"equipped"with"InCable"Control"and"Protection"Device"（ICCPD）"to"ensure"charging"security."Therefore，"before"the"ICCPD"is"issued，"it"must"be"tested"to"meet"the"conditions"of"safe"use."Based"on"the"importance"of"ICCPD"testing，"the"main"functions"and"internal"structures"of"the"ICCPD"were"analyzed;"the"design"and"development"of"an"electric"vehicle"charging"mode"2"guidance"process，"CP"signal"testing，"and"auxiliary"charging"network"relay"off"test"ICCPD"testing"device;"also"gives"the"hardware"circuit"design"of"the"testing"device"and"the"process"of"testing"with"the"ICCPD.

Key"words："ICCPD;"CP"signal;"test"device;"LIN"communication

電動汽車的普及和推廣能夠有效減輕大氣污染，是汽車發(fā)展的重要趨勢，歐洲已經(jīng)明確在不遠(yuǎn)的將來全部取消燃油汽車的生產(chǎn)和銷售。隨著新能源產(chǎn)業(yè)被納入“十四五”規(guī)劃，我國電動汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展前景也一片光明。

目前，電動汽車主要有交流和直流兩種充電方式。為規(guī)范充電方式，國際標(biāo)準(zhǔn)IEC"61851規(guī)定了四種充電模式。模式1由于缺失必要安全保護(hù)，大多數(shù)國家地區(qū)都禁止使用；模式2是一種可隨車使用的交流充電設(shè)備，與模式1的區(qū)別是在充電線纜上增加了一個纜上控制與保護(hù)裝置（InCable"Control"and"Protection"Device，ICCPD）；模式3即交流充電樁；模式4為直流充電樁[1]。模式2能夠連接傳統(tǒng)家用插座和車輛，具有便于攜帶、使用靈活等特點，原則上每輛電動汽車都需要配備一臺。由于充電模式2的使用場景不像充電樁那樣是固定的，可能是在車庫，也可能是在有插座的任何地方，充電設(shè)備組件功率較高，有一定的危險性，因此，充電模式2必須配備ICCPD。ICCPD在出廠前需經(jīng)過嚴(yán)格的測試，以確保其發(fā)揮控制與保護(hù)作用。

1"ICCPD簡介

1.1"ICCPD功能簡介

基于充電模式2的需求與特點，根據(jù)IEC"62752標(biāo)準(zhǔn)的要求，在充電模式2下，必須配備有成套的控制保護(hù)設(shè)備，包括充電接口、充電電纜、ICCPD[2]。ICCPD的功能主要有：充電控制、過壓保護(hù)、過流保護(hù)、剩余電流保護(hù)、地線丟失保護(hù)等[3]，其主要功能及參數(shù)如表1所示。

根據(jù)ICCPD的主要功能設(shè)計，ICCPD內(nèi)部通常由主控芯片電路、電源電路、剩余電流保護(hù)電路、電流電壓監(jiān)測電路、地線保護(hù)電路、CP信號發(fā)生電路、繼電器驅(qū)動電路、人機交互電路等模塊構(gòu)成，CP信號與內(nèi)部處理器串行通信總線相接，是ICCPD與外接測試設(shè)備通信的主要渠道[4]。

1.2"ICCPD充電控制過程

充電模式2交流充電系統(tǒng)主要由充電槍接家用插座的三相插頭、ICCPD、充電槍接車輛的插頭、車輛插座和電動汽車內(nèi)部控制電路構(gòu)成，具體如圖1所示。

從充電槍未連接到接通充電（即CP導(dǎo)引過程）有以下幾個階段：

（1）當(dāng)充電線纜沒有插入車輛時，"CC端口的電壓為12"V或5"V，此時CP端口沒有電壓。

（2）"當(dāng)充電槍插頭接通家用插座后，ICCPD中的供電控制裝備控制S1開關(guān)與12"V電壓接通，"CP端口的電壓為12"V，CC信號回路接通，此時通過檢測點3的電壓就能夠檢測出RC電阻阻值，車輛可以通過檢測點3檢測到充電槍已經(jīng)通電，并根據(jù)RC阻值的大小，判斷充電槍型號[5]。R4電阻的作用是檢測充電槍有沒有插到位，如果沒有插到位則S3開關(guān)斷開，R4電阻串聯(lián)進(jìn)回路，通過檢測點3的電壓可以讓充電機知曉。

（3）當(dāng)檢測到充電槍插入車輛充電口以后，12"V電壓經(jīng)過開關(guān)S1、900"Ω電阻R1，依次到達(dá)檢測點1和檢測點2，然后通過2.7"kΩ電阻R3接地構(gòu)成回路，經(jīng)過R1、R3電阻分壓，檢測點1、2的電壓約為9"V。

（4）當(dāng)檢測到電壓為9"V以后，ICCPD中的供電控制裝備控制S1開關(guān)從12"V切換到PWM信號，此時檢測點1、2會出現(xiàn)一個從9"V變化到-12"V的電壓信號，以確認(rèn)充電槍連接好，然后控制S2開關(guān)閉合，反饋信號給充電機。S2閉合以后，回路接入了1.3"kΩ電阻R2，R2和R3電阻并聯(lián)后阻值為900"Ω。檢測點1、2的電壓從9"V變成6"V，此時整個CP導(dǎo)引控制完成。當(dāng)CP信號穩(wěn)定在6"V以后，供電設(shè)備的K1和K2繼電器閉合，交流電通過車輛充電口輸入到充電機進(jìn)行充電[6]。

2"ICCPD測試設(shè)備設(shè)計

根據(jù)ICCPD的功能及充電控制過程分析，ICCPD測試設(shè)備主要功能是模擬與ICCPD建立CP導(dǎo)引、測試CP信號PWM波形及檢測因為過流等情況下ICCPD控制繼電器關(guān)斷時間是否滿足要求。上位機電腦通過以太網(wǎng)通信給測試設(shè)備發(fā)送測試指令。根據(jù)測試設(shè)備的主要功能，設(shè)計其內(nèi)部硬件電路，主要包括處理器模塊、電源模塊、CP信號發(fā)生模塊、LIN通信模塊、電源隔離和信號隔離電路（相比于燃油車，電動汽車由于各系統(tǒng)的特殊性，其通信時不可避免地要進(jìn)行通信總線隔離）、以太網(wǎng)通信模塊等。測試設(shè)備在與ICCPD連接前設(shè)計了一個選通繼電器，當(dāng)進(jìn)行CP導(dǎo)引模擬和CP信號測試時，ICCPD與測試設(shè)備的CP信號發(fā)生模塊相連接，當(dāng)進(jìn)行繼電器關(guān)斷測試時，ICCPD與LIN通信模塊相連接。具體ICCPD測試設(shè)備硬件電路框圖如圖2所示。

2.1"主控制器及電源電路設(shè)計

測試設(shè)備的主控制器選用STM32F103"RET6，該芯片是一款32位高密度性能微控制器單元，提供三個12位ADC和4個通用16位定時器、2個PMW定時器以及多種類串行通信接口，運行頻率達(dá)到72"MHz，工作溫度為-40～85"℃，滿足待測設(shè)備要求，性價比高。

為產(chǎn)生足夠的通信功率，測試設(shè)備電源由外接24"V電源提供。因CP信號需要12"V電壓，光耦繼電器需要5"V電壓，主控芯片需要3.3"V電壓，因此，測試設(shè)備的電源模塊主要包括24"V轉(zhuǎn)5"V電源模塊、5"V轉(zhuǎn)12"V電源模塊、5"V轉(zhuǎn)3.3"V電源模塊和電源隔離模塊。電源電路設(shè)計使用TPS54331DR芯片實現(xiàn)24"V到5"V電壓轉(zhuǎn)換，"FP6291芯片實現(xiàn)5"V到12"V電壓轉(zhuǎn)換，AMS1117芯片實現(xiàn)5"V到3.3"V電壓轉(zhuǎn)換。

TPS54331DR是一款輸入28"V、3"A非同步降壓轉(zhuǎn)換器。引腳1為引導(dǎo)引腳，和引腳8之間要接一個100"nF的電容；引腳2為電源輸入引腳，輸入電壓范圍為3.5～28"V；引腳3為使能引腳，懸空禁用；引腳4為慢啟動引腳，與外接電容一起決定輸出電壓上升時間；引腳5為反饋引腳，輸出電壓0.8"V，根據(jù)其外接電阻調(diào)節(jié)輸出電壓大?。灰_6為補償引腳，采用Ⅱ型補償網(wǎng)路設(shè)計；引腳8外接電感引出輸出電壓。

FP6291是一種電流模式升壓的DCDC轉(zhuǎn)換器，其PWM電路內(nèi)置0.2"Ω"MOSFET，具有很好的功率效率，其輸入電壓為2.6～5.5"V，輸出為最高達(dá)12"V的可調(diào)電壓。引腳1為開關(guān)MOS引腳，外接電感和肖特基二極管；引腳3為反饋引腳，輸出電壓0.6"V，根據(jù)其外接電阻調(diào)節(jié)輸出電壓大??；引腳4為開關(guān)控制引腳，不能懸空，通常接VCC；引腳6為過流保護(hù)設(shè)定引腳，一般通過電阻接地。

AMS1117較為常用，在此不做贅述。

圖3（a）所示為TPS54331DR電路，（b）所示為FP6291電路，（c）所示為AMS1117電路。TPS54331DR芯片輸出電壓大小見式（1），F(xiàn)P6291芯片輸出電壓大小見式（2）。

DCDC電源隔離芯片使用B0505S。B0505S芯片的輸入電壓范圍為4.75～5.25"V，輸出電壓5"V，其主要目的是將輸入端與輸出端隔離（輸入端與輸出端不共地）。引腳1、2為控制回路電源和地，引腳3、4為通信回路電源和地，引腳2通過MCU的一個GPIO端口驅(qū)動MOS管來開關(guān)電源隔離模塊。具體電路如圖4所示。

2.2"CP信號通信電路設(shè)計

測試設(shè)備模擬的是電動汽車模式2的充電過程，從ICCPD輸出的CP信號正常是通過充電槍接口輸送到電動汽車，現(xiàn)在直接輸送到測試設(shè)備來監(jiān)控充電過程。根據(jù)充電槍接通充電階段分析，CP信號到達(dá)電動汽車后經(jīng)過二極管D1，并通過電阻R2、R3和開關(guān)S2控制整個充電導(dǎo)引過程[7]。因此，測試設(shè)備就是模擬整個充電導(dǎo)引過程，來檢測ICCPD的充電控制性能。根據(jù)充電槍接通充電階段分析：

（1）當(dāng)充電槍插上家用插座后，ICCPD的CP信號輸出12"V電壓，測試設(shè)備接收到12"V電壓經(jīng)電阻分壓后驅(qū)動MOS管開關(guān)，MOS管導(dǎo)通后驅(qū)動光耦合器導(dǎo)通，將3.3"V高電平信號輸入MCU的一個GPIO端口（CP_IS_HIGH），通知測試設(shè)備CP信號處于12"V高電壓[8]。為保證通信可靠，采用EL357光耦合器隔離來自ICCPD的信號和輸入MCU的信號，此狀態(tài)暫稱為狀態(tài)A。

（2）當(dāng)檢測到充電槍插入車輛充電口以后，即測試設(shè)備的MCU檢測到12"V電壓后，12"V電壓經(jīng)過圖1所示的開關(guān)S1、900"Ω電阻R1，然后通過電動汽車內(nèi)部的2.7"kΩ電阻R3接地構(gòu)成回路，此時R3電阻便由測試設(shè)備來模擬。MCU控制一個GPIO端口輸出高電平驅(qū)動光耦EL357導(dǎo)通，從而驅(qū)動MOS管導(dǎo)通，接入一個2.7"kΩ電阻到地構(gòu)成回路，此狀態(tài)暫稱為狀態(tài)B。

（3）CP信號上獲得9"V電壓后，ICCPD會切換S1開關(guān)位置，CP輸出12"V的PWM信號，當(dāng)CP_IS_HIGH端口檢測到PWM信號后，測試設(shè)備的MCU控制另一個GPIO端口輸出高電平驅(qū)動光耦EL357導(dǎo)通，從而驅(qū)動MOS管導(dǎo)通，接入一個1.3"kΩ電阻到地構(gòu)成回路。此時1.3"kΩ和2.7"kΩ電阻并聯(lián)，CP信號上的電壓降為6"V，此狀態(tài)暫稱為狀態(tài)C。至此，整個CP導(dǎo)引過程結(jié)束。

同時測試設(shè)備還通過一個GPIO端口驅(qū)動TLP172GM固態(tài)光耦繼電器接通來模擬電動汽車內(nèi)D1二極管被擊穿的情況。具體模擬CP信號通信電路如圖5所示。

2.3"LIN通信電路設(shè)計

因為ICCPD只有CP一根數(shù)據(jù)線，測試設(shè)備與ICCPD之間一般通過CP信號或LIN總線進(jìn)行通信。為確保通信可靠性，測試設(shè)備的主控制器產(chǎn)生的UART串口通信信號與LIN收發(fā)器之間通過π122U31芯片進(jìn)行通信信號隔離。π122U31芯片是一款超低功耗、高速率的數(shù)字隔離器，通常用在多通道隔離、工業(yè)現(xiàn)場隔離等場合。芯片引腳5-8號分別為輸入信號電源，輸入信號線A、B和輸入信號地，引腳1-4號分別為輸出信號電源、輸出信號線A、B和輸出地，有的ICCPD不支持LIN總線通信，因此在隔離芯片輸出端直接引出了UART通信收發(fā)端口。LIN收發(fā)器選用TJA1021T芯片，最高速率達(dá)20"kBd，輸入信號電壓3.3"V或5"V，輸出信號電壓5至27"V，有抗干擾能力強的LIN總線通信收發(fā)器[9]。TJA1021T芯片的1、4號引腳分別為輸入信號的接收和發(fā)送端口[10]；2號引腳為芯片休眠控制輸入，低電平有效，通過STM32的一個GPIO端口控制，該端口驅(qū)動EL357光耦控制休眠信號輸入，從而實現(xiàn)輸出輸入信號隔離效果；3號引腳是芯片喚醒輸入，低電平有效；5、7號引腳分別為芯片的輸入電源和地；6號引腳為LIN通信輸出信號，通過一個GPIO端口驅(qū)動TLP172GM固態(tài)光耦繼電器來選通LIN通信信號或CP通信信號。LIN通信電路如圖6所示。

2.4"以太網(wǎng)通信電路設(shè)計

測試設(shè)備與上位機之間采用以太網(wǎng)通信，以太網(wǎng)通信質(zhì)量可靠，不易丟包。網(wǎng)絡(luò)控制器選用帶有SPI接口的速率可達(dá)100"Mb/s的快速以太網(wǎng)控制器ENC424J600。芯片的SPISEL引腳需要通過100"kΩ電阻上拉接至電源，這樣系統(tǒng)上電時就能進(jìn)入SPI模式，同時引出該引腳用作中斷接收。RBIAS引腳通過一個12.4"kΩ的電阻接地，芯片外接晶振采用25"MHz晶振。以太網(wǎng)插座選用HR961160C，"RD+、RD-差分信號通過6.8"nF電容后連接到以太網(wǎng)插座。為抗干擾，芯片的電源地引腳之間都連接了兩個電容，布線時使0.01"μF電容更靠近電源引腳。以太網(wǎng)通信電路如圖7所示。

3""ICCPD測試

3.1"測試上位機

ICCPD產(chǎn)品的測試通過上位機來控制。首先上位機與測試設(shè)備建立網(wǎng)絡(luò)連接。上位機通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送測試指令，測試分為單步測試和自動測試，單步測試可分別進(jìn)行CP信號測試和四種類型的繼電器關(guān)斷測試，自動測試則自動運行整個測試流程，當(dāng)某一項測試故障后，結(jié)束運行或可通過人為控制結(jié)束運行。從ICCPD獲取到的測試過程相關(guān)信息通過以太網(wǎng)通信傳輸?shù)缴衔粰C的顯示界面。上位機采用PyQt5設(shè)計，如圖8所示。

3.2"CP信號測試

CP信號的測試主要是檢測CP端口的PWM波形，CP信號產(chǎn)生的PWM波形測試包括波形頻率和占空比測量。測試時，測試設(shè)備控制接通2.7"kΩ電阻進(jìn)入充電導(dǎo)引狀態(tài)B或接通2.7"kΩ電阻和1.3"kΩ電阻進(jìn)入充電導(dǎo)引狀態(tài)C，這兩個狀態(tài)ICCPD都是輸出PWM波形。測試設(shè)備通過讀取CP_IS_HIGH端口高低電平占比時間得出PWM信號占空比和信號周期。利用示波器在檢測點1觀看到的PWM信號電壓為±12"V，頻率為1"kHz，高電平占比16.34%，具體信號波形如圖9所示，此波形和通過讀取CP_IS_HIGH端口高低電平占比時間得到的結(jié)果一致，如占空比或CP信號頻率不滿足要求，則測試設(shè)備發(fā)送ICCPD測試不通過數(shù)據(jù)給上位機。

3.3"繼電器關(guān)斷測試

繼電器關(guān)斷測試主要通過模擬過流、過壓、剩余電流產(chǎn)生等情況來測試?yán)^電器狀態(tài)和關(guān)斷時間[11]。進(jìn)行測試時，首先ICCPD和測試設(shè)備之間完成CP導(dǎo)引過程，即模擬正常充電過程，閉合電網(wǎng)上繼電器K1、K2。然后，測試設(shè)備模擬故障環(huán)境，例如在過流測試中，加載大功率電子負(fù)載，使ICCPD檢測到過電流。當(dāng)測試設(shè)備接收到上位機給出的相應(yīng)測試命令后，選通LIN通信模式，發(fā)送測試命令，ICCPD收到測試命令后，從充電導(dǎo)引狀態(tài)C進(jìn)入故障狀態(tài)并斷開繼電器K1、K2，ICCPD檢測繼電器斷開時間是否在設(shè)定范圍內(nèi)并通過LIN總線傳輸給測試設(shè)備，測試設(shè)備將相關(guān)信息交上位機顯示，如參數(shù)不滿足要求或繼電器狀態(tài)故障，則ICCPD繼電器關(guān)斷測試不通過，具體繼電器關(guān)斷測試流程如圖10（a）和（b）所示。

4"結(jié)"論

ICCPD是保障電動汽車家庭安全充電的重要設(shè)備，在進(jìn)入市場前必須經(jīng)過嚴(yán)格的測試。設(shè)計的ICCPD測試系統(tǒng)可以模擬電動汽車充電導(dǎo)引過程，進(jìn)行CP信號測試及繼電器關(guān)斷測試，同時借助穩(wěn)定的以太網(wǎng)通信進(jìn)行測試控制，并充分考慮了電源隔離和信號隔離電路設(shè)計，確保測試有效性。目前，該測試設(shè)備已應(yīng)用到實際的ICCPD測試中。

但是，因為系統(tǒng)設(shè)計時間的限制，使得測試界面較為簡陋，后續(xù)可進(jìn)一步優(yōu)化界面，為用戶帶來更好的操作體驗。

參考文獻(xiàn)

［１］"徐玲獻(xiàn)，孫蘭.電動汽車充電技術(shù)簡析[J].建筑電氣，2018，37（11）：10-12."

[2]"吳煥，漆欣，王家星.傳導(dǎo)充電設(shè)施安全檢測標(biāo)準(zhǔn)解析與關(guān)鍵技術(shù)研究[J].日用電器，2020（8）：48-52.

[3]"張雙榮，楊世江.ICCPD剩余電流保護(hù)特性試驗裝置研究[J].電器與能效管理技術(shù)，2021（9）：73-77.

[4]"吳昊.電動汽車充電接口智能保護(hù)裝置設(shè)計和測試方法研究[D].長春：吉林大學(xué)，2017.

[5]"華奇.新能源汽車CP信號異常無法充電原理與檢修[J].汽車實用技術(shù)，2021，46（23）：158-160.

[6]"盛杰，郭春林，楊洪旺.基于STM32的三相交流充電樁控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電測與儀表，2020，57（16）：125-129.

[7]"王新艷，李晶華，李藝超.基于MCGS的充電控制導(dǎo)引功能檢測系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機測量與控制，2020，28（4）：41-45+52.

[8]"王新艷，李晶華，李藝超.交流充電樁控制導(dǎo)引功能檢測系統(tǒng)的研究[J].工業(yè)儀表與自動化裝置，2019（6）：34-39.

[9]"張俊，章贊.基于LIN總線的IMMO軟件模塊化設(shè)計[J].天津理工大學(xué)學(xué)報，2019，35（3）：53-57.

[10]劉晨曦.基于LIN通信汽車車窗開關(guān)的設(shè)計與研發(fā)[D].長春：吉林大學(xué)，2021.

[11]田奕.基于STM32F103RCT6的電動汽車交流充電樁的硬件系統(tǒng)設(shè)計[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2018（28）：61-62.