电动汽车传导充电互操作性测试仪系统设计

肖文定，谭红芳，刘道煦

充电桩及电动汽车测试产品符合国家的产业政策，是战略新兴产业重点发展方向之一。充电桩及电动汽车测试产品主要是指依据国标，在对充电桩整桩及电动汽车的功能性检查、防护试验、绝缘性能试验、充电输出试验、安全要求试验、温升试验等过程中使用的专业的检测设备，这类设备的使用者主要是检测认证机构、制造厂质量检验部门等。

总的来看，充电桩及电动汽车测试领域目前还处于起步阶段，各有关企业的充电桩及电动汽车测试设备不管是数量还是种类都还很少，检测设备的专业性也比较差，基本上是靠各种通用仪器来组建。本文针对现状，采用通用化、模块化、便携化等设计方法，采用自动测试、故障注入与诊断等专业技术，提供一种交直流互操作性、协议一致性等检测的解决方案。

1 系统设计

电动汽车传导充电互操作性测试仪模拟充电控制过程、异常充电状态、连接，控制时序等，包括失效测试、仿真BMS与充电桩通信、实现参数配置、模拟充电桩的输出电压电流、实现充电桩故障和报警信息处理等。其硬件原理框图如图1所示。

图1 测试系统硬件原理框图

如图1，电动汽车传导充电互操作性测试仪由电源模拟器、绝缘模拟器、直流充电接口模拟器、交流充电接口模拟器、控制调理采集模块和人机交互等部分组成。其主要的工作原理如下：

1）直流互操作性测试时，电动汽车传导充电互操作性测试仪根据不同测试项目控制电源模拟器、绝缘电阻模拟器和直流充电接口模拟器的工作参数，实现各个测试条件的模拟，并测试相对应的数据，然后对数据进行处理、存储，最后打印出测试报告。

2）直流协议一致性测试时，电动汽车传导充电互操作性测试仪根据不同测试项目控制电源模拟器、绝缘电阻模拟器和直流充电接口模拟器的工作参数，实现各个测试条件的模拟，并实时模拟与被测车辆的协议通信，然后对数据进行处理、存储，最后打印出测试报告。

3）交流互操作性测试时，电动汽车传导充电互操作性测试仪根据不同测试项目控制电源模拟器、绝缘电阻模拟器和交流充电接口模拟器的工作参数，实现各个测试条件的模拟，并测试相对应的数据，然后对数据进行处理、存储，最后打印出测试报告。

2 部件设计

2.1 电源模拟器设计

电源模拟器的原理框图如图2。

电源模拟器包括充电机电源模块模拟器、U1电源模拟器和可调辅助电源模拟器三组电源模拟源组成，电源模拟器的各项性能如下：

1）输入电源：380V/50Hz三相交流电源；

2）输出充电电源：电压200～750VDC，电流0～20A；

3）输出U1电源：电压10.8～13.2VDC，电流0～6A；

4）输出辅助电源：电压10.8～13.2VDC，电流0～10A；

5）具有输入过/欠压保护；

6）具有直流输出过/欠压保护；

7）直流输出短路和过流保护功能；

8）具有与上位机通讯的CAN接口。

图2 电源模拟器的原理框图

1.2 绝缘电阻模拟器设计

绝缘模拟器的原理框图如图3。

图3 绝缘电阻模拟器原理框图

绝缘电阻模拟器模拟DC+与PE、DC-与PE之间电阻，可进行绝缘故障改变测试，检查车辆的绝缘故障监测功能；满足0～1000V充电桩100Ω/V〈Rt≤500Ω/V的绝缘状态模拟，电阻值调整范围10kΩ～600kΩ。

1.3 直流充电接口模拟器设计

直流充电接口模拟器的原理框图如图4。

直流充电接口模拟器完成直流充电测试过程中需要的接口、开关量和可调电阻的模拟工作。

图4 直流接口模拟器原理框图

1.4 交流充电接口模拟器设计

交流充电接口模拟器的原理框图如图5。

图5 交流接口模拟器原理框图

交流充电接口模拟器完成交流充电测试过程中需要的接口、开关量、控制电压和可调电阻的模拟工作。

1.5 控制调理采集模块设计

控制调理采集模块的原理框图如图6。

图6 控制调理采集模块原理框图

控制调理采集模块主要完成的功能有：

1）把网口协议转换成CAN协议汽车进行通信。

2）把网口协议转换成控制信号控制各路电阻值的变化。

3）把网口协议转换成控制信号控制各路开关状态的变化。

4）把网口协议转换成控制信号控制各路开关状态的变化。

5）把网口协议转换成控制信号控制各路电压和电流的变化。

6）根据测试项目的不同，实现信号转换与采集，并把数据实时通过网口上传到上位机；

7）其他交互的需要。

1.6 显示

显示主要完成人机交互的任务，软件操作界面设计友好、简洁、方便操作。选用工业标准的带触摸的液晶屏。

1.7 接口设计

对外接口主要有：

1）与车辆连接的充电接口；

2）与电源输入连接的电源接口；

3）进行数据交互的网口和USB接口；

4）可以进行自检的测试接口；

5）其他备用接口。

2 结构设计

电动汽车传导充电互操作性测试仪采用便携式结构形式，散热方式采用风冷散热。

图7 测试仪整机结构示意图

3 关键技术

3.1 自动测试技术

电动汽车传导充电互操作性测试仪通过网络总线、CAN总线和RS485总线对各个模拟器及电动汽车实现了自动控制，进而实现了整个测试流程的自动化，并自动生成测试报表。整个测试过程除了插拔充电枪外，无需人工参与或干预。

3.2 故障注入与诊断技术

故障注入，即按照选定的故障模型，用人工的方法有意识地产生故障并施加于运行特定工作负责的目标系统中，以加速该目标系统的错误和失效的发生，同时观测和回收系统对所注入故障的反映信息，并对回收信息进行分析，从而向试验者提供有关结果的试验过程。被测设备的机内测试或者外部测试的诊断能力可以通过故障注入来验证。故障注入主要有3种注入方法：仿真故障注入、硬件故障注入、软件故障注入。本测试仪采用了硬件故障注入和软件故障注入相结合的故障注入方法。其中硬件故障注入包括PE断针和各种硬件边界信号的模拟等；软件故障注入主要包括直流协议中的各种异常情况的模拟。

4 结束语

电动汽车传导充电互操作性测试仪基于国家相关标准开发，采用了自动测试和故障注入与定位技术，并根据实际在用的车辆情况进行了适用性设计工作，实现了对电动汽车的充电系统的测试工作。该测试仪已经开始应用于车辆强检机构、道路救援单位和各个车辆生产厂家等。随着战略新兴产业：新能源方向的不断发展壮大，该测试仪可以衍生一系列产品应用于各种与电动汽车相关的场合。