交流充电桩互操作性测试系统研究＊

郭昊，李艺超，刘凌飞

（1.天津职业技术师范大学 汽车与交通学院，天津 300222；2.天津动核芯科技有限公司，天津 300350）

前言

近年来，在国家和地方政策的鼓励下，充电基础设施伴随着电动汽车的发展不断增长。其中，对于私人而言，随车配备的交流充电桩或便携式缆上充电装置成为为电动汽车补充电能的首选方式。在公共充电桩领域，中国电动汽车充电基础设施促进联盟发布的《2018-2019 年度中国充电基础设施发展报告》中，2018 年12 月数据显示，国内公共充电桩中交流桩数量为178364 台，占比为54%[1]。交流充电桩将电网的交流电通过车辆接口传输给车载充电机，实现与电动汽车的充电过程控制，车载充电机将交流整流为直流后，给动力电池进行充电。交流充电桩的互操作性直接影响充电体验与充电安全，为保证交流充电桩与电动汽车之间的兼容性，判定交流充电桩是否符合国家标准，国家标准《GBT 34657.1-2017 电动汽车传导充电互操作性测试规范第1 部分：供电设备》中规定了交流充电桩互操作性相关的试验项目、试验条件、试验方法和合格评定。本文首先介绍了交流充电控制导引电路原理，根据国家标准给定的交流充电互操作性测试系统结构，提出了互操作性测试系统的设计方案，其中重点介绍了车辆控制器模拟盒的电路设计。

1 互操作性测试系统设计原理分析

电动汽车交流充电时，交流充电桩的主要功能是完成交流电能的输出控制，简单来说，交流充电桩在交流充电过程中只是起到接通和关断交流电的作用。电动汽车与交流充电桩的信号交互是通过交流充电控制导引电路实现的，充电连接方式C 的交流充电控制导引电路，如图1 所示。充电连接方式C 是指充电电缆与车辆插头永久连接在交流充电桩上。在充电信号交互时，车辆控制装置通过检测CC 与PE 端之间的电阻值变化，判断车辆接口是否完全连接，通过判断RC电阻值确认充电连接电缆的电流承载能力。通过CP 端的PWM 信号的占空比确定交流充电桩的最大供电能力。当车辆和交流充电桩完全连接后，交流充电的功率回路导通。当车载充电机设定最大允许输入电流后，车载充电机启动[2]-[4]。

图1 充电连接方式C 的交流充电控制导引电路

2 互操作性测试系统整体设计

根据图1 可知，整个测试系统测试对象为交流充电桩，若设计检测交流充电桩互操作性测试系统，需模拟完整的电动汽车端，包括符合国标的交流充电插座，交流充电信号模拟电路，动力电池模拟装置。互操作测试系统与交流充电桩实现充电连接，完成与交流充电桩的信号交互和充电桩的功率输出，从而模拟电动汽车测试整个交流充电过程中交流充电桩信号交互和充电过程控制。完整的互操作性测试系统可实现的测试功能在国标《GBT 34657.1-2017 电动汽车传导充电互操作性测试规范 第1 部分：供电设备》中已经给出，实际的交流充电互操作性测试系统应可实现交流充电桩的充电状态控制、充电连接时序、异常充电控制、充电控制导引回路等测试内容[5]。具体的测试项目已在国家标准中给出，包括各个测试项目的测试目的、测试方法及步骤、合格评判等内容。

国家标准《GBT 34657.1-2017 电动汽车传导充电互操作性测试规范 第1 部分：供电设备》中给出了交流充电桩互操作测试系统的大致结构图。如图2 所示。整个测试系统中电动汽车交流充电信号模拟电路与标准车辆控制器模拟盒对应，动力电池模拟装置对应标准给出的大致结构中的负载。其中车辆控制模拟盒是整个测试系统的关键电路部分。

图2 交流充电桩互操作测试系统结构

3 互操作性测试系统硬件设计

根据标准中规定的测试系统大致结构以及互操作性测试系统的测试点要求，结合交流互操作性测试的详细项目，设计了如图3 所示的车辆控制器模拟盒相关电路。

在公共充电领域，交流充电桩常见的充电方式是连接方式C，图3 中设计了充电连接方式C 对应的互操作性测试系统。测试系统中主要的测试点包括：检测点1 处的电压值，CP 回路的PWM 信号的占空比、频率、上升时间、下降时间，检查充电桩的充电连接状态和充电状态。

图3 车辆控制器模拟盒电路原理

测试系统主要包括标准的交流充电插座、单相/三相电压采集、电流采集模块、可编程交流负载、开关S1、S2、S3、S4、CP 回路接地电阻、R2、R3 模拟电路、车辆控制模拟电路模块、示波器、工控机等。为保证更高的兼容性，充电插座额定电流选择63A。在执行测试时，交流充电枪直接连接至交流充电插座，在L1、L2、L3、N 电路中，在回路之间采集交流电压，在L1、L2、L3 单独的电路中，采用霍尔电流传感器采集充电桩输出电流。S1、S2、S3、S4 开关均由继电器控制，在正常情况下，S1、S4 为常闭开关，S2、S3 为常开开关。在充电测试过程中，将可编程交流负载设置为定电流模式。以下对各个部件的主要功能进行详细介绍：

（1）PE 回路开关S1，用于模拟PE 中断故障，测试交流充电桩的充电过程控制。

（2）CC 回路用于测量充电枪内RC 电阻值，确定充电电缆的最大承载电流能力。

（3）CP 回路中S4 开关用于模拟CP 中断故障。

（4）CP 与PE 之间120Ω接地电阻由S3 开关控制，用于实现CP 接地故障模拟。

（5）R2、R3 模拟电路用于CP 回路电压限值测试。R2、R3 阻值可在500～2000Ω范围内连续调整。

（6）车辆控制模拟电路模块根据充电桩输出的PWM 信号占空比、CC 回路RC 电阻值，确定可编程交流负载的输入电流。

（7）工控机用于实现整个测试过程的测试流程控制，数据分析，测试评价等功能。

（8）示波器用于测量整个充电过程中的单相／三相交流电压值、电流值，同时测量检测点1处电压值、PWM 信号的占空比、频率、上升和下降时间。

4 互操作性测试系统软件系统设计

互操作性测试系统软件系统是集成在工控机上，控制互操作性系统中可编程交流负载，以及各个回路之间继电器，实现充电线路的故障模拟，同时读取示波器测试的电压电流、占空比等信号，进行分析处理，完成测试流程和测试结果评价。软件整体流程图如图4 所示。

5 结论

为保证现阶段市场上的交流充电桩与国家标准的吻合性，完成交流充电桩互操作性测试，保证充电桩与市场上电动汽车的充电兼容性，实现更好的充电体验，同时保证充电安全性，本文在国家标准的基础上设计了交流充电互操作性测试系统，通过模拟电动汽车端电路，可完成交流充电桩出厂测试、充电桩现场维护、交流充电桩互操作性测试等内容，具体的测试项目因在标准中已详细给出，故在本文中没有一一列出。

图4 互操作性测试系统软件整体流程图