电动汽车无线充电通信协议一致性测试的研究

黄 炘， 张宝强， 李 川， 孔治国， 王朝晖， 赵凌霄， 兰 昊

（1.中汽研汽车检验中心（天津） 有限公司， 天津 300300；2.中国汽车技术研究中心有限公司， 天津 300300）

1 引言

电动汽车无线充电系统一般可分为地面端设备和车载端设备，二者之间无直接物理连接［1-5］。为保证无线充电系统正常运行，地面端和车载端的控制方式主要有两种，分别为单边控制和双边控制。单边控制是指系统输出功率等关键参数的调节由地面端或者车载端单独完成，另一端不参与调节；双边控制指地面端和车载端同时参与无线充电系统的整体调节［6］。目前主流的控制方式为双边控制，也就是在无线充电过程中，地面端和车载端之间需通过无线通信来控制管理充电过程［7-9］。

考虑到电动汽车产业发展的需求以及未来公共场所充电的便利性，无线充电场景中的地面端和车载端很大程度是来自不同的设备生产厂家，可能存在通信协议和线圈类型等不统一的问题。地面端和车载端的无线通信协议一致性成为保证不同的地面端和车载端设备之间正常、高效、安全交互的关键所在。

为了将车载端与地面端充电设施统一起来，实现不同电动汽车与不同充电桩之间高效安全地进行无线充电，2020年4月28日国家标准委颁布了一系列电动汽车无线充电相关的标准，其中GB/T 38775.2对车载充电机和无线充电设备之间的通信协议进行了规范［10］。但是在协议实现过程中，由于对通信协议的理解和实现方法等的不一致，可能会给整车实际充电的互操作带来障碍，因此有必要对电动汽车和无线充电设备之间的通信协议实现进行一致性测试评估。

本文首先对GB/T 38775.2进行解读，在此基础上，提出了电动汽车无线充电通信协议一致性测试系统，包括软硬件测试平台及测试方法，能够为电动汽车无线充电领域的相关检测验证提供技术支撑，促进行业规范化发展。

2 电动汽车无线充电流程

2.1 GB/T 38775.2对无线充电流程的规定

标准GB/T 38775.2将电动汽车无线充电系统车载侧和地面侧设备的充电流程分为4个状态，分别为通信未连接、通信连接、待机和充电［10］，如图1所示。每个状态具体解释如下。

图1 GB/T 38775.2中规定的无线充电总体流程

1） 通信未连接：地面、车载侧设备功率模块部分待机，等待指令下达后可进行能量传输，但通信连接未建立。

2） 通信连接：各通信单元建立了通信连接，但能量未开始传输。

3） 待机：系统进行地面与车载侧的互操作性检测、认证鉴权处理、对位检测已结束，但还未开始能量传输。系统完成能量传输前提条件的判断，等待执行能量传输指令。

4） 充电：接收到启动充电指令，根据车辆控制系统下达的充电指标执行能量传输；接收到停止充电指令，停止能量传输。

2.2 无线充电流程解读

在对标准解读过程中发现，GB/T 38775.2对无线充电过程的划分过于粗糙，不能较好地帮助理解无线充电的整个流程。因此，本文借鉴电动汽车传导充电通信协议标准GB/T 27930对直流充电过 程 的 划 分［11］， 通 过 对GB/T 38775.2内容的进一步梳理，提出如图2所示的一种对电动汽车无线充电流程的理解。

图2将整个无线充电过程划分为6个阶段，分别为：建立WIFI通信、注册鉴权、互操作性信息兼容检查、开始充电请求与响应、充电状态信息交互和结束充电请求与响应。在各个阶段，地面端和车载端设备如果在规定的时间内没有收到对方指令或者没有收到正确指令，即判定为超时（超时指在规定时间内没有收到对方的完整数据包或者正确数据包）［11］。每个阶段具体解释如下。

1） 建立WIFI通信。当系统低压辅助上电后，地面端和车载端设备的功率模块部分待机，通信模块开始工作，建立WIFI通信。

2） 注册鉴权。通信模块启动，车载通信控制单元（IVU） 获取副边设备ID，并与其自身ID生成签名认证值，然后向地面通信控制单元 （CSU） 发送注册请求；CSU对注册请求进行验证，通过后向IVU发送鉴权认证请求；IVU根据鉴权认证请求对CSU进行认证，并反馈鉴权响应给CSU；CSU根据鉴权响应对IVU进行认证，然后向IVU返回注册响应，整个注册鉴权过程完成。

3） 互操作性信息兼容检查。IVU和CSU互发兼容性检查需要的信息，包括功率等级、谐振补偿电路拓扑、线圈类型、频率范围和工作间隙等，并检测是否相匹配。

4） 开始充电请求与响应。IVU向CSU发送开始充电请求，CSU在收到请求后判断IVU是否合法，且是否允许本次充电，并向IVU发送开始充电请求响应。若CSU允许充电，会向功率发送控制器 （PTC） 发送开始充电指令，并循环检测PTC状态，直到PTC开始充电。

5） 充电状态信息交互。CSU检测到PTC开始充电或者停止充电，会向IVU发送充电状态信息；IVU在收到信息后，会向CSU返回状态信息响应。

6） 结束充电请求与响应。CSU和IVU均可发起结束充电。CSU发起结束充电过程为，首先CSU向PTC发送停止充电指令，然后向IVU发送充电状态信息；IVU发起结束充电过程为，首先IVU向CSU发起停止充电请求，然后CSU返回停止充电响应，接下来的过程与CSU发起结束充电过程相同。

图2 无线充电总体流程解读

3 无线充电通信一致性测试系统架构

为了验证地面端设备与车载端设备在无线充电过程中的通信是否满足GB/T 38775.2通信协议的要求，测试系统应该具备模拟充电过程中通信逻辑和功率传输的功能。这是因为当且仅当无线充电系统地面端设备和车载端设备之间的控制导引功能和通信建立正确连接关系时才能正常充电。

3.1 硬件架构

无线充电通信一致性测试系统包括电源变换模块、线圈、采样控制单元、工控机、通信测试模块以及检测模块，无线充电测试系统的硬件架构如图3所示。

图3 无线充电测试系统硬件架构图

1） 电源变换模块。电源变换模块分别与线圈、采样控制单元和检测模块相连接，用于对接入的交流电进行变换。电源变换模块包括全控整流电路、调压电路、逆变电路和谐振补偿电路。

2） 线圈。线圈分别与电源变换模块和检测模块相连接，用于将电源变换模块输出的交流电以交变磁场进行发射出去，或者接收其他线圈发射的交变磁场。线圈的结构包括圆型和矩型。

3） 采样控制单元。采样控制单元分别与电源变换模块和工控机相连接，用于根据需求控制电源变换模块的输出特性。采样控制单元主要用于检测电源变换模块中的电压和/或电流，并生成对应的检测信号传递给工控机；控制调节电源变换模块的输出电压和/或电流特性；接收并执行来自工控机的控制指令。

4） 工控机。工控机分别与采样控制单元、通信测试模块和检测模块相连接，用于操控测试系统。工控机装有测试程序，主要用于测试地面端和车载端设备的通信一致性，其功能应包括输入被测设备参数，包括但不限于设备端ID、功率等级、谐振补偿电路拓扑类型、线圈类型和频率范围，用于测试中参数比对分析；存储并执行通信一致性测试指令，下发给采样控制单元来控制测试系统的动作以及通过通信测试模块与被测设备进行无线通信；解析通信测试模块接收到的来自被测设备的通信指令，并通过显示屏显示解析后的通信指令；判读接收到的通信指令，并根据判读结果下发相对应的通信一致性测试指令给采样控制单元来控制测试系统的动作以及通过通信测试模块与被测设备进行无线通信；接收并存储检测模块传送的检测信号，用于测试中参数比对分析。

5） 通信测试模块。通信测试模块与工控机相连接，用于获取被测设备发出的通信信号以及通过无线通信的方式传递工控机下发的通信一致性测试指令给被测设备。

6） 检测模块。检测模块分别与工控机、电源变换模块和线圈相连接，用于检测电源变换模块和线圈间的电压和/或电流信号，并传送给工控机。检测模块可以为功率分析仪和/或示波器。

3.2 软件架构

测试系统的软件可分为3部分：参数配置、测试执行和数据后处理。其主要功能包括参数配置、控制车载端和地面端设备的通信、逻辑判断、数据分析与处理等。本文的无线充电通信一致性测试系统软件架构如图4所示。

图4 测试系统软件框图

参数配置既包括测试系统自身的参数设置，如波特率、信道号等，也包括测试样品参数的设置，如设备端ID、功率等级、谐振补偿电路拓扑类型、线圈类型和频率范围等，主要用于测试中参数比对分析和判断。

测试执行主要是指软件可以选择编好的测试用例逐步执行，这其中就包括肯定测试用例和否定测试用例。此外，在测试过程中，用户可以从软件界面实时读取通信状态和系统状态，并在提示出现错误后可立即停止并重新开始执行测试用例。

数据后处理主要指测试数据存储、导出、分析和测试报告生成等。

4 无线充电通信一致性测试方法

利用上述的电动汽车无线充电系统进行通信一致性测试的具体方法如下。

1） 试验样品布置。根据测试需求，测试系统连接上交流电源，被测样品连接上电子负载。将测试系统中的线圈与被测样品中的线圈对齐，线圈间隙调至满足可正常工作的要求，如140mm。

2） 试验初始化。低压上电，使测试系统待机，被测样品的电源变换模块待机，电子负载待机，并根据测试需求选择恒压或恒流或恒阻的工作模式，然后打开交流电源开关。

3） 进行通信一致性测试。启动测试软件，输入被测样品参数，选择执行设备通信一致性测试程序。通信一致性测试内容包括通信连接响应、注册鉴权响应、兼容性检查响应、开始充电响应、充电状态信息交互响应和结束充电响应等。

4） 测试结束，生成测试报告。

5 结论

电动汽车无线充电系统通信协议GB/T 38775.2是保证实现无线充电互操作性的基础标准。本文通过对GB/T 38775.2的细致解读，梳理得到无线充电通信的一般流程，并提出了一种无线充电通信一致性测试的方案，包括软硬件架构和测试方法，能够较为真实地再现实际充电状况，为相关检测试验和验证提供参考，有助于后续标准的修订和测试的进一步完善。