袁　軍，李　波，劉志凱，吳芳芳，董建洋

（1．國網(wǎng)浙江省電力有限公司電動(dòng)汽車服務(wù)分公司，杭州　310012；2．浙江華電器材檢測研究所有限公司，杭州　310015；3．杭州艾參崴電力科技有限公司，杭州　310019）

0　引言

近年來，隨著全社會(huì)環(huán)保意識的加強(qiáng)，電動(dòng)汽車作為新的交通工具愈加受到推崇?！笆濉逼陂g，我國重點(diǎn)推進(jìn)了電動(dòng)汽車的生產(chǎn)及其相關(guān)充電設(shè)施的建設(shè)[1-2]。國內(nèi)眾多城市如北京、上海、杭州、南京等已經(jīng)推廣了電動(dòng)公共交通工具。2015年我國新能源汽車呈現(xiàn)爆發(fā)式增長,產(chǎn)量37.9萬輛，同比增長3.5倍，中國也成為全球最大的新能源汽車的增量市場[3]。由于電動(dòng)汽車的大量普及，市場對充電樁的需求量急劇增長[4]。國家電網(wǎng)公司宣布將進(jìn)一步加快全國各地充電設(shè)施建設(shè)，到2020年實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車充電網(wǎng)絡(luò)覆蓋全國各地郊區(qū)縣[5]。充電樁作為給電動(dòng)汽車提供能量的裝置，其可靠性與安全性關(guān)系到電動(dòng)汽車的充電過程，對電動(dòng)汽車的使用壽命也有及其重要的影響[6-7]。因此，定時(shí)對充電樁進(jìn)行現(xiàn)場檢測，確保其可靠運(yùn)行，是十分必要的。

由于充電樁數(shù)量多且分散，傳統(tǒng)的測試設(shè)備需要運(yùn)輸至現(xiàn)場并完成現(xiàn)場組裝、接線、調(diào)試工作之后才可以對充電樁的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行測試。文獻(xiàn)[8]對需要現(xiàn)場組裝的傳統(tǒng)測試儀進(jìn)行了改進(jìn)，提出了便攜式的充電樁測試儀，但是依然使用了傳統(tǒng)的測試儀器如示波器、功率測試儀等，使得測試儀本身不夠輕便且智能化程度不高。文獻(xiàn)[9]提出了便攜式直流充電設(shè)備檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)能滿足直流充電設(shè)備檢測需求，但是不適用于交流充電設(shè)備。文獻(xiàn)[10]提出了具有足夠?qū)掚妷悍秶某潆姌稒z測平臺(tái)，能夠快捷地對各類充電樁進(jìn)行常規(guī)測試，但其內(nèi)部使用了大量測試儀表。

VI（虛擬儀器技術(shù)）指利用高性能的模塊化硬件，結(jié)合高效靈活的軟件來完成各種測試、測量和自動(dòng)化的應(yīng)用[11]。虛擬儀器由NI（美國國家儀器公司）提出，并在NI的硬件和圖形化編程語言LabVIEW的支持下得到各國工程師的青睞，由于其具有性能高、擴(kuò)展性強(qiáng)、節(jié)約時(shí)間、無縫集成等優(yōu)點(diǎn)，近幾十年來在電氣測量、控制、自動(dòng)化領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[12]。

以下結(jié)合充電樁測試現(xiàn)場工況，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)提出了基于VI的電動(dòng)汽車充電樁綜合測試系統(tǒng)，系統(tǒng)集成了電壓、電流、波形檢測及錄波等多種測試功能，使之同時(shí)具備直流充電樁和交流充電樁的測試能力，并顯著地提升測試系統(tǒng)的便攜性，具有較好的現(xiàn)場應(yīng)用價(jià)值。

1　測試要求

在與電動(dòng)汽車相關(guān)的充電接口、交流充電樁、直流充電樁、充電站等方面，歐美國家走在了世界前列，早在2012年國際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)就有24項(xiàng)，其中IEC標(biāo)準(zhǔn)4項(xiàng)，JEVS標(biāo)準(zhǔn)10項(xiàng)，SAE標(biāo)準(zhǔn)10項(xiàng)[13]。

2010年，我國電動(dòng)汽車充電設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)結(jié)合充電設(shè)施建設(shè)，經(jīng)過廣泛的研究和討論形成了包括6大類26項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)的充電設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)體系框架[10]。2011年以來，為適應(yīng)充電設(shè)施建設(shè)，標(biāo)委會(huì)啟動(dòng)了充換電設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)體系的研究工作，在原有的充電設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)體系的基礎(chǔ)上，形成了充換電標(biāo)準(zhǔn)體系框架[14]。

目前普遍應(yīng)用的充電設(shè)施包括整車充電樁、分箱式直流充電樁和交流充電樁，按標(biāo)準(zhǔn)NB/T 33008.1-2013《電動(dòng)汽車充電設(shè)備檢驗(yàn)試驗(yàn)規(guī)程第1 部分： 非車載充電機(jī)》[15]、 NB/T 33008.2-2013《電動(dòng)汽車充電設(shè)備檢驗(yàn)試驗(yàn)規(guī)程第2部分：交流充電樁》[16]（為論述方便，文中將非車載充電機(jī)統(tǒng)一稱為直流充電樁）直流充電樁共有48項(xiàng)試驗(yàn)，交流充電樁共有29項(xiàng)試驗(yàn)，范圍涉及外觀檢查、功能試驗(yàn)、安全保護(hù)與電磁兼容等。根據(jù)運(yùn)行要求結(jié)合實(shí)際使用，為保證充電設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，需要對充電設(shè)施定期進(jìn)行以下檢測。

1.1　直流充電樁

需要對直流充電樁定期進(jìn)行的試驗(yàn)有：輸出電壓誤差試驗(yàn)、穩(wěn)壓精度試驗(yàn)、輸出電流誤差試驗(yàn)、穩(wěn)流精度試驗(yàn)、效率和功率因數(shù)試驗(yàn)、紋波系數(shù)與諧波電流試驗(yàn)、均流不平衡度試驗(yàn)、限壓特性試驗(yàn)、限流特性試驗(yàn)、輸入過壓保護(hù)試驗(yàn)、輸入欠壓告警試驗(yàn)、輸出過壓保護(hù)試驗(yàn)、輸出過流保護(hù)試驗(yàn)、輸出短路保護(hù)試驗(yàn)、反接保護(hù)試驗(yàn)、通信功能試驗(yàn)、急停保護(hù)與軟啟動(dòng)試驗(yàn)、BMS（電池管理系統(tǒng)）接口性能試驗(yàn)、電池容量試驗(yàn)[15]。

直流充電樁測試點(diǎn)要求如表1所示。

1.2　交流充電樁

需要對交流充電樁定期進(jìn)行的檢測項(xiàng)目有：樁體檢查、一般連接檢查、顯示功能試驗(yàn)、輸入功能試驗(yàn)、通信功能試驗(yàn)、計(jì)量數(shù)據(jù)一致性試驗(yàn)、鏈接異常試驗(yàn)、急停功能試驗(yàn)、過流保護(hù)試驗(yàn)[16]。

2　系統(tǒng)構(gòu)架

2.1　綜合測試系統(tǒng)總體構(gòu)架

表1　直流充電樁試驗(yàn)點(diǎn)

完整測試系統(tǒng)包括充電樁輸出、負(fù)載、測量儀器與控制系統(tǒng)、接口輔助裝置。測試系統(tǒng)用電源模擬充電樁；用負(fù)載模擬電動(dòng)汽車的車載充電系統(tǒng)；用測量儀器實(shí)現(xiàn)輸入輸出特性和控制引導(dǎo)電路參數(shù)；控制系統(tǒng)調(diào)度和管理整個(gè)系統(tǒng)的測量資源；接口輔助裝置用于將充電樁輸入輸出接入點(diǎn)及控制引導(dǎo)電路中的檢測點(diǎn)接出，方便測量儀器測量。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　電動(dòng)汽車充電樁綜合測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2　綜合測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

電動(dòng)汽車綜合測試系統(tǒng)軟件部分采用Lab-VIEW編制，具備如下的虛擬儀器模塊：設(shè)備軟件板功能模塊、BMS系統(tǒng)模擬功能模塊、性能測試功能模塊、互操作性測試功能模塊、充電過程跟蹤功能模塊、設(shè)備信號配置功能模塊，如圖2所示。

圖2　電動(dòng)汽車充電樁綜合測試系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

2.3　綜合測試系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)的測試主要采用分體式實(shí)際儀器組件，如示波器、錄波儀、電壓電流測試儀、功率分析儀等，由于體積較大外出測試時(shí)攜帶不便，且測試過程中需要更換儀器測試工作量較大。利用虛擬儀器技術(shù)，用NI公司PXI總線技術(shù)集成多功能板卡實(shí)現(xiàn)測試功能的模塊化，簡便易攜帶。綜合測試系統(tǒng)采用的硬件板卡見表2，開發(fā)的便攜式充電設(shè)備綜測儀實(shí)物如圖3所示。

表2　綜合測試儀硬件板卡

圖3　便攜式充電設(shè)備綜測儀實(shí)物

3　電動(dòng)汽車充電樁綜合測試系統(tǒng)功能

3.1　設(shè)備軟面板

設(shè)備軟面板集成了CAN（虛擬控制器局域網(wǎng)絡(luò)）顯示、虛擬功率計(jì)、虛擬示波器、虛擬萬用表等虛擬儀器功能，如圖4所示。

（1）虛擬 CAN Monitor：檢測 CAN通信的狀態(tài)與報(bào)文。

（2）虛擬功率分析儀：采集充電樁的功率、效率、諧波等參數(shù)。

（3）虛擬示波器：采集充電樁的輸出紋波，以及測試動(dòng)態(tài)的輸入/輸出電壓。

（4）虛擬萬用表：用于測試穩(wěn)態(tài)的充電樁的輸入/輸出電壓。

圖4　設(shè)備軟面板界面

3.2　BMS模擬器

BMS模擬器能夠模擬車載BMS的通信功能，以通過充電接口控制充電樁按照要求調(diào)整電壓、電流[17]。BMS模擬器能夠模擬CAN通信、充電連接確認(rèn)（CC1及CC2）等信號。基本參數(shù)包含“電池類型”、“電池系統(tǒng)額定容量”、“電池額度總電壓”等參數(shù)。其中，電池模擬器控制是由用戶自行編輯模擬電池的電壓-電量、電壓-SOC（荷電狀態(tài)）、電壓-時(shí)間等特性曲線，且具備根據(jù)工作過程中的電壓電流，自動(dòng)計(jì)算已充電量。并控制電池模擬器按照曲線進(jìn)行自動(dòng)調(diào)壓，BMS模擬器按照曲線控制被試件輸出特性，充電過程曲線見圖5。

圖5　充電過程曲線示意

3.3　互操作性測試

測試項(xiàng)分為正常狀態(tài)測試和異常狀態(tài)測試。其中，正常狀態(tài)測試按照階段分為連接、自檢、準(zhǔn)備、充電、結(jié)束和其他狀態(tài)。異常狀態(tài)主要是對充電階段進(jìn)行測試。

3.4　充電過程跟蹤

充電過程中對充電樁的輸入/輸出電壓/電流信號、控制引導(dǎo)電路信號進(jìn)行記錄，并對重要信號在用戶界面顯示：

（1）充電樁輸出電壓、電流等信號。

（2）充電樁實(shí)際輸出電壓曲線，充電樁實(shí)際輸出電流曲線，如圖6所示。

（3）PWM（脈寬調(diào)制波），如圖 7所示。

3.5　設(shè)備信號配置

設(shè)備信號配置主要用于配置輸入/輸出電壓、輸入/輸出電流的信號名稱和測試范圍。設(shè)備信號配置包括CAN通信、功率分析、供電電源、電池模擬器。

（1）CAN通信：能夠設(shè)置通信速率參數(shù)。

（2）功能分析：信號能夠配置信號類型、探頭名稱、探頭比例、信號范圍和輸出類型等參數(shù)。

（3）供電電源與電池模擬器能夠配置打開、關(guān)閉、配置、讀取等設(shè)備通信協(xié)議，用于兼容不同的硬件設(shè)備。

圖6　充電樁輸出波形界面

圖7　交流電樁輸出PWM波形示意

3.6　性能測試

測試內(nèi)容涵蓋了充電樁的輸入、輸出、安全、保護(hù)等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的測試，按照測試方法設(shè)計(jì)測試項(xiàng)。用戶可編輯包含多個(gè)測試項(xiàng)的測試序列，每次測試前可修改測試項(xiàng)的參數(shù)配置。

（1）輸入測試：輸入電壓、輸出頻率測試，功率因數(shù)和效率測試，啟動(dòng)沖擊電流測試，低壓供電范圍測試，喚醒信號測試。

（2）輸出測試：輸出電壓/電流精度測試，輸出電壓范圍測試，輸出響應(yīng)測試，電壓紋波系數(shù)測試。

（3）輸入輸出保護(hù)特性測試。

（4）保護(hù)測試：輸入/輸出電壓保護(hù)測試、過溫保護(hù)測試、短路保護(hù)、急停保護(hù)測試。其中急停保護(hù)測試波形如圖8所示。

4　系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

4.1　充電過程模擬

軟件在開始仿真后，對電池模擬器按照實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，主要是按照時(shí)間控制電子負(fù)載實(shí)現(xiàn)。仿真數(shù)據(jù)源設(shè)置，數(shù)據(jù)源有3種，分別是來自電壓電流的數(shù)據(jù)文件、來自CAN通信的數(shù)據(jù)文件和來自電池模型，如圖9所示。

（1）來自電壓電流的數(shù)據(jù)文件：在測試過程中，采集電池的電壓、電流所記錄下的文件。

（2）來自CAN通信的數(shù)據(jù)文件：在測試過程中，所記錄下的CAN通信數(shù)據(jù)文件。

（3）來自電池模型：由廠家提供的電池充電過沖中的電壓電流數(shù)據(jù)文件。

圖8　急停保護(hù)測試波形

圖9　電池模擬器測試曲線

4.2　充電過程通信測試

充電過程分為4個(gè)步驟，分別是充電握手、充電參數(shù)配置、充電、充電結(jié)束。在每個(gè)步驟過程中，充電樁與BMS之間的通信過程，測試過程符合GB/T 27930-2015《電動(dòng)汽車非車載傳導(dǎo)式充電樁與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議》，程流如圖10所示。

結(jié)果表明，該系統(tǒng)充電過程通信正常，并且能準(zhǔn)確反映充電狀態(tài)。

5　結(jié)語

以上介紹了一種基于虛擬儀器技術(shù)的電動(dòng)汽車充電樁綜合測試系統(tǒng)。使用該系統(tǒng)的充電樁測試設(shè)備具有便于攜帶、操作簡單的特點(diǎn)，適用于分布式、固定安裝的充電樁的測試，方便工作人員的使用，可以大大提高了充電樁測試效率，具有較好的現(xiàn)場應(yīng)用價(jià)值。

圖10　充電過程通信測試