姜立標，凌詩韻,黃楚然,丘華川

(1.華南理工大學 機械與汽車工程學院， 廣州 510640；2.華南理工大學 廣州學院 工程研究院， 廣州 510800)

基于LabVIEW的直流充電樁自動檢測系統(tǒng)的開發(fā)

姜立標1，2，凌詩韻1,黃楚然2,丘華川1

(1.華南理工大學 機械與汽車工程學院， 廣州 510640；2.華南理工大學 廣州學院 工程研究院， 廣州 510800)

隨著電動汽車的大量普及，電動汽車充電樁作為主要充電設備，其安全性問題不容忽視。為保證充電樁穩(wěn)定安全地運行，定期對充電樁進行檢測非常重要。針對國內目前對充電樁檢測能力不足的問題，考慮充電樁現(xiàn)場檢測的需求，根據2015國家標準和充電流程標準，開發(fā)了基于LabVIEW的便攜式直流充電樁自動檢測系統(tǒng)。闡述了充電樁檢測系統(tǒng)整體結構，介紹了硬件設計與軟件設計， 進行了現(xiàn)場測試。試驗結果表明：該檢測系統(tǒng)能方便快捷地對直流充電樁進行常規(guī)測試，提高了充電樁的檢測效率，可確保充電樁運行的安全性與穩(wěn)定性。

電動汽車；充電樁；自動檢測；安全運行

隨著新能源汽車發(fā)展，電動汽車備受大家關注，充電樁的建設成了必不可少的配套設施。電動汽車在充電過程[1-2]中的安全問題不容忽視。為了更好地開發(fā)充電樁，需要建立充電樁充電質量的檢測機制，伴隨而生的就需要充電樁檢測設備，實現(xiàn)對充電過程的檢測，從而對充電樁質量進行驗證。

目前國內缺乏對充電樁進行有效檢測的便攜設備[3-5]。現(xiàn)有的充電樁檢測裝備，如北京群菱公司研制的貨車型充電樁移動檢測平臺、維思自動化公司研制的大巴型充電樁移動檢測設備，不僅體積龐大、設備復雜、開發(fā)成本高，而且對操作人員的要求較高，導致檢測成本高。針對這一現(xiàn)狀，本文結合直流快速充電樁的操作環(huán)境和現(xiàn)場測試需求，對充電樁的檢測方法進行研究和分析，開發(fā)了基于LabVIEW的便攜式直流充電樁自動檢測系統(tǒng)。該檢測系統(tǒng)具有自動化程度高、體積小、便攜性好、使用性廣、可靠性高等優(yōu)點，且對操作人員技術要求低，每次測試只需簡單記錄即可，很大程度上降低了企業(yè)的檢測成本。

1 直流充電樁的充電過程

直流充電樁是指采用直流充電模式為電動汽車動力蓄電池總成進行充電的充電樁。根據2015年頒布的國家標準，充電樁的整個充電過程包括6個階段[6]：物理連接完成、低壓輔助上電、充電握手階段、充電參數(shù)配置階段、充電階段和充電結束階段。在各個階段，充電樁和BMS(battery ma-nagement system，電池管理系統(tǒng))通過報文的收發(fā)來通知對方各自的充電狀態(tài)，完整的充電通信報文見表1。充電樁和BMS 如果在規(guī)定的時間內沒有收到對方報文或沒有收到正確報文， 即判定為超時。

表1 完整充電通信報文

在物理連接階段，根據國標GB.T 20234.3—2015規(guī)定[7]，車輛插頭和車輛插座在連接過程中觸頭耦合的順序為：保護接地，充電連接確認(CC2)，直流電源正與直流電源負，低壓輔助電源正與低壓輔助電源負，充電通信，充電連接確認(CC1)。當充電樁與電動車正確連接時，CC2處于4 ～ 5 V的工作電壓范圍內。

當充電樁和BMS 物理連接完成并上電后， 開啟低壓輔助電源，進入握手啟動階段，發(fā)送握手報文，再進行絕緣檢測。2015年國家新標準在握手啟動階段增添了產品兼容報文CHM(充電樁握手報文)和BHM(車輛握手報文)，用于判斷充電樁和BMS雙方使用的版本標準。絕緣檢測也是新國標制定的新標準，為了加強充電過程的安全性，在絕緣檢測過程中，充電樁在握手啟動階段后、握手識別階段前輸出一段高于100 V的電壓來進行絕緣性能的自檢。絕緣檢測結束后進入握手辨識階段，雙方發(fā)送辨識報文，確定電池和充電樁的必要信息。充電握手階段完成后，充電樁和BMS進入充電參數(shù)配置階段。在此階段，充電樁向BMS發(fā)送最大輸出能力的報文，BMS根據充電樁最大輸出能力判斷是否能夠進行充電。

充電配置階段完成后，充電樁和BMS進入充電階段。在整個充電階段，BMS 實時向充電樁發(fā)送電池充電需求，充電樁根據電池充電需求來調整充電電壓和充電電流以確保充電過程的正常進行。在充電過程中，充電樁和BMS相互發(fā)送各自的充電狀態(tài)。

當充電樁和BMS 停止充電后，雙方進入充電結束階段。在此階段BMS向充電樁發(fā)送整個充電過程中的充電統(tǒng)計數(shù)據。充電樁收到BMS的充電統(tǒng)計數(shù)據后，向BMS發(fā)送整個充電過程中的輸出電量、累計充電時間等信息，最后停止低壓輔助電源的輸出。

2 充電樁檢測系統(tǒng)整體結構設計

為改善傳統(tǒng)檢測設備復雜性問題，增加便捷性和通用性，本充電樁檢測系統(tǒng)包含便攜式充電樁自動檢測設備及上位機。其中，上位機是在開發(fā)階段和調試階段時供設計人員對系統(tǒng)進行設計開發(fā)和調試使用的，而便攜式充電樁自動檢測設備是在開發(fā)完成后供檢測人員對充電樁進行檢測使用的。

圖1為充電樁檢測系統(tǒng)整體邏輯框圖。充電樁檢測設備主要由信號采集模塊、信號分析模塊、數(shù)據存儲模塊和檢測結果顯示模塊組成。信號采集模塊主要完成電壓、電流和CAN報文信號的采集；信號分析模塊主要完成電壓、電流和CAN報文信號的分析；數(shù)據存儲模塊主要完成充電過程中的電壓、電流和報文數(shù)據的存儲；檢測結果顯示模塊通過LCD顯示屏將后處理得到的檢測結果進行顯示，以供檢測人員作出判斷。檢測設備通過TCP/IP協(xié)議與上位機進行連接，上位機可以讀取到設備中的數(shù)據，并對數(shù)據進行解析，以波形方式實時顯示電流、電壓，以列表形式顯示CAN報文、關鍵參數(shù)和故障碼等內容，以數(shù)據流形式顯示整個充電過程。圖2為自動檢測設備與充電樁、電動汽車的實物連接圖。

圖1 充電樁檢測系統(tǒng)整體邏輯框圖

3 硬件設計

本文研發(fā)的便攜式充電樁自動檢測系統(tǒng)的硬件部分主要由機箱、充電連接線纜、電壓傳感器、電流傳感器、分壓板、數(shù)據采集卡、高速控制器、CAN通信卡、電池、顯示屏等組成，圖3為充電樁自動檢測系統(tǒng)的主要硬件組成。其工作原理為：分壓板將電流、電壓值按一定的轉換比例耦合輸出小于10 V的低壓，數(shù)據采集卡對分壓板輸出的電壓進行采集，再通過軟件按轉換比例放大電壓并用歐姆定律得出電流，從而實現(xiàn)對高壓、大電流的檢測；CAN通信卡采集充電過程中充電樁與BMS之間的交互CAN報文；高速控制器實現(xiàn)電流、電壓及CAN報文信息自動分析、自動記錄及數(shù)據保存，并且自動顯示分析結果等功能。

圖2 檢測設備的實物連接圖

圖3 充電樁自動檢測系統(tǒng)的主要硬件組成

3.1 高速控制器

本檢測系統(tǒng)以微秒為單位對充電樁進行實時檢測，針對所采集的數(shù)據量龐大，對控制器的分析和存儲性能均提出了更高的要求。結合實際工程應用，本檢測系統(tǒng)的高速控制器選用NI公司的CRIO-9033，其采用可重新配置I/O(Reconfigurable I/O，縮寫為RIO)FPGA技術實現(xiàn)超高性能和自定義功能，具有1.33 GHz雙核Intel Atom處理器、8 GB非易失性存儲、2 GB DDR3 RAM，在本系統(tǒng)中可實現(xiàn)高速控制、在線處理、數(shù)據存儲等功能。

3.2 數(shù)據采集卡

檢測系統(tǒng)需要對充電樁的充電電流、電壓信號進行實時采集?？紤]到系統(tǒng)至少需要兩路采集通道，且采集時間需要精確到微秒，本檢測系統(tǒng)選用NI公司的NI 9223對充電樁充電過程進行數(shù)據采集。NI 9223擁有良好的數(shù)據采集性能，其具有4個差分通道，每通道1 MS/s同步采樣率，±10 V測量范圍，16位分辨率，在-40 ℃的低溫到70 ℃的高溫下均可正常工作，且具有良好的抗振、抗沖擊性能。

3.3 CAN通信卡

檢測系統(tǒng)需要對充電樁和BMS之間的通信狀態(tài)進行實時檢測。本系統(tǒng)選用NI公司的NI 9862對充電樁和BMS之間的CAN報文信號進行采集，其具有單端口高速CAN接口 (高達1 Mbit/s)，擁有優(yōu)異的CAN通信和報文采集性能，無需中斷CPU就能在接口和程序之間移動CAN幀和信號；集成CAN數(shù)據庫，編程時直接調用內部數(shù)據庫即可，亦可以對其進行導入、編輯等操作。

4 軟件設計

本檢測系統(tǒng)的控制程序采用LabVIEW軟件進行編寫，它是由美國國家儀器(National Instruments)公司研制開發(fā)的采用圖形化編程語言的程序開發(fā)環(huán)境[8]，廣泛地被工業(yè)界、學術界和研究實驗室所接受。通過LabVIEW可以靈活地創(chuàng)造出功能強大的儀器，普遍應用在測試測量領域上。

圖4為充電樁檢測系統(tǒng)軟件總體設計方案。充電樁的整個充電過程主要是通過與BMS相互收發(fā)CAN報文來通知對方各自的充電狀態(tài)[9]，故軟件部分主要通過讀取充電樁與電動汽車的電壓值、電流值和CAN報文等數(shù)據，并將其與國標規(guī)定的充電樁與BMS之間的通信協(xié)議進行對比分析，從而判斷充電的進程和充電時存在的故障。上位機應以數(shù)據流形式顯示整個充電過程，通過波形圖顯示實時采集到的電壓和電流值，對電流、電壓值和CAN報文進行分析，并將分析結果顯示在相應界面上。

圖4 系統(tǒng)軟件總體設計方案

4.1 插拔槍檢測模塊

當充電樁與電動車正確連接時，CC2處于4 ～ 5 V的工作電壓范圍內，故在此將CC2的電壓范圍作為槍連接的依據。當CC2電壓滿足所設定的4～ 5 V范圍之間時，判定為充電槍連接狀態(tài)，程序開始將采集到的電壓、電流數(shù)據存儲至TDMS文件內。

充電槍移開過程中，觸頭斷開的順序則與充電槍連接時相反，當充電槍與電動汽車斷開時，CC2的電壓跳變到工作電壓范圍外，故當CC2的電壓不再滿足4～5 V范圍時判定為拔槍狀態(tài)，此時停止系統(tǒng)對數(shù)據的存儲。

4.2 充電樁版本檢測模塊

在握手啟動階段，CHM和BHM 為產品兼容的新增報文，用以區(qū)別舊國標版本的充電樁。本程序主要是對充電樁進行檢測，故本上位機程序只需根據有無接收到CHM報文來判斷充電樁的版本，具有較大通用性。圖5為充電樁版本檢測模塊子程序，若CAN通信卡采集到CHM報文，則判斷該充電樁為15版；否則，為舊版充電樁。

4.3 絕緣診斷模塊

相對于舊國標，新修訂的電動汽車充電接口及通信協(xié)議國家標準全面提升了充電的安全性和兼容性[10]，在充電握手階段增加了絕緣監(jiān)測環(huán)節(jié)。本檢測系統(tǒng)對充電樁的絕緣診斷是通過充電樁與電動汽車的充電握手階段，在此期間通過電壓傳感器有無采集到充電樁輸出的一段高于 100 V 的電壓作為充電樁有無進行絕緣監(jiān)測的判斷標準。

4.4 沖擊電流檢測模塊

充電樁對電動汽車進行充電前，須考慮充電樁內部繼電器吸合的瞬間，充電樁可能會產生沖擊電流。沖擊電流檢測模塊子程序如圖6所示，在槍連接后，BMS發(fā)出BCL(電池充電需求)報文之前，判斷充電樁繼電器閉合瞬間是否存在電流大于30 A且持續(xù)時間大于1 ms的突入沖擊電流信號。若存在，則判斷為存在沖擊電流。

4.5 充電過程實時顯示模塊

充電配置階段完成時，即當CAN通信卡采集到BCL報文或者BCS(電池充電總狀態(tài))報文后，則判斷進入充電狀態(tài)。此時，上位機將采集到的電壓、電流信號以波形圖的形式實時顯示在界面上，監(jiān)控人員可以直觀地查看到充電樁與電動車之間的充電狀態(tài)。

圖5 充電樁版本檢測模塊子程序

圖6 沖擊電流檢測模塊子程序

4.6 CAN報文完整性檢測模塊

在充電樁與BMS各個充電階段中，除了錯誤報文BEM、CEM外，其余報文均需在充電過程中通過CAN通信卡采集到。如有缺失報文，則表示CAN報文不完整，需要在上位機及顯示屏上顯示出缺失的報文。在CAN報文完整性程序的編寫過程中，需要將舊國標版充電樁和新國標版充電樁分開討論，舊國標版的充電樁沒有接收到CHM屬于正常情況。

4.7 CAN報文完整性檢測模塊

報文BHM、CHM、CRM、CML、CCS、CST、BCL、BST、BSM需要有嚴格的周期要求，因此在程序中需要對上述報文解析周期性，根據實際檢測工況，設置周期允許偏差誤差為±15%。若有報文周期出現(xiàn)較大偏差，則需要在上位機與顯示屏上將其顯示。

4.8 充電結束后電流、電壓下降速率檢測模塊

當充電樁和BMS停止充電后，雙方進入充電結束階段。此時，BMS發(fā)送BST(中止充電報文)令充電樁結束充電過程以及告知充電結束原因，充電樁發(fā)出CST(中止充電報文)讓BMS確認即將結束充電及告知結束充電原因。當檢測到充電結束報文CST或BST時，程序需判斷充電樁輸出的電流是否能以50 A/s的速率下降，若不能，則表示電流下降速率有誤；判斷充電樁輸出電壓是否能在3 s內降至60 V以下，若不能，則表示電壓下降速率有誤。

4.9 充電結果顯示模塊

充電停止后，BMS與充電樁雙方發(fā)出充電結束階段報文來統(tǒng)計各自在本次充電過程中的充電統(tǒng)計數(shù)據。若有報文錯誤，充電樁與BMS發(fā)出錯誤報文BEM與CEM。程序通過CAN通信卡采集充電樁和BMS發(fā)送的報文并解析報文攜帶的信息，若檢測到異常，則將報錯結果顯示在屏幕上。

4.10 數(shù)據存儲與導出模塊

測試后，研究人員可以對測試結果為不合格的充電樁進行充電數(shù)據回放，分析故障的具體原因。

5 試驗驗證與結果分析

經過現(xiàn)場測試，本檢測平臺完全能滿足對直流充電樁的充電狀況檢測的功能，上位機能實時顯示充電電壓、充電電流、BCL、報文接收情況等各項信息，測試人員能很方便地對其進行操作。充電結束后，工作人員可以準確地對充電數(shù)據進行回放。

數(shù)據回放如圖7所示，在此可以清楚地看到此次實測的整個充電過程：

0～20 s為設備空運行階段，此階段設備已經開始采集數(shù)據，但不存儲數(shù)據；

20～25 s為物理連接階段，此階段工作人員將檢測設備和充電樁、電動汽車，用充電槍相連，充電槍連接后設備開始存儲數(shù)據；

25～58 s為低壓輔助上電和充電握手階段，此階段充電樁開啟低壓輔助電源，進入握手啟動階段發(fā)送握手報文，在48～58 s內進行絕緣檢測，充電樁發(fā)出了一段高于100 V的高壓來完成自檢；

58～60 s為充電參數(shù)配置階段，此階段充電樁向BMS發(fā)送CML報文，BMS根據充電樁最大輸出能力判斷是否能夠進行充電；

60～288 s為充電階段，此階段充電樁和BMS通過互相實時收發(fā)報文來判斷需求電流和充電是否異常等情況，來保證充電的正常進行。從圖7中可以看出，在充電起始階段，電流比電壓上升緩慢；

288～290 s：充電結束階段，此階段前充電樁與BMS互相發(fā)送中止充電報文，接收到中止充電報文后，充電樁迅速將充電電壓和充電電流下降至安全范圍內。從圖7可知，電流下降迅速，電壓下降較為緩慢。

圖7 充電電壓、電流數(shù)據回放

6 結束語

本文主要闡述基于LabVIEW的便攜式直流充電樁檢測系統(tǒng)的研發(fā)，詳細介紹了硬件設備的選型和軟件程序的設計過程。該自動檢測設備結構簡單、操作簡便、維護性好、通用性廣、實用性強，一次安裝便可以完成對各種符合國標規(guī)定的直流充電樁進行檢測，大大降低了充電樁檢測的開發(fā)成本。該便攜式直流充電樁自動檢測系統(tǒng)已經在國內某車企的多種電動車型試驗車進行長時間試驗，檢測有效可靠。

將來國家推出新國標，軟件組人員可以對程序進行修改后再次導入控制器，使其兼容新國標。本系統(tǒng)不僅可以用于對未出廠的充電樁進行檢測，也可以用于對投放在市場上的充電樁進行檢測，分析其有無故障隱患，即使在缺乏技術人員的情況下，也能有效地對直流充電樁進行充電過程的檢測與簡單故障分析，因此具有較為廣闊的應用前景。

[1] 陳良亮,張浩,倪峰,等.電動汽車能源供給設施建設現(xiàn)狀與發(fā)展探討[J].電力系統(tǒng)自動化,2011,35(14):11-17.

[2] 魏增福,何耀,曾國建,等.基于虛擬儀器的電池管理系統(tǒng)檢測平臺設計[J].合肥工業(yè)大學學報(自然科學版),2014,37(10):1182-1186.

[3] 鄒強.電動汽車交流充電樁的電磁兼容測試研究[J].電子質量,2011,15(5):75-78.

[4] 孟祥軍,梁濤,王興光,等.電動汽車智能充電樁的設計與實現(xiàn)[J].信息技術與信息化,2011,15(6):58-61.

[5] 趙宇明,王剛,汪映輝,等.電動汽車充電設施監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動化,2011,35(10):65-69,98.

[6] GB.T27930—2015,電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議[S].

[7] GB.T20234.3—2015,電動汽車傳導充電用連接裝置—第3部分:直流充電接口[S].

[8] 米林,周歡,譚偉.基于LabVIEW的同步器單體試驗臺測控系統(tǒng)研發(fā)[J].重慶理工大學學報(自然科學),2017,31(2):7-13.

[9] 王旭,齊向東.電動汽車智能充電樁的設計與研究[J].機電工程,2014,31(3):393-396.

[10]賀春,陳卓,馮瑾濤,等.電動汽車充電安全分析與解決方案[J].供用電,2017,34(1):12-18,50.

(責任編輯 劉 舸)

Design of DC Charging Piles Automatic Detection System Based on LabVIEW

JIANG Libiao1，2， LING Shiyun1， HUANG Churan2， QIU Huachuan1

(1.School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China; 2.Engineering Institute, Guangzhou College of South China University of Technology, Guangzhou 510800, China)

With the popularization of electric vehicles, as the main charging equipment, the security problems of electric vehicle charging piles can not be ignored. In order to guarantee stable and safe operation of the charging piles, it is important to detect them on a regular basis. Due to the weakness of weak charging piles detection in our country under the present situation, considering the requirements for on-site testing, according to the 2015 national standards and the charging process standards, a portable DC charging piles automatic detecting system based on LabVIEW was developed. This paper firstly elaborated the whole structure of the charging piles detecting system; and then it introduced hardware design and software design; finally through actual operation, the testing result showed that the system can general test on the DC charging piles conveniently and quickly, so that it can improve the detection efficiency on charging piles and ensures the safety and stability of the charging piles operation.

electric vehicle; charging pile; automatic detection; safe operation

2017-05-09 作者簡介：姜立標(1965—),男,黑龍江人,博士,副教授,主要從事新能源和智能駕駛方面的研究，E-mail:jlb@scut.edu.cn。

姜立標,凌詩韻,黃楚然,等.基于LabVIEW的直流充電樁自動檢測系統(tǒng)的開發(fā)[J].重慶理工大學學報(自然科學)，2017(8):7-13.

format：JIANG Libiao，LING Shiyun，HUANG Churan,et al.Design of DC Charging Piles Automatic Detection System Based on LabVIEW[J].Journal of Chongqing University of Technology(Natural Science)，2017(8):7-13.

10.3969/j.issn.1674-8425(z).2017.08.002

U469.72

A

1674-8425(2017)08-0007-07