电动汽车充电设施自动检测平台设计*

朱彬，侯兴哲，孙洪亮，刘永相，汪会财

（国网重庆市电力公司电力科学研究院，重庆401123）

0 引 言

根据《电动汽车充电基础设施发展指南（2015－2020年）》（发改能源［2015］1454号），到 2020年，充换电站数量将达1.2万个，充电桩将达到450万个。我国电动汽车及其基础设施呈现爆发式增长，产业发展进入快车道。然而一直困扰该行业的产品性能与互联互通问题，也越来越突出。在安全运行方面，国内纯电动汽车仅自燃事件就达到24例；在互联互通方面，目前全国不同运营商的充电网络间互联互通尚未开展，导致跨区域、跨平台充电困难［1］。

另外，国家关于加快电动汽车充电基础设施建设的指导意见（国办发（2015）73号）中专门提到加强充电设施的检测认证，健全电动汽车和充电设备的产品认证与准入管理体系，促进不同充电服务平台互联互通。因此，有必要对电动汽车充电设施的性能、互操作性开展系统的检测。

在2015年之前，充电设施检测普遍采用的是行业标准NB／T 33008－2013电动汽车充电设备检验试验规范，其中NB／T 33008.1－2013针对直流充电机、NB／T 33008.2－2013针对交流充电桩［2-3］。在2015年年底，电动汽车充电接口及通信协议五项国家标准颁布，GB／T 18487.1－2015对电动汽车传导充电系统的通用要求进行了详细规定［4］，GB／T 20234.1－2015对传导充电用连接装置的通用要求进行了细化［5］，GB／T 20234.2－2015专门对交流充电接口进行了细致规定［6］。目前，最新的国标是电动汽车传导充电互操作性测试规范 第1部分：供电设备（报批稿）［7］，正在征求意见。

目前，对充电设施检测方面的研究较少，相关的研究文献不多。文献［1］分析了电动汽车充换电设施一致性测试和互操作测试的必要性，介绍了测试结构示意图以及在电力行业尤其是智能电网领域的应用。对文献［8］介绍了一种电动汽车充电设施移动检测平台的研究和设计，开展了需求分析、方案设计，画出了检测示意图，该平台可对整车充电机、分箱式充电机和交流充电桩进行常规检验测试。文献［9］介绍了电动汽车充电接口控制导引电路基本功能和工作原理，设计了一种在不同充电模式下各检测点匹配电阻及电压状态试验的方法。目前，检测人员对充电设施电性能及互操作性的测试主要依靠人工逐项地进行检测，手动读取仪器仪表采集的数据，然后作出判断［10］。检测效率低下，工作量繁重，易出现人为检测误差，对检测人员要求很高。因此，本文设将计并搭建电动汽车充电设施自动检测平台，实现对充电设施电性能及互操作性的自动检测并生成测试报告。

1 硬件平台

电动汽车充电设施自动检测平台设计原理图如图1所示，可完成交流充电桩通用电特性和互操作性的自动测试。该平台主要由可编程交流电源、可编程交流负载、交流充电测试接口模拟器、示波器、高精度功率计、高性能数据采集卡、串口服务器、信号选通器及工控机等设备组成。

图1 电动汽车充电设施自动检测平台设计原理图Fig.1 Test equipment schematic diagram of A.C.charging spot and in－cable control and protection device（IC-CPD）

为满足三相63 A充电桩的检测要求，所选用的可编程交流电源为60 kVA，可输出额定功率的0 VAC～300 VAC电压，谐波电流低、对电网影响小。三相独立带载，每相可单独启动，满足非线性充电模块、充电机的带载要求，具备2倍的额定电流冲击能力。该交流电源给充电桩供电，用于模拟市电的各种异常及干扰，可以模拟谐波，跌落，瞬断等状况，并测试在这些条件下充电桩的各项参数指标是否在国家标准范围之内。

可编程交流负载由纯阻性负载组成，单相功率为17 kW，三相总功率为51 kW，可单相独立控制，满足单相和三相交流充电桩的测试负载要求。

交流充电测试接口模拟器可模拟导引电阻的变化、信号接地／断路等故障、开关分合逻辑，配合电源和负载可完成交流桩电特性和控制导引测试，测试充电桩的对应电动车的兼容性，及非正常状态的保护动作是否正确。

高精度数字功率计采集被测交流桩输入和输出的三相电压、电流，计算电压、电流和功率值。

高性能数据采集卡内置6位半数字万用表，共20个通道。采集检测点1（CP）、检测点4（CC）的电压值，作为传导充电互操作性测试的判据。

信号选通器可完成14通道的信号选通，可程控选通，与示波器配合，实现对需采集信号的自动切换。

串口服务器可实现系统中可编程电源、可编程负载等各个设备的RS485通信汇集，与工控机完成数据交互。

工控机运行测试软件，完成测试项目的自动控制，数据和波形采集，并自动生成报告。搭建完成后的自动检测平台如图2所示。

图2 搭建的自动检测平台Fig.2 Automatic detection platform

2 检测方法

交流充电桩和缆上控制与保护装置（IC-CPD）常规电性能和传导互操作性测试的测试原理图如图3所示。

图3 交流充电桩和缆上控制与保护装置（IC-CPD）测试原理图Fig.3 Test equipment schematic diagram of A.C.charging spot and in-cable control and protection device（IC-CPD）

对各种工况的模拟方法及详细实现方案如下［9］：

绝缘模拟电阻和对应模拟开关接在L1与PE之间，模拟L1与PE之间绝缘电阻降低，引起被测充电桩漏电保护动作，可对剩余电流功能进行测试；

（1）接地电阻和对应模拟开关接在CC与PE之间，模拟CC接地故障；接在CP与PE之间，模拟CP接地故障；

（2）R2电阻模拟电路可模拟R2电阻的5个电阻档位，分别为909Ω、1 261Ω、1 300Ω、1 339Ω和1723Ω，电阻精度0.2%F.S.，功率＞0.5 W；

（3）R3电阻模拟电阻可模拟R3电阻的5个电阻档位，分别为1 820Ω、2 658Ω、2 740Ω、2 822Ω和4 610Ω，电阻精度0.2%F.S.，功率＞0.5W；

（4）车辆控制模拟器中主要以DSP为核心，IO输入输出和模拟量采集为外围电路组成，与二次集控单元使用RS485进行通信，接收指令并返回内部状态；

（5）通过 L1、L2、L3接口后级串联的接触器组合，可测试三相充电桩或单相充电桩；

（6）L1、L2、L3、N、PE、CP、CC各个触点上均配置模拟开关，可模拟故障状态；

（7）装置留有IC－CPD和交流充电桩输入电源专用插座和接口，可对IC－CPD和交流充电桩进行仿真测试。

功率分析仪采集被测设备输入端三相电压、电流和可编程交流负载上的三相电压电流，其中电压通过测试线直接采集，电流使用高精度电流传感器直接采集。示波器采集检测点1（CP）和检测点4（CC）的电压信号，以及S2开关位置信号、输出电压信号和输出电流信号，作为传导充电互操作性测试的判据。二次集控设备可通过远程单独或分项目对各个设备单独操作，实现手动／自动测试，手动／自动采集数据，完成试验项目的测试。

该平台对于充电模式3中连接方式A和连接方式B场合都可进行模拟，适应场合更广。对于充电模式3连接方式B中场合，使用一根不小于3米的直通交流充电枪电缆线进行连接，可实现对交流车辆的模拟。各个开关触点和R2、R3电阻模拟电路中开关位置在面板上均有LED灯指示，方便本地检测。针对交流充电桩和IC-CPD设备，交流充电测试模拟器分别给出供电专用接口，便于接插。

3 测试软件

3.1 功能模块

软件采用开放的软件架构，整合各种测试相关资源，控制管理各种测试设备（包括但不限于可编程交流电源、交流可编程负载、功率计、示波器），监测各测试设备的运行状态，实现对测试流程、测试资源、测试综合信息、测试数据、测试报告，以及测试规范和标准的统一管理，确保整个测试过程可控、测试资源可控、测试数据可控；确保数据的质量及其完整性和安全性。本系统提供二次可编程接口，实现用户对测试业务、测试流程、数据处理、报告生成等的再次开发和定义任务。

人机界面包括测试参数设置、实时显示、测试控制、状态显示、测试报告等功能。人机界面提供操作界面的效果、色彩、风格等方面的设置和编辑。客户模块通过数据传输接口与控制模块进行通信。

控制模块负责执行客户服务模块的命令，完成测试和数据采集。控制模块收到测试指令后，调用测试设备和测量设备进行测试和数据采集工作。控制模块同时负责设备接口管理。将硬件抽象化，通过设备接口驱动，对硬件进行管理、配置、监控、操作、数据交互等操作。当硬件发生变化时只需改变设备接口配置和参数即可，这样就大大减少了未来设备更新、升级所带来的软件工作量。

数据模块包括数据的采集、记录和管理。其中，数据的管理包含对测试参数管理及测试结果管理。测试参数管理包含硬件配置参数管理、测试设备和测量仪器仪表的参数设置、测试任务的参数管理和测试任务的参数管理。硬件配置参数管理着所配各种仪器和设备的定义、连接协议和设置参数。

3.2 软件操作

图4为测试系统主界面。进入测试程序界面后可选择测试程序，在每个测试程序中对应多个测试项目，可自由勾选。

图4 EV综合测试系统主界面Fig.4 Main interface of EV integrated test system

硬件配置界面可以对测试接口柜中各设备如电源、负载、示波器、功率计等进行配置。

在测试项目界面，选择要编辑的测试项目，可以对测试项目中的程序命令进行修改，也可以添加对接口柜设备的控制命令。

点击“项目执行”图标，进入项目执行界面，选择要执行的项目程序，在执行界面左侧显示当前项目的程序语句，右侧可以观察项目变量、原始报文等内容。

点击“在线监视”，进入在线监视界面，可对示波器、功率分析仪、继电器选通盒、电池电压模拟电源、数字万用表及可编程电源等各硬件设备进行设置。

当“项目执行”中的测试程序完成后，测试程序会自动以测试时间为名称建立一个文件夹，里面包含所有的测试数据和图片。

点击“测试报告”图标，进入测试报告界面，可选择相应测试程序的报告模板，数据自动编译生成测试报告。

4 检测项目

4.1 通用电性能测试项目

可开展的交流充电桩通用电性能测试项目如表1所示，基本包含了交流充电桩通用电特性型式试验所需的检测项目。

表1 可开展的交流充电桩通用电性能测试项目Tab.1 Electrical performance test items of A.C.charging spotwhich can be carried out

充电连接方式检查，采用目测的方式进行检查，判断交流充电桩及缆上控制与保护装置的充电模式与连接方式，应符合GB／T 18487.1－2015。

带载分合电路试验，对交流充电桩进行启停操作，检查带载分合电路时交流充电桩工作正常，不应出现损坏、死机、复位的现象。

连接异常试验，交流充电桩在充电运行状态下，将充电连接装置连接确认触头断开，进行充电操作，交流充电桩应不能启动充电；交流充电桩在额定负载下进行充电，将充电连接装置连接确认触头断开，检查交流充电桩应立即切断输出电源并发出告警提示。

控制导引试验，检测供电设备对保护接地导体连续性的持续监测能力，在失去保护接地导体电气连续性的情况下，电动汽车供电设备应在100 ms内切断电源；检查电动汽车与供电设备是否正确连接；检查当允许通电时，供电设备才向电动汽车供电；检查当控制导引功能中断，或控制导引信号不允许充电，或充电设备门打开等活动造成带电部位露出时，是否能切断对电动汽车的供电；检查供电电流是否超过当前供电设备的最大供电电流。

过流保护试验，交流充电桩在充电运行状态下，人为模拟交流充电桩输出过流故障，交流充电桩应立即切断输出电源。

剩余电流保护功能试验，交流充电桩在充电运行状态下，使用要求的限流电阻在充电回路中将相线与外壳短接，检查交流充电桩应立即切断输入电源。

急停功能试验，交流充电桩在充电运行状态下，按急停按钮，交流充电桩应立即切断输出电源并发出告警提示。

计量数据一致性试验，可选用实负载法进行计量数据一致性试验，检查交流充电桩从电能表采集的数据与对应显示的内容是否保持一致。

4.2 互操作性测试项目

可开展的交流充电桩互操作性测试项目如表2所示。

表2 可开展的交流充电桩互操作性测试项目Tab.2 Interoperability test items of A.C.charging spotwhich can be carried out

5 结束语

随着电动汽车充电设施数量的日益增长，对其性能与互操作性的检测变得特别迫切。文章设计并搭建了电动汽车充电设施自动检测平台，详述了检测方法及检测项目，并编写了相应的检测软件。该平台可对全系列交流充电桩及缆上控制与保护装置（IC-CPD）的电性能及互操作性进行系统的测试，自动检测并生成检测报告，检测项目可灵活地管理，设备参数配置方便，无人为读数误差，检测效率高。