电动汽车充电桩检测技术应用及分析

2022-04-28宋梦琼康逸群

电器与能效管理技术 2022年3期

宋梦琼, 康逸群

(1.国网湖北省电力有限公司技术培训中心, 湖北武汉 430071;2.国网湖北省电力有限公司电力科学研究院, 湖北武汉 430077)

0 引言

发展电动汽车产业是实现“双碳”目标的重要战略举措。据统计 2021年5月全国公共充电桩保有量已超过89万台,随着充电设施建设规模和数量的持续增长,如何提升充电设施服务水平,提高充电桩安全性、一致性、可靠性,成为行业内日益突出和亟待解决的问题。

检测试验是充电桩故障诊断和性能评价的重要手段;国家、行业层面陆续出台相关技术规范和检测标准[1-5],为检测试验工作提供支撑;行业内诸多企业机构已长期开展充电桩检测或检测仪器设备研发工作,自动化、智能化检测技术得到广泛应用[6-10]。本文基于大量直流充电桩检测试验的实际数据,研究分析直流充电桩在检测中的异常状态,并提炼典型问题案例,为直流充电桩的性能评价和故障诊断提供参考依据。

1 主要技术标准

经过数年持续研究与发展,国内已形成较为完善的直流充电桩标准体系,涉及充电系统、通信协议、检测试验等,包含了充电设备的硬、软件部分技术参数及检测试验内容。

(1)充电系统标准:如GB/T 18487.1—2015《电动汽车传导充电系统第1部分:通用要求》规定了充电系统分类、设备结构、性能要求、连接设施要求、使用条件等内容。

(2)通信协议标准:如GB/T 27930—2015《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》规定了直流充电桩与车辆电池管理系统(BMS)基于控制器局域网的通信物理层、数据链路层及应用层的定义。

(3)检测试验标准:如NB/T 33008.1—2018《电动汽车充电设备检验试验规范第1部分:非车载充电机》、GB/T 34657.1—2017《电动汽车传导充电设备互操作性测试规范第1部分:供电设备》、GB/T 34658—2017《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一致性测试》。上述标准分别对直流充电桩的电气性能、互操作性、通信协议一致性等方面检测试验的条件、方法、技术要求做出具体规定。

2 检测系统架构

直流充电桩检测系统架构如图1所示。

图1 直流充电桩检测系统架构

(1)车辆控制器模拟盒:包括有充电枪接口、BMS模拟软件、车辆模拟电路,负责构建车-桩控制导引电路、模拟真实车辆BMS系统,并将各类信号转送至检测系统其他部件。

(2)主控机:承担人机交互、检测软件操作的功能,显示检测软件流程,以及检测过程中的各类信号状态、波形数据等。

(3)测试仪器:主要由测量、录波模块组成,实时准确采集充电桩的电气量、开关量、及相应波形。

(4)低压辅助电源模块:用于模拟车辆内部低压辅助电源。

(5)电池模拟装置:可调直流负载可采用阻性负载或电子负载,并根据检测流程控制负载大小,以达到调节充电桩输出电压或电流的功能;电池电压模块用于模拟车辆电池在各类工况时的电压量。

基于上述构架的直流充电桩检测装置可以满足相关标准中涉及安全要求、充电输出、控制导引、协议一致性等试验项目的要求,其检测软件程序已基本实现了全自动化。此外,部分检测装置的直流负载采用独立连接方式,具备扩展功能,从而可根据被测充电桩额定功率进行负载调节。

3 典型案例分析

3.1 输出过压保护试验

输出过压保护试验中,电池模拟装置在充电回路正负极两端施加超过充电桩限值的过电压,充电桩应立即停止输出并断开直流接触器S1、S2。

某样品测试中,输出过压保护试验波形如图2所示。图2中充电功率模块的输出电压,即为直流接触器前端电压,当检测仪模拟过电压后,充电功率模块继续保持设定电压值输出约5 s后停机。

图2 输出过压保护试验波形

经分析后发现,充电桩在检测到电压故障后,充电控制器向BMS发送CST报文,并延时5 s判定未收到BST报文后才进入结束充电阶段,因此导致下发充电功率模块关机指令延长5 s,造成模拟过电压后充电桩未立即停机。

3.2 稳压、稳流精度试验

稳压、稳流精度试验考核充电桩在设定的工况下输出电压、电流的稳定性,体现充电模块的性能。

稳压精度试验波形如图3所示。样品充电桩设置为恒压模式,并按照铭牌参数和标准测试点设置输出电压为额定750 V、输出电流为额定80 A。该测试点下电压、电流无法保持稳定,电压在670～740 V,电流在60～75 A内较大幅度波动;电压设定为750 V时,电流最大稳定点为55 A。在稳流精度试验中,设置充电桩为恒流模式,部分工况同样出现电压、电流较大波动情况。

图3 稳压精度试验波形

出现上述问题在于充电功率模块的硬件性能和控制策略。样品充电桩配置3组20 kW功率模块,根据充电需求功率的增加依次启动下一组模块,并且功率增幅需超过模块额定功率的50%。在750 V/80 A测试点工况下,第三组模块不能保持稳定运行,导致电压、电流出现较大波动。

3.3 自检阶段测试

绝缘自检是充电桩启动充电前检查整个充电回路绝缘性的关键步骤。自检阶段测试中充电桩的常见异常有两种:未进行绝缘检测,绝缘检测电压值有误。

自检阶段检测仪模拟电池端电压小于10 V,充电桩应正常进行绝缘检测,而在测试中存在充电桩未按要求启动绝缘检测的情况。造成该故障主要原因有两点:握手阶段的通讯报文CHM和BHM存在异常;IMD模块投切回路故障。

绝缘检测电压值有误问题常见于握手报文的最高允许充电总电压在充电桩输出电压范围内工况。如充电桩的电压750 V,模拟发出握手报文内的最高允许电压为475 V,此时充电桩仍以750 V进行绝缘自检,导致车辆电池存在过电压危险。

3.4 通讯超时测试

在正常充电过程中,检测仪发送通讯超时,充电桩立即停止充电,并进入第三次握手重连阶段,通讯超时测试波形如图4所示。

图4 通讯超时测试波形

由图4可见,充电桩在通讯超时停止充电后,重新启动充电失败;通过分析充电桩报文可知,由于在第三次握手重连阶段,充电桩在第三次重连时未成功发送充电机握手报文CHM,导致启动充电失败。

3.5 接触器断开时间

直流接触器S1、S2在故障情况是否可靠动作,将直接影响充电桩安全性。输出电压超过车辆允许值试验S1、S2断开时间如图5所示。当模拟充电桩输出过压后,S1、S2断开时间为1.153 s,超过标准规定的1 s。车辆接口断开试验S1、S2断开时间如图6所示。检测仪通过控制CC1信号模拟车辆接口连接状态;当充电桩检测到充电接口断开后,S1、S2断开时间为129.6 ms,超过标准规定的100 ms。