交流充电桩互操作性测试系统设计研究

徐学钒 姜正德 徐帅 张静

摘 要：随着充电桩的不断增加，针对充电桩的检测也将需要投入一定的设备及人力。为满足交流充电桩与电动汽车的互连互通的需求，提出交流充电桩与电动汽车之间互操作性的试验方法和系统方案。文章设计交流充电桩互操作性测试的系统，由车辆控制器模拟盒装置、电池模拟装置、测试仪表等组成，精确测试交流充电桩充电控制过程、连接控制时序、充电异常状态等测试内容，有效提高电动汽车使用安全性和可靠性。

关键词：电动汽车；交流充电桩；互操作检测；車辆控制器模拟盒

中图分类号：TM910.6 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）22-0109-03

Abstract： With the increasing of charging pile， the detection of charging pile will need to invest in certain equipment and manpower. In order to meet the requirement of interconnection between alternating current （AC） charging post and electric vehicle， the test method and system scheme of the interoperability between AC charging post and electric vehicle are proposed. This paper designs an interoperable test system for AC charging pile， which is composed of vehicle controller simulator， battery simulator， test instrument and so on. Accurate testing of AC charging pile charging control process， connection control timing， charging abnormal state and other testing content， effectively improve the safety and reliability of electric vehicles.

Keywords： electric vehicle； AC charging pile； interoperability test； vehicle controller simulation box

引言

随着新能源电动汽车的不断普及，电动汽车充电桩作为新能源电动汽车基础的配套设施，与电动汽车之间的互联互通显得越来越重要。在电动汽车充电过程中，电动汽车充电桩充电接口作为充电设施与电动汽车之间的“桥梁”，其工作稳定性与电动汽车、充电桩相互操作的一致性，将直接影响电动汽车充电安全。

交流充电桩是为电动汽车动力电池提供交流电能的供电装置，作为目前普遍应用的充电设施，具有占地面积小、电路敷设方便、重量轻、体积小、充电稳定、效率高、抗震能力强等特点。已广泛应用于电动轿车、混合动力车、电动客车、增程式客车、充换电站等领域，尤其适合在小区、公共停车场、工业园区等出行规律和作息规律的场所。目前各充电桩生产厂家、电动汽车生产厂家和认证机构对交流充电桩与交流电动汽车的测试，大多将重心放在充电桩与交流电动汽车各自本身的性能上，对交流电动汽车与交流充电桩之间的互操作性测试，还没有行之有效的检测设备。

本文针对上述问题，针对现有技术中无法实现交流充电桩与电动汽车之间互操作性检测的问题，设计一种电动汽车交流充电桩车辆控制器模拟盒装置，采用基于检测单元的模拟器架构，解决现有技术中缺少对交流充电桩和交流电动汽车之间互操性的检测设备的问题，实现了可以连接电动汽车的充电桩输出的全面互操作一致性检测，提高了检测的全面性和侧重性以及电动汽车使用安全性和可靠性，降低了电动汽车事故发生率。

1 互操作性测试系统设计

1.1 产品的设计基础依据

作为一款交流充电桩的测试设备，产品最基本的要求应该满足相关测试标准。测试接口的主要依据标准有：GB/T 18487.1-2015《电动汽车传导充电系统第1部分：通用要求》、GB/T 20234.1-2015《电动汽车传导充电用连接装置第1部分：通用要求》、GB/T 20234.2-2015《电动汽车传导充电用连接装置第2部分：交流充电接口》、IEC 61851-1：2010《第11章 电动车辆传导充电系统 第一部分：一般要求》、GB/T 34657.1-2017《电动汽车传导充电互操作性测试规范》。

1.2 产品的设计原理

根据标准GB/T 34657.1-2017《电动汽车传导充电互操作性测试规范》提出的直流充电桩直流充电检测系统结构要求，检测系统的工作示意图如图1所示。

将交流充电桩设置在额定负载状态下运行，利用交流充电桩车辆控制器模拟盒、电池模拟装置等来模拟真实电动汽车工况环境，对充电过程不同阶段的正常或异常状态模拟，测试条件可包含额定工况和参数正常范围外的失效测试，其中车辆控制器模拟盒用于测试交流充电桩的充电控制过程、连接控制时序、充电异常状态等测试内容；电池模拟装置模拟电动汽车负载的功能；测试仪表对当次测试中的数据和图像进行采集捕捉，完成对测试结果的评判。

2 交流充电桩互操作性测试系统设计

2.1 车辆控制器模拟盒装置设计

以上述图纸为依据我们初步设计车辆控制器模拟盒装置的技术方案。设备面板如图2所示。

车辆控制器模拟盒装置包括充电桩输出插座和车辆输入插座、可变电阻、回路电阻、若干个检测单元以及若干个隔离开关等。充电桩输出插座和车辆输入插座均包含有7个连接端子：L1、L2、L3、N、PE、CC、CP；L1、L2、L3和N为交流充电的功能端子，PE为保护接地端子，CC为电动汽车和交流充电装置连接确认的信号端子，CP为控制端子。在检测开关两端分别设置的标准采集接口，上述各元器件基于检测单元以及隔离开关彼此相互连接，配合工作。

根据标准GB/T 34657.1-2017第五章节的相关测试要求，车辆控制器模拟盒装置带有63A标准交流充电枪插座，带有L1、L2、L3、N、PE、CP、CC各个触点回路通断的开关，可实现各路通断故障状态仿真模拟功能。车辆控制器模拟盒带有R2电阻、R3电阻仿真等效电阻模拟功能，R2电阻调节范围900～1799Ω，R3等效电阻调节范围1800～4799Ω。车辆控制器模拟盒内置三相电流采集霍尔传感器，可以通过外部电参数采集设备。车辆控制器模拟盒带有L1、L2、L3三相负载接入接口，后接交流负载，可实现充电桩连接确认测试、充电阶段测试、充电准备阶段测试、正常充电结束测试、开关S2断开测试、车辆接口断开测试、PE断针测试、CC中断测试、CP断电测试、CP接地测试、输出过流测试、CP回路电压限制测试等。

2.2 交流充电桩互操作性系统测试

交流充电桩输出插座的L1端、L2端和L3端与车辆输入插座的L1端、L2端和L3端通过线路连接，交流充电桩输出插座的N端、PE端分别与车辆输入插座的N端、PE端通过线路连接，连接线路上分别设置有通断开关S1、S2、S3、S4和S5，开关两侧设置有信号采集点以及电流采集点。可调电阻模块R4与开关S6并联，并与可调模块Rc、开关S11串联，可调电阻模块R4、开关S6与充电桩输出插座的PE端连接，开关S11与车辆输入插座的CC端连接。在信号采集过程中，示波器、录波仪、功率分析仪等设备会通过插接柱插接于所述信号采集孔内与采集点电连接，从而获得信号值并进行分析处理后显示在各个仪器显示屏上。

在测试过程中，充电桩的充电插头插接在所述充电桩输出插座上，电动汽车的充电插头插接在所述车辆输入插座上。插接完成后，会使得所述充电桩输出插座的L1、L2、L3端和N端在交流充电桩互操作性测试过程中连接在交流充电桩充电插头的L1、L2、L3端和N端，连接在充电桩内的交流电源上，充电桩输出插座的PE端连接在充电桩内的接地端上。充电输出插座的CC端和CP端连接在充电桩内的交流充电控制模块上，车辆输入插座的L1端和N端连接电动汽车的车载充电机。车辆输入插座的PE端连接在电动汽车内的车身接地端上。车辆输入插座的CC端和CP端连接电动汽车的车辆控制装置。在连接状态下，通过拨码式开关的通断控制操作箱内部电路上通断开关的电接触实现通断开关的开通或关闭，以及可调电阻模块的阻值调控，能够实现在不同测试项目中进行电压或电流的采集，采集到的数据进行分析处理获得分析结果。

2.2.1 交流充电桩CP回路电阻测试

CP回路电阻测试目的是在控制导引电路上，当电动汽车使用非标准范围内的电阻时，检查供电设备是否能正常充电，分为上限值测试和下限值测试。

（1）上限值测试

状态a：将车内CP回路电阻值（R2与R3并联阻值）从标称值（882Ω）调整至上偏差值（1254Ω），检查被测设备信号采集点A21的电压值和PWM输入正负端的PWM信号；重新调整车内回路电阻为标称值。

状态b：闭合开关S8，并保持充电2min，重新将车内CP回路电阻值（R2与R3并联阻值）从标称值（882Ω）调整至上偏差值（1254Ω），检查信号采集点A21的电压值和PWM输入正负端的PWM信号，以及交流供电回路中输出电压。

（2）下限值测试

状态a：将车内CP回路电阻值（R2与R3并联阻值）从标称值（882Ω）调整至下偏差值（606Ω），检查被测设备信号采集点A21的电压值、PWM信号；重新调整CP回路电阻为标称值，模拟闭合开关S8。

状态b：闭合开关S8，并保持充电2min，重新将车内CP回路电阻值（R2与R3并联阻值）从标称值（882Ω）调整至下偏差值（606Ω），检查信号采集点A21的电压值和PWM输入正负端的PWM信号，以及交流供电回路中输出电压。

2.2.2 交流充电桩CP中断测试

CP中断测试目的是在充电前和充电中，当CP中断时，检查供电设备是否能中止充电。

状态a：模拟断开CP线，并保持5s，检查信号采集点A21的电压值和PWM输入正负端的PWM信号，以及交流供电回路中输出电压和电流。

状态b：在正常充电过程中，模拟断开CP线或打开开关S8，并保持5s，检查信号采集点A21的电压值和PWM输入正负端的PWM信号，以及交流供电回路中输出电压和电流。

2.2.3 交流车辆CP回路电阻测试

交流车辆CP回路电阻测试目的是在控制导引电路上，当电动汽车使用非标准范围内电阻，检查电动汽车是否能正常充电，分为上限值测试和下限值测试。

（1）上限值测试

状态a：将供电端CP回路电阻R1从标称值（1000Ω）调整至上偏差值（2000Ω），检查信号采集点A16的电压值和PWM输入正负端的PWM信号；重新调整供电端CP回路电阻为标称值。

状态b：闭合开关S8，并保持充电2min，重新将供电端CP回路电阻R1从标称值（1000Ω）调整至上偏差值（2000Ω），检查信号采集点A16的电压值和PWM输入正负端的PWM信号，以及交流供电回路中输出电流。

（2）下限值测试

状态a：将供电端CP回路电阻R1从标称值（1000Ω）调整至下偏差值（500Ω），检查信号采集点A16的电压值和PWM输入正负端的PWM信号；重新调整供电端CP回路電阻为标称值。

状态b：闭合开关S8，并保持充电2min，重新将供电端CP回路电阻R1从标称值（1000Ω）调整至下偏差值（500Ω），检查信号采集点A16的电压值和PWM输入正负端的PWM信号，以及交流供电回路中输出电流。

2.2.4 交流车辆CP回路中断测试

交流车辆CP回路中断测试目的：在充电前和充电中，当CP中断时，检查电动汽车是否能中止充电。

状态a：在充电前，模拟断开CP线，并保持5s，检查信号采集点A16的电压值和PWM输入正负端的PWM信号、开关S8状态、交流供电回路中输出电压和电流。

状态b：在正常充电过程中，模拟断开CP线，并保持5s，检查信号采集点A16的电压值和PWM输入正负端的PWM信号、开关S2状态、交流供电回路中输出电压和电流。

上述测试中的电压、电流等信号回路上的信号采集接口直接与示波器连接，通过示波器显示测试波形，并进行分析。

3 结束语

为满足交流充电桩与电动汽车的互连互通的需求，本文设计了一种交流充电桩互操作性测试系统，由车辆控制器模拟盒装置、电池模拟装置、测试仪表来模拟真实电动汽车工况环境，可以测试交流充电桩的充电控制過程、连接控制时序、充电异常状态等测试内容。其中车辆控制器模拟盒装置用于模拟充电桩和充电汽车充电接口，在不同测试项目下通过对通道回路开关的关闭或开通，以及对电阻阻值的不断调控，来采集各个信号采集点的电压或电流信号，从而根据电压或电流信号的分析图像来确认充电桩和充电汽车各种充电状况，实现了交流充电桩和交流电动汽车之间的互操性，并且提高了电动汽车使用安全性和可靠性，降低了电动汽车事故发生率。

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