电动汽车直流充电机自动检测平台设计
2018-01-25朱彬马郭亮王建国孙洪亮刘永相吴宇李智龙羿徐婷婷汪会财
朱彬,马郭亮,王建国,孙洪亮,刘永相,吴宇,李智,龙羿,徐婷婷,汪会财
(1.国网重庆市电力公司电力科学研究院,重庆 401123;2.国网重庆市电力公司,重庆 400014;3.国网重庆市电力公司电动汽车分公司,重庆 400023)
在能源和环境双重危机的背景下[1],发展电动汽车已成为目前世界各主要国家的共识[2-3]。各国政府都对电动汽车行业进行了大力支持[4-5],电动汽车发展迅速。统计数据显示,2016年我国新能源汽车产销达到50万辆、保有量达100万辆,产销量和保有量均占世界50%,已经连续2 a实现全球产销量第一。根据中汽协发布的数据显示,2017年1—7月,我国新能源汽车产销分别完成27.2万辆和25.1万辆,同比分别增长26.2%和21.5%。
作为直接影响电动汽车推广应用效果的关键因素之一[6],充电桩方面同样发展迅速。在2010年初,我国充电桩数量在1 000个左右;到2013年,数量突破2万个;2016年全国充电桩拥有量已达到近20万个。中国充电联盟官方发布的最新数据显示,截至2017年7月,联盟内成员单位2017年总计上报公共类充电桩18.1万个,私人类充电桩14.9万个,仅联盟内成员上报充电桩总数近33万个。
根据《电动汽车充电基础设施发展指南(2015—2020年)》,到2020年,充换电站数量将达1.2万个,充电桩将达到450万个。然而一直困扰该行业的产品性能与互联互通问题,也越来越突出。另外,国家关于加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见中专门提到加强充电设施的检测认证,促进不同充电服务平台互联互通。在2015年之前,充电设施检测普遍采用的是行业标准电动汽车充电设备检验试验规范,包括 NB/T 33008.1—2013、NB/T 33008.2—2013[7-8]。在2015年年底,电动汽车充电接口及通信协议五项国家标准颁布,文献[9]详细规定了电动汽车传导充电系统的通用要求;文献[10-12]对用连接装置的通用要求,交、直流充电接口进行了细致规定;文献[13]对电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议进行了规范。目前,最新的国标是GB/T 34567.1-2017电动汽车传导充电互操作性测试规范第1部分:供电设备(报批稿)[14],对互操作性的测试方法、评定规则进行了规范。
目前,对充电设施检测方面的研究较少,相关的研究文献不多。文献[15]分析了电动汽车充换电设施一致性测试和互操作测试的必要性;文献[16]介绍了一种电动汽车充电设施移动检测平台的研究和设计;文献[17]介绍了电动汽车充电接口控制导引电路基本功能和工作原理,设计了在不同充电模式下各检测点匹配电阻及电压状态试验的方法;文献[18]分析了电压暂降对充电机的影响;文献[19]提出了电动汽车充电站综合性能评价指标体系,进而得到充电站综合性能评价等级;文献[20-25]针对谐波污染最严重的三相不可控整流充电机进行了分析、计算。
目前,检测人员对充电设施电性能及互操作性的测试主要依靠人工逐项地进行检测,手动读取、记录仪器仪表采集的数据,检测效率低下,工作量繁重,易出现人为检测误差[21]。因此,本文设计并开发了电动汽车直流充电机自动检测平台,该平台可对直流充电机电性能及互操作性进行自动检测并生成测试报告。
图1 电动汽车直流充电机自动检测平台设计原理图Fig.1 The schematic diagram of the automatic testing platform for electric vehicle D.C.charging station
1 硬件平台
电动汽车直流充电机自动检测平台设计原理图如图1所示。该平台主要由大功率可编程交流电源、可编程直流负载、电池模拟装置、数据采集卡、高精度功率计、示波器、控制箱及车辆接口模拟装置、CAN卡、串口服务器、系统集成软件及工控机等设备组成,可完成直流充电机电性能和互操作性的自动测试[26-30]。平台中可编程直流负载、电池模拟装置、控制箱及车辆接口模拟装置的最高工作电压均为1 000 V,可满足新国标GB/T 20234.1—2015和GB/T 20234.3—2015中对直流额定电压最高为1 000 V的要求。
可编程交流电源功率等级120 kW,可三相独立带载,每相可单独启动,满足非线性充电模块、充电机的带载要求,具备2倍的额定电流冲击能力。
GB/T 18487.1—2015、GB/T 34567.1—2017 中推荐采用电阻性负载,故本文中的可编程直流载由纯阻性负载组成,可远程和就地独立控制,满足直流非车载充电机的测试负载要求。
控制箱及车辆接口模拟装置用于模拟导引电阻变化、信号接地/断路等故障、开关分合逻辑,配合电源和负载可完成直流充电机电特性、充电导引和通信协议一致性测试的全部项目[31-35]。
电池模拟装置用于模拟不同电池的输出特性、电池充放电特性,可以在第一象限和第四象限工作,既可以输出直流电,又可以吸收直流电,同时反馈到电网。
高精度功率计采集被测充电机输入和输出的三相电压、电流,计算电压、电流和功率值[36]。
高性能数据采集卡内置6位半数字万用表,共20个通道,采集模拟器中的采样点1、采样点4的电压值如图2所示。信号选通器可完成通道的信号选通,可程控选通,与示波器配合实现对信号的自动采集。串口服务器可实现系统中各个设备的485通信汇集,与工控机完成数据交互。工控机运行测试软件,完成测试项目的自动控制,数据和波形采集,并自动生成报告。
图2 控制箱及车辆接口模拟装置工作原理图Fig.2 Working principle diagram of the control box and vehicle interface simulation device
2 控制箱及车辆接口模拟装置
图1中的控制箱及车辆接口模拟装置工作原理图如图2所示,该装置可模拟导引电阻变化、信号接地/断路等故障、开关分合逻辑,配合电源和负载可完成直流充电机电特性、充电导引和通信协议一致性测试的全部项目。
直流车辆模拟器中对车辆插座的每个触点都有通断仿真功能,DC+、DC-、PE、S+、S-、CC1、CC2、A+、A-分别对应仿真开关Q1~Q9,可实现各路故障仿真。
模块中各个开关2侧都带有标准4 mm香蕉插座,可通过外部示波器进行信号采集。并且各个开关位置可通过面板上的信号指示灯进行查看。
模块中带有R4电阻模拟电路,可模拟R4电阻的5个电阻档位,分别为 500 Ω、970 Ω、1 000 Ω、1 030 Ω和2000Ω,电阻精度0.2%FS(fullscale,FS),功率>0.5W。
模块中带有R5电阻模拟电路,可模拟R5电阻的5 个电阻档位,分别为 500 Ω、970 Ω、1 000 Ω、1030 Ω和 2 000 Ω,电阻精度 0.2%FS,功率>0.5 W。
设备内部包含1个12 V电源U1,电压值可通过控制器进行设定,提供U2电压上下限的仿真功能。
DC+与PE之间可通过Q17和绝缘模拟电阻进行绝缘故障仿真;DC-与PE之间可通过Q18和绝缘模拟电阻进行绝缘故障仿真。
充电接口 S+、S-、CC1、CC2、A+和 A-可分别通过导通开关Q11~Q16与电阻模拟对地故障的仿真。
设备内部包括高精度电压传感器和电流传感器,可提供给功率分析仪和示波器采集信号。
设备具备正常充电和非正常充电的模拟功能。
车辆BMS模拟软件可通过CAN接口与被测非车载充电机通讯,可模拟电池包需求状态及通讯故障等,进行通讯协议一致性测试[37-40]。
控制箱及车辆接口模拟装置主要以DSP为核心,IO输入输出和模拟量采集为外围电路组成,与二次集控单元使用485进行通信,接收指令并返回内部状态。同时与内部车辆BMS模拟软件进行联动控制。
设备可与另一个直流控制箱及车辆接口模拟装置使用导线连在一起,通过控制开关Q10来实现并机功能,用以测试更大功率等级的直流充电桩。
通过示波器,可进行CAN通信干扰测试,监测CAN-H、CAN-L以及差分信号,可在互操作性软件中进行自动测试。
设备带有电压、电流接口,功率计采集被测直流非车载充电机输入端的三相电压、电流信号和控制箱及车辆接口模拟装置内部的直流电压和电流信号。
3 测试软件
3.1 整体方案
软件采用开放的软件架构,控制管理各种测试设备,监测各测试设备的运行状态,实现对测试流程、测试资源、测试综合信息、测试数据、测试报告及测试规范和标准的统一管理,确保整个测试过程可控、测试资源可控、测试数据可控;确保数据的质量及其完整性和安全性。
系统一方面可以控制各装置的运行,采集、分析运行和测试数据,生成相关测试报告;另一方面对各装置的工作运行状态进行监测。
系统主要包括控制部分与人机交互部分。控制部分由现场信号采集、控制器(控制与监测)和后台工控机组成,它们直接和受控装置连接。现场信号采集包括功率计、示波器和各种传感器数据。现场采集的各种信号接入系统,然后由数据采集录波装置、控制器和保护进行综合处理与判断,并将相应的数据和处理、判断结果送到后台工控机。
人机部分主要包括显示与监控部分、控制与操作部分、数据存储部分及输出与打印部分,该部分主要为上位机的直接显示与操作。该装置集成了所有上位机监控和操作功能,以便能够和各装置进行实时的数据交换。
3.2 软件功能特性
软件集成了可编程交流电源、可编程直流负载、车辆模拟器(包括车辆BMS模拟器)、控制箱及车辆接口模拟装置、示波器和功率计等设备,依据不同测试项目,按照设定好的时序逻辑自动执行,自动读取测试结果,完成规定的检测项目。
通过系统集成,软件与硬件设备联动,可实现交、直流充电桩充电过程的全过程仿真。在对直流非车载充电机的互操作性测试中,软件内集成不同动力电池(如铅酸、镍氢电池、聚合物锂离子电池等)的电特性曲线,可对可编程直流负载的工作模式进行设定,并可对最大工作电压、最大工作电流、最小放电电压等进行设定,模拟动力电池包的电池需求。
软件使用LabVIEW进行编程,可维护性好,可向用户开放二次接口,方便进行二次开发,实现用户对测试业务、测试流程、数据处理、报告生成等的再次开发和定义任务。
3.3 软件操作界面
图3为测试系统主界面。进入测试程序界面后可选择测试程序,在每个测试程序中对应多个测试项目可自由勾选。软件配备1个USB转CAN模块,可实现充电桩与上位机的直接通信,模块带有2路CAN通信接口,支持CAN2.0A和CAN2.0B协议,符合ISO/DIS11898规范,设备CAN-bus通讯波特率在5 kb/s~1 Mb/s直接任意编程设置。软件有报告生成功能,可在编辑器了编辑或导入报告模板,软件可一键将测试结果(包括数据和图片)导出到WORD文档里。
图3 综合测试系统主界面Fig.3 Main interface of the integrated test system
执行配置好的测试项目,可选择执行、单步执行2种方式。可实时监控试验项目和项目工步执行情况,可显示电流、电压,运行状态,风机状态等参数。图4所示为直流充电机互操作性测试界面,软件可控制直流负载、电池电压模拟器的输出参数,模拟电动汽车电池包充电特性,使用CAN可与充电桩实现通讯,完成控制时序测试。互操作性软件可对电流控制时间、电流停止速率、反灌电流等项目进行测试工步编辑,示波器采集直流侧电压、电流,示波器可设置触发条件自动触发,并依据电流阈值自动测量时长。
图4 直流充电机互操作性测试界面Fig.4 Test interface of the DC charger interoperability
软件可调用示波器,完成触发设置、图片截取、数据读取、自动测量等功能,可完成输出电流控制时间测试等内容。
软件里集成BMS通信协议库,可在硬件的配合下完成充电桩连接确认、自检阶段、充电准备阶段、充电控制时序等测试。
4 测试项目
直流充电机互操作性测试利用车辆测试模拟器测试非车载充电机的充电控制过程、异常充电状态以及连接控制时序等,测试条件可包含额定工况和参数公差范围外的失效测试。本平台可开展的直流充电机测试项目如图5所示,对每一类测试项目除了有编辑好的测试库外,用户还可进行自定义编程。选择试验项目,编辑试验工步。系统提供的标准库已经编辑好工步,用户可进行编辑更改,软件支持工步预编辑检测功能,提示用户编辑是否出现错误。
图5 测试项目Fig.5 Test items
通过工步设置可设置直流负载、车载直流电源、开关控制器等相关项参数,同时填写下方记录条件,可实现间隔记录功能;安全保护值可设置功率上限值、电压上限值等保护参数。
示波器自动触发测量,实现和示波器通讯。对示波器进行触发,完成电压、电流等信号采集,可实现输出电压控制误差、输出电流控制误差、输出电流控制时间、输出电流停止速率、反灌冲击电流等参数的测试。
5 结语
随着电动汽车充电设施数量的日益增长,对其电性能与互操作性的检测变得特别迫切。本文设计并开发了电动汽车直流充电机自动检测平台,详述了控制箱及车辆接口模拟装置工作原理,阐述了检测方法并编写了相应的检测软件。该平台可对直流充电机的电性能及互操作性进行系统的测试,自动检测并生成检测报告,检测项目可灵活地管理,设备参数配置方便,无人为读数误差,检测效率高。
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