电动汽车直流充电接口互操作性测试与分析

朱崇明 倪亚佳

[摘    要]首先介绍开展电动汽车直流充电接口互操作性测试的背景。在此基礎上，围绕测试装置执行的技术路线、针对电动汽车充电过程发生故障的自动分析定位方法（包含充电设备核心元器件的失效机理与模型建立、充电设备运行可靠性评价指标体系及各部件寿命预测技术、充电设备及元器件质量评价等）展开分析。重点对电动汽车直流充电接口互操作性测试装置的构成（包括设计原则、软硬件构成及作用原理、优缺点等）展开分析。

[关键词]电动汽车;直流充电接口;互操作性测试;失效机理;故障自动分析定位

[中图分类号]U469.72 [文献标志码]A [文章编号]2095–6487（2022）05–00–03

Interoperability Test and Analysis between DC Charging Interface and Electric Vehicle

Zhu Chong-ming，Ni Ya-jia

[Abstract]Firstly，This Paper Introduces the Background of Interoperability Test of Dc Charging Interface of Electric Vehicle.on This Basis，the Analysis is Carried out Around the Technical Route Executed by the Test Device and the Automatic Analysis and Positioning Method for the Failure of Electric Vehicle Charging Process （including the Failure Mechanism and Model Establishment of Core Components of Charging Equipment，the Operation Reliability Evaluation Index System of Charging Equipment and the Life Prediction Technology of Various Components，the Quality Evaluation of Charging Equipment and Components， Etc.）.the Composition of the Interoperability Test Device for Dc Charging Interface of Electric Vehicle （including Design Principle，Software and Hardware Composition，Action Principle，Advantages and Disadvantages，Etc.） is Analyzed.

[Keywords]electric vehicle;dc charging interface;interoperability test;failure mechanism;automatic fault analysis and location

与传统的燃油汽车相比，电动汽车部分或完全将车载电源作为动力（有部分混合动力汽车，同时具备两种动力来源）。这种类型的汽车由于在行驶过程中不会直接产生温室气体及其他污染物，故被认为对环境造成的影响相较于传统燃油汽车更小。尽管具有良好的研发和应用前景，但总体来看，目前市面上所有的电动汽车在技术层面均未进入完全成熟的阶段。比如电动汽车的充电问题是困扰很多车主的主要问题。相较于传统燃油汽车可以在极短时间内加满油箱，电动汽车的充电速度多达数十分钟甚至数小时。不仅如此，电动汽车的直流充电口可能因各种原因而陷入异常工况，导致无法顺利充电。本文主要介绍一种针对电动汽车直流充电接口的互操作性进行测试的装置，并对该装置的运行效果进行分析。

1 电动汽车直流充电接口互操作性测试背景

电动汽车市场前景广阔，且受包括环保在内的诸多政策的影响，电动汽车未来大有全面取代传统燃油汽车的趋势（现阶段仅限于小型车辆）。随着纯电动汽车以及可充电混合动力汽车社会保有量的逐渐增加，社会整体对电动汽车基础充电设施在数量、质量方面的需求也越来越大。这实际上揭示了两个核心问题：①目前，我国电动汽车的充电桩在绝大多数地区的分布情况不尽如人意，很多电动汽车车主都在感叹“充电桩不好找”，很多时候都会为寻找充电桩而苦恼。②包括充电桩在内的电动汽车充电设施在综合性能方面存在很多不足，如充电桩出现故障导致无法充电，充电过程中发生漏电、过流、过压等现象，导致车辆及人身出现伤损等。现阶段，有关电动汽车充电设施电气安全保护的研究还比较少，而且大部分保护（如过压、过流等）通过判断采集的数据是否超过阈值决定下一步的动作。这种保护模式在功能方面略显单一，在实际应用时经常受到较大的制约。基于此，必须设计出一种能够准确定位到实际的故障位置、能减少保护的误动作率、提高充电设备电气安全保护准确性的测试装置。

2 电动汽车直流充电接口互操作性测试装置构成

2.1 测试装置技术路线

针对电动汽车直流充电接口的互操作性（或综合性）测试装置进行设计之前，必须明确以下内容：导致电动汽车直流充电接口互操作性下降或完全失效的原因为机械或机械零件在使用过程中，由于尺寸、形状、材料的性能或组织发生变化而引起的机械或机械零件不能完成指定的功能，或者机械构件丧失了原设计功能的现象[1]。常见的失效形式包含机械性变化失效、材料变化失效、接触性失效、绝缘功能失效等。基于此，设置测试装置的主要测试路线为：在直流充电接口互操作性能下降时，测试装置系统能够对诸多潜在的失效模式、可能产生的后果进行比较全面的分析，最终确定失效发生位置、原因，判断失效产生的不良后果的严重程度，并提前采取针对性的预防措施。具体的技术路线为，使用PHM（Prognostics and Health Management）传感器感知系统，配合数据分析功能，对电动汽车直流充电接口的互操作性能进行诊断，对是否发生故障及故障的严重程度进行预测[2]。这种故障判定思路并不陌生，在我国多个领域都有应用先例。如在各行各业已经广泛应用的“自动化监测系统”的构建原理为：在重要的电气/机械设备、线路处设置传感器、PLC等装置，对设备及线路处于正常工作状态时对应的某种参数进行收集。之后根据大量数据反馈，确定设备及线路运行参数的正常区间。如果发现某设备或某段线路的温度、压力等参数超过正常值，自动化监测系统便会发出异常警报，或是根据系统数据库内预先存储的应对方案进行自动化处理。本文介绍的针对电动汽车直流充电接口互操作性能的测试装置在运行控制原理层面与上述模式无本质差异，但在功能控制方面进行了升级。

2.2 针对充电过程中故障的自动分析定位方法

测试电动汽车直流充电接口互操作性是否出现失效情况的首个重点考虑内容为：必须在充电装置复杂的模块构成体系中，确定造成功能失效的原因所在区域。基于此，需要按照以下三道程序，完成故障自动定位分析系统的建立。

2.2.1 面向电动汽车充电设备核心元器件的失效机理与模型研究

首先需要了解电动汽车充电设施的运行原理，包含典型大功率充电、有序充电、双向充放电充电设备等。需要利用系统功能需求分析法对其系统各模块分别进行功能架构，按照系统结构层分别解析并分类各层模块内部核心元器件构成[3]。在此基础上，运用PHM技术路线，完成对充电设备中多种核心元器件进入充电时效状态时的工况感知。可以采用的具体方法为：基于小波包技术，对充电设备核心元器件的数据信号进行分析，并将时域信息转换成频域特征信息。在此基础上，还应对关键性的失效特征信号进行精确提炼，可采用的技术为人工神经网络方法，确定失效核心器件来自系统内的哪一个模块，至此便完成了“失效定位”。

2.2.2 充電设备运行可靠性评价指标体系及各部件寿命预测技术研究

“2.2.1”介绍的内容仅仅是对“充电设施发生故障”这一特点时段进行故障定位，属于“事后性质”。更加先进的一种故障测试检测思维在于：应该做好“前瞻性预测”。实现方法为，建立充电设备运行可靠性评价指标体系，根据基础数据和运行过程中产生的数据，对充电设施内多种设备、元器件的使用寿命进行预测。如果发现某元器件、设备的参数已经大幅度下滑，可以理解为“该元器件、设备的使用寿命已经大幅度滑落，在未来一段时间内出现故障的概率会大幅度增加，需要提前解决这一潜在风险项”。为了保证评估结果的准确性，需要根据充电设备指标的建立原则和国家标准以及行业标准，分别从技术、经济、环境和安全等方面选取充电设备评价指标，明确计算方法和指标范围，以此作为寿命预测技术的评价标准。

2.2.3 基于安全运行、检测大数据的充电设备及元器件质量评价技术研究

构成电动汽车充电设施的诸多元器件和设备中，由于生产厂家、生产工艺均可能存在差异，故即使在运行过程中，相关运行参数在当前时段处于正常范围内，也有可能在下一时段突然出现故障。因此，为了提高对充电设施元件、设备使用寿命的预估的准确性，需围绕实时运行状况、运行年限、运行环境这三方面深入分析充电设备的运行状况，进一步分析充电设备的投运前状态、故障缺陷及异常记录、检修记录。除此之外，还需考虑到充电设备工作环境具有多重不确定性，导致充电设备运行数据的采集会存在较大误差，因此采用基于非结构化数据建模法对充电设备的运行数据进行预处理以保证采样数据的有效性。

2.3 电动汽车直流充电接口互操作性测试装置构成

2.3.1 装置的设计原则

电动汽车直流充电接口互操作性测试装置设计期间，应该遵循三项原则：①标准化原则。测试装置必须完全符合国家、行业相关标准以及现行规范，务必保证测试装置达到检测要求，且应当遵循国际标准和规范化的软件开发流程进行系统的设计、编码、测试和联调。②具备扩展性（兼容性）原则。电动汽车具有广阔的发展前景，在未来，电池、电力系统、充电系统的性能都会得到提升。为了适用后续电动汽车充电接口互操作性能融合测试的需求，当前的测试装置必须具有较强的可扩展性和兼容性。③高效性原则。整个测试过程必须简单、高效、准确性强。

2.3.2 测试装置硬件部分的设计

硬件设备构成为：负载箱、网线（线缆）、电动汽车充电接口互操作性能融合测试装置。

电器回路的拓扑设计：根据设备规格方面的要求，拟采用整机输出250 A的整体方案，控制直流输出的装置为直流接触器。在此基础上，还需为三相交流输入回路配置防雷模块，辅助电源支路拟采用单相交流电输入模式。经过检测，经开关的电源整流输出为DC 12 V/10 A，能够为电动汽车提供BMS工作电源或是启动车辆直流接触器等[4]。

主要硬件元器件共分为三大类别：

（1）交流侧。①塑壳断路器的作用为：电流超过额定状态时迅速切断电路。②交流接触器，具备快速分合交流主回路的功能。③电涌保护器，主要具备防雷功能，能够保护设备在接受测试时不会受到雷击作用而被损坏。

（2）直流侧。①充电枪，是连接车辆电流输出接口的主要装置。②熔断器，主要作用为：在直流回路发生短路故障时能够有效保护整个电路。③分流器，可以对直流回路的电流进行辅助测量。④输出接触器，主要对直流输出回路进行控制，可执行接通、关断作业。

（3）其他元器件。①控制器，对整个重点系统进行总体控制，并与BMS进行信息交互和响应充电需求，采集电动汽车充电接口综合性能融合测试装置状态信号及控制各部件动作。②开关电源，能够将AC 220 V转换为符合控制器的供电电压。③辅助电源：能够将AC 220 V转换为DC 12 V，并为BMS提供辅助电源。

基于各种硬件的电动车直流充电桩口互操作性测试装置的主回路设计思路为：①三相交流输入断路器主要用于交流输入保护，内置遥信触点和分励开关。②三项输入接触器用于交流输入控制，同样内置遥信触点。③直流输出接触器用于对直流输出进行控制。④直流熔断器主要用于过流保护和短路保护。⑤设置直流残压泄放回路，作用为防止残余电压造成冲击。⑥设置绝缘监测功能电路，主要用于对测试过程是否处于绝缘状态进行监测，确保全过程处于接地状态。

完成电路搭设之后，还需基于“模块化控制”思路，完成测试装置的整体搭建。包括主控模块（桩、柜）和充电接口模块，主要实现通信功能、电气件状态的采样和控制等功能。①通信功能实现方面：主控模块、温湿度控制器、直流电表等均采用485通信;充电接口模块、充电模块、计费模块均采用CAN通信。②控制供能装置除了上文提到的直流/交流接触器、泄放装置之外，还应包括电子锁、风扇控制器等。

2.3.3 测试装置软件部分的设计

测试装置的主控模块包括A、B两个模块。其中，A模块是整个测试装置的逻辑控制核心，为了实现相关控制功能，需要搭配多个通信接口和部分I/O口，基于CAN总线通信（对应其他模块）、485通信（对应两个主控模块）实现对整个装置的数据收集与协调控制。测试直流充电接口互操作性能时的程序控制逻辑为：①必须对充电枪插头处的电压进行实时监测，电压异常时模块A发布“断开输出”指令，防止充电过程中充电枪被拔出时接口带电。②進行绝缘检测前，应重点检查车辆接触器的状态，应避免电动汽车充电接口互操作性能测试装置输出电压对车辆电池造成冲击。③接触器闭合之后，应对充电接口输出电压电流前，直流正负母线上的电压是否处于安全状态进行监测。④与车辆通讯系统连接后，应对BMS报文状态进行检测，确保BMS程序出现异常时不会导致充电失控状态。B模块的主要功能为监视充电柜体的工作环境，包含温度、湿度等数据，并可以控制风机、除湿器等环境调整部件，实现与充电模块的信息交互，交流回路的遥控。

2.3.4 测试装置的优缺点分析

2.3.4.1 先进性和创新点方面

能够满足多种使用环境、自然气候环境，且测试人员即使专业性不强，也可以按照使用说明书进行监测。此外，由于测试系统充分考虑了安全接地、防雷、防触电等危险因素，整个测试过程的安全性极高。

2.3.4.2 现存问题

针对电动汽车充电桩进行检测时，由于充电桩协议版本存在差异，故缺乏权威性，且具体检测结果尚未得到市场检验。

3 结束语

介绍的电动车直流充电桩口互操作性测试装置首先考虑的内容为：电动汽车异常充电过程中发生故障时，定位系统应该实时记录直流充电设备的运行工况、车辆动力电池等状态数据，发生充电异常时对电压、电流、通信报文及电气件状态进行录波并分析，自动分析故障原因进行故障定位。在此基础上，围绕电动汽车直流充电接口互操作性测试装置应用过程中必须重点考虑的设备完备性、测试实时性、准确性、环境试验性等要素，完成了硬件构成、软件程序控制算法的设计。最终呈现出的结果为：测试装置的灵活性极强，可根据实际情况自由调整控制程序，并且可以有效模拟充电过程中的各种反向故障，从而提高充电桩在实际使用中的安全性。

参考文献

[1] 陈浩，曲钰，黄海宁，等.电动汽车直流充电桩互操作性检测系统设计研究[J].电子测试，2021（24）：125-126，99.

[2] 万伟江，周俊，蔡剑，等.电动汽车非车载充电机互操作性测试研究[J].浙江电力，2021（1）：78-86.

[3] 郭昊.电动汽车充电系统现场互操作性检测装置研发[D].天津：天津职业技术师范大学，2020.

[4] 陆春光，徐韬，袁健，等.电动汽车直流充电桩互操作性检测系统设计[J].电工电气，2019（12）：45-49.