基于LabVIEW的直流充电桩自动检测系统的开发

姜立标，凌诗韵,黄楚然,丘华川

(1.华南理工大学 机械与汽车工程学院， 广州 510640；2.华南理工大学 广州学院 工程研究院， 广州 510800)

基于LabVIEW的直流充电桩自动检测系统的开发

姜立标1，2，凌诗韵1,黄楚然2,丘华川1

(1.华南理工大学 机械与汽车工程学院， 广州 510640；2.华南理工大学 广州学院 工程研究院， 广州 510800)

随着电动汽车的大量普及，电动汽车充电桩作为主要充电设备，其安全性问题不容忽视。为保证充电桩稳定安全地运行，定期对充电桩进行检测非常重要。针对国内目前对充电桩检测能力不足的问题，考虑充电桩现场检测的需求，根据2015国家标准和充电流程标准，开发了基于LabVIEW的便携式直流充电桩自动检测系统。阐述了充电桩检测系统整体结构，介绍了硬件设计与软件设计， 进行了现场测试。试验结果表明：该检测系统能方便快捷地对直流充电桩进行常规测试，提高了充电桩的检测效率，可确保充电桩运行的安全性与稳定性。

电动汽车；充电桩；自动检测；安全运行

随着新能源汽车发展，电动汽车备受大家关注，充电桩的建设成了必不可少的配套设施。电动汽车在充电过程[1-2]中的安全问题不容忽视。为了更好地开发充电桩，需要建立充电桩充电质量的检测机制，伴随而生的就需要充电桩检测设备，实现对充电过程的检测，从而对充电桩质量进行验证。

目前国内缺乏对充电桩进行有效检测的便携设备[3-5]。现有的充电桩检测装备，如北京群菱公司研制的货车型充电桩移动检测平台、维思自动化公司研制的大巴型充电桩移动检测设备，不仅体积庞大、设备复杂、开发成本高，而且对操作人员的要求较高，导致检测成本高。针对这一现状，本文结合直流快速充电桩的操作环境和现场测试需求，对充电桩的检测方法进行研究和分析，开发了基于LabVIEW的便携式直流充电桩自动检测系统。该检测系统具有自动化程度高、体积小、便携性好、使用性广、可靠性高等优点，且对操作人员技术要求低，每次测试只需简单记录即可，很大程度上降低了企业的检测成本。

1 直流充电桩的充电过程

直流充电桩是指采用直流充电模式为电动汽车动力蓄电池总成进行充电的充电桩。根据2015年颁布的国家标准，充电桩的整个充电过程包括6个阶段[6]：物理连接完成、低压辅助上电、充电握手阶段、充电参数配置阶段、充电阶段和充电结束阶段。在各个阶段，充电桩和BMS(battery ma-nagement system，电池管理系统)通过报文的收发来通知对方各自的充电状态，完整的充电通信报文见表1。充电桩和BMS 如果在规定的时间内没有收到对方报文或没有收到正确报文， 即判定为超时。

表1 完整充电通信报文

在物理连接阶段，根据国标GB.T 20234.3—2015规定[7]，车辆插头和车辆插座在连接过程中触头耦合的顺序为：保护接地，充电连接确认(CC2)，直流电源正与直流电源负，低压辅助电源正与低压辅助电源负，充电通信，充电连接确认(CC1)。当充电桩与电动车正确连接时，CC2处于4 ～ 5 V的工作电压范围内。

当充电桩和BMS 物理连接完成并上电后， 开启低压辅助电源，进入握手启动阶段，发送握手报文，再进行绝缘检测。2015年国家新标准在握手启动阶段增添了产品兼容报文CHM(充电桩握手报文)和BHM(车辆握手报文)，用于判断充电桩和BMS双方使用的版本标准。绝缘检测也是新国标制定的新标准，为了加强充电过程的安全性，在绝缘检测过程中，充电桩在握手启动阶段后、握手识别阶段前输出一段高于100 V的电压来进行绝缘性能的自检。绝缘检测结束后进入握手辨识阶段，双方发送辨识报文，确定电池和充电桩的必要信息。充电握手阶段完成后，充电桩和BMS进入充电参数配置阶段。在此阶段，充电桩向BMS发送最大输出能力的报文，BMS根据充电桩最大输出能力判断是否能够进行充电。

充电配置阶段完成后，充电桩和BMS进入充电阶段。在整个充电阶段，BMS 实时向充电桩发送电池充电需求，充电桩根据电池充电需求来调整充电电压和充电电流以确保充电过程的正常进行。在充电过程中，充电桩和BMS相互发送各自的充电状态。

当充电桩和BMS 停止充电后，双方进入充电结束阶段。在此阶段BMS向充电桩发送整个充电过程中的充电统计数据。充电桩收到BMS的充电统计数据后，向BMS发送整个充电过程中的输出电量、累计充电时间等信息，最后停止低压辅助电源的输出。

2 充电桩检测系统整体结构设计

为改善传统检测设备复杂性问题，增加便捷性和通用性，本充电桩检测系统包含便携式充电桩自动检测设备及上位机。其中，上位机是在开发阶段和调试阶段时供设计人员对系统进行设计开发和调试使用的，而便携式充电桩自动检测设备是在开发完成后供检测人员对充电桩进行检测使用的。

图1为充电桩检测系统整体逻辑框图。充电桩检测设备主要由信号采集模块、信号分析模块、数据存储模块和检测结果显示模块组成。信号采集模块主要完成电压、电流和CAN报文信号的采集；信号分析模块主要完成电压、电流和CAN报文信号的分析；数据存储模块主要完成充电过程中的电压、电流和报文数据的存储；检测结果显示模块通过LCD显示屏将后处理得到的检测结果进行显示，以供检测人员作出判断。检测设备通过TCP/IP协议与上位机进行连接，上位机可以读取到设备中的数据，并对数据进行解析，以波形方式实时显示电流、电压，以列表形式显示CAN报文、关键参数和故障码等内容，以数据流形式显示整个充电过程。图2为自动检测设备与充电桩、电动汽车的实物连接图。

图1 充电桩检测系统整体逻辑框图

3 硬件设计

本文研发的便携式充电桩自动检测系统的硬件部分主要由机箱、充电连接线缆、电压传感器、电流传感器、分压板、数据采集卡、高速控制器、CAN通信卡、电池、显示屏等组成，图3为充电桩自动检测系统的主要硬件组成。其工作原理为：分压板将电流、电压值按一定的转换比例耦合输出小于10 V的低压，数据采集卡对分压板输出的电压进行采集，再通过软件按转换比例放大电压并用欧姆定律得出电流，从而实现对高压、大电流的检测；CAN通信卡采集充电过程中充电桩与BMS之间的交互CAN报文；高速控制器实现电流、电压及CAN报文信息自动分析、自动记录及数据保存，并且自动显示分析结果等功能。

图2 检测设备的实物连接图

图3 充电桩自动检测系统的主要硬件组成

3.1 高速控制器

本检测系统以微秒为单位对充电桩进行实时检测，针对所采集的数据量庞大，对控制器的分析和存储性能均提出了更高的要求。结合实际工程应用，本检测系统的高速控制器选用NI公司的CRIO-9033，其采用可重新配置I/O(Reconfigurable I/O，缩写为RIO)FPGA技术实现超高性能和自定义功能，具有1.33 GHz双核Intel Atom处理器、8 GB非易失性存储、2 GB DDR3 RAM，在本系统中可实现高速控制、在线处理、数据存储等功能。

3.2 数据采集卡

检测系统需要对充电桩的充电电流、电压信号进行实时采集。考虑到系统至少需要两路采集通道，且采集时间需要精确到微秒，本检测系统选用NI公司的NI 9223对充电桩充电过程进行数据采集。NI 9223拥有良好的数据采集性能，其具有4个差分通道，每通道1 MS/s同步采样率，±10 V测量范围，16位分辨率，在-40 ℃的低温到70 ℃的高温下均可正常工作，且具有良好的抗振、抗冲击性能。

3.3 CAN通信卡

检测系统需要对充电桩和BMS之间的通信状态进行实时检测。本系统选用NI公司的NI 9862对充电桩和BMS之间的CAN报文信号进行采集，其具有单端口高速CAN接口 (高达1 Mbit/s)，拥有优异的CAN通信和报文采集性能，无需中断CPU就能在接口和程序之间移动CAN帧和信号；集成CAN数据库，编程时直接调用内部数据库即可，亦可以对其进行导入、编辑等操作。

4 软件设计

本检测系统的控制程序采用LabVIEW软件进行编写，它是由美国国家仪器(National Instruments)公司研制开发的采用图形化编程语言的程序开发环境[8]，广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受。通过LabVIEW可以灵活地创造出功能强大的仪器，普遍应用在测试测量领域上。

图4为充电桩检测系统软件总体设计方案。充电桩的整个充电过程主要是通过与BMS相互收发CAN报文来通知对方各自的充电状态[9]，故软件部分主要通过读取充电桩与电动汽车的电压值、电流值和CAN报文等数据，并将其与国标规定的充电桩与BMS之间的通信协议进行对比分析，从而判断充电的进程和充电时存在的故障。上位机应以数据流形式显示整个充电过程，通过波形图显示实时采集到的电压和电流值，对电流、电压值和CAN报文进行分析，并将分析结果显示在相应界面上。

图4 系统软件总体设计方案

4.1 插拔枪检测模块

当充电桩与电动车正确连接时，CC2处于4 ～ 5 V的工作电压范围内，故在此将CC2的电压范围作为枪连接的依据。当CC2电压满足所设定的4～ 5 V范围之间时，判定为充电枪连接状态，程序开始将采集到的电压、电流数据存储至TDMS文件内。

充电枪移开过程中，触头断开的顺序则与充电枪连接时相反，当充电枪与电动汽车断开时，CC2的电压跳变到工作电压范围外，故当CC2的电压不再满足4～5 V范围时判定为拔枪状态，此时停止系统对数据的存储。

4.2 充电桩版本检测模块

在握手启动阶段，CHM和BHM 为产品兼容的新增报文，用以区别旧国标版本的充电桩。本程序主要是对充电桩进行检测，故本上位机程序只需根据有无接收到CHM报文来判断充电桩的版本，具有较大通用性。图5为充电桩版本检测模块子程序，若CAN通信卡采集到CHM报文，则判断该充电桩为15版；否则，为旧版充电桩。

4.3 绝缘诊断模块

相对于旧国标，新修订的电动汽车充电接口及通信协议国家标准全面提升了充电的安全性和兼容性[10]，在充电握手阶段增加了绝缘监测环节。本检测系统对充电桩的绝缘诊断是通过充电桩与电动汽车的充电握手阶段，在此期间通过电压传感器有无采集到充电桩输出的一段高于 100 V 的电压作为充电桩有无进行绝缘监测的判断标准。

4.4 冲击电流检测模块

充电桩对电动汽车进行充电前，须考虑充电桩内部继电器吸合的瞬间，充电桩可能会产生冲击电流。冲击电流检测模块子程序如图6所示，在枪连接后，BMS发出BCL(电池充电需求)报文之前，判断充电桩继电器闭合瞬间是否存在电流大于30 A且持续时间大于1 ms的突入冲击电流信号。若存在，则判断为存在冲击电流。

4.5 充电过程实时显示模块

充电配置阶段完成时，即当CAN通信卡采集到BCL报文或者BCS(电池充电总状态)报文后，则判断进入充电状态。此时，上位机将采集到的电压、电流信号以波形图的形式实时显示在界面上，监控人员可以直观地查看到充电桩与电动车之间的充电状态。

图5 充电桩版本检测模块子程序

图6 冲击电流检测模块子程序

4.6 CAN报文完整性检测模块

在充电桩与BMS各个充电阶段中，除了错误报文BEM、CEM外，其余报文均需在充电过程中通过CAN通信卡采集到。如有缺失报文，则表示CAN报文不完整，需要在上位机及显示屏上显示出缺失的报文。在CAN报文完整性程序的编写过程中，需要将旧国标版充电桩和新国标版充电桩分开讨论，旧国标版的充电桩没有接收到CHM属于正常情况。

4.7 CAN报文完整性检测模块

报文BHM、CHM、CRM、CML、CCS、CST、BCL、BST、BSM需要有严格的周期要求，因此在程序中需要对上述报文解析周期性，根据实际检测工况，设置周期允许偏差误差为±15%。若有报文周期出现较大偏差，则需要在上位机与显示屏上将其显示。

4.8 充电结束后电流、电压下降速率检测模块

当充电桩和BMS停止充电后，双方进入充电结束阶段。此时，BMS发送BST(中止充电报文)令充电桩结束充电过程以及告知充电结束原因，充电桩发出CST(中止充电报文)让BMS确认即将结束充电及告知结束充电原因。当检测到充电结束报文CST或BST时，程序需判断充电桩输出的电流是否能以50 A/s的速率下降，若不能，则表示电流下降速率有误；判断充电桩输出电压是否能在3 s内降至60 V以下，若不能，则表示电压下降速率有误。

4.9 充电结果显示模块

充电停止后，BMS与充电桩双方发出充电结束阶段报文来统计各自在本次充电过程中的充电统计数据。若有报文错误，充电桩与BMS发出错误报文BEM与CEM。程序通过CAN通信卡采集充电桩和BMS发送的报文并解析报文携带的信息，若检测到异常，则将报错结果显示在屏幕上。

4.10 数据存储与导出模块

测试后，研究人员可以对测试结果为不合格的充电桩进行充电数据回放，分析故障的具体原因。

5 试验验证与结果分析

经过现场测试，本检测平台完全能满足对直流充电桩的充电状况检测的功能，上位机能实时显示充电电压、充电电流、BCL、报文接收情况等各项信息，测试人员能很方便地对其进行操作。充电结束后，工作人员可以准确地对充电数据进行回放。

数据回放如图7所示，在此可以清楚地看到此次实测的整个充电过程：

0～20 s为设备空运行阶段，此阶段设备已经开始采集数据，但不存储数据；

20～25 s为物理连接阶段，此阶段工作人员将检测设备和充电桩、电动汽车，用充电枪相连，充电枪连接后设备开始存储数据；

25～58 s为低压辅助上电和充电握手阶段，此阶段充电桩开启低压辅助电源，进入握手启动阶段发送握手报文，在48～58 s内进行绝缘检测，充电桩发出了一段高于100 V的高压来完成自检；

58～60 s为充电参数配置阶段，此阶段充电桩向BMS发送CML报文，BMS根据充电桩最大输出能力判断是否能够进行充电；

60～288 s为充电阶段，此阶段充电桩和BMS通过互相实时收发报文来判断需求电流和充电是否异常等情况，来保证充电的正常进行。从图7中可以看出，在充电起始阶段，电流比电压上升缓慢；

288～290 s：充电结束阶段，此阶段前充电桩与BMS互相发送中止充电报文，接收到中止充电报文后，充电桩迅速将充电电压和充电电流下降至安全范围内。从图7可知，电流下降迅速，电压下降较为缓慢。

图7 充电电压、电流数据回放

6 结束语

本文主要阐述基于LabVIEW的便携式直流充电桩检测系统的研发，详细介绍了硬件设备的选型和软件程序的设计过程。该自动检测设备结构简单、操作简便、维护性好、通用性广、实用性强，一次安装便可以完成对各种符合国标规定的直流充电桩进行检测，大大降低了充电桩检测的开发成本。该便携式直流充电桩自动检测系统已经在国内某车企的多种电动车型试验车进行长时间试验，检测有效可靠。

将来国家推出新国标，软件组人员可以对程序进行修改后再次导入控制器，使其兼容新国标。本系统不仅可以用于对未出厂的充电桩进行检测，也可以用于对投放在市场上的充电桩进行检测，分析其有无故障隐患，即使在缺乏技术人员的情况下，也能有效地对直流充电桩进行充电过程的检测与简单故障分析，因此具有较为广阔的应用前景。

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(责任编辑 刘 舸)

Design of DC Charging Piles Automatic Detection System Based on LabVIEW

JIANG Libiao1，2， LING Shiyun1， HUANG Churan2， QIU Huachuan1

(1.School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China; 2.Engineering Institute, Guangzhou College of South China University of Technology, Guangzhou 510800, China)

With the popularization of electric vehicles, as the main charging equipment, the security problems of electric vehicle charging piles can not be ignored. In order to guarantee stable and safe operation of the charging piles, it is important to detect them on a regular basis. Due to the weakness of weak charging piles detection in our country under the present situation, considering the requirements for on-site testing, according to the 2015 national standards and the charging process standards, a portable DC charging piles automatic detecting system based on LabVIEW was developed. This paper firstly elaborated the whole structure of the charging piles detecting system; and then it introduced hardware design and software design; finally through actual operation, the testing result showed that the system can general test on the DC charging piles conveniently and quickly, so that it can improve the detection efficiency on charging piles and ensures the safety and stability of the charging piles operation.

electric vehicle; charging pile; automatic detection; safe operation

2017-05-09 作者简介：姜立标(1965—),男,黑龙江人,博士,副教授,主要从事新能源和智能驾驶方面的研究，E-mail:jlb@scut.edu.cn。

姜立标,凌诗韵,黄楚然,等.基于LabVIEW的直流充电桩自动检测系统的开发[J].重庆理工大学学报(自然科学)，2017(8):7-13.

format：JIANG Libiao，LING Shiyun，HUANG Churan,et al.Design of DC Charging Piles Automatic Detection System Based on LabVIEW[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(8):7-13.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.08.002

U469.72

A

1674-8425(2017)08-0007-07