电动汽车充电设施互操作性测试方法研究

第44卷第504期电测与仪表Vol.44No.5042007年第12期ElectricalMeasurement&InstrumentationDec.2007PAGE1-电动汽车充电设施互操作性测试方法研究*朱彬，侯兴哲，孙洪亮，刘永相，汪会财，龙羿(国网重庆市电力公司电力科学研究院，重庆401123)摘要：供电设备与电动汽车之间的互操作性测试对电动汽车的推广应用起着特别重要的作用。文中首先介绍了控制导引电路原理，基于新国标和最新的传导充电互操作性测试规范设计了交流充电桩和缆上控制与保护装置（IC-CPD）互操作性测试装置，阐述了互操作性各检测项目的测试目的及评判依据，并对各检测项目进行了检测及分析。检测结果表明，目前充电桩的互操作性测试主要存在以下问题：（1）检测点1的电压值超出了±0.8V的容许范围；（2）充电连接控制时序不符合标准要求；（3）当充电桩在非正常条件下充电结束或停止时，不能在规定的时间内断开交流供电回路。关键词：电动汽车；充电设施；互操作性；测试规范中图分类号：TM863文献标识码：B文章编号：1001-1390(2017)00-0000-00TheStudyofinteroperabilitytestmethodstudyofonelectricvehiclechargingequipmentZhuBin,HouXingze,SunHongliang,LiuYongxiang,WangHuicai,LongYi(ElectricPowerResearchInstituteofStateGridChongqingElectElectricPowerCCompany,o,ElectPowerResInst,Chongqing401123,China)Abstract：:Theinteroperabilitytestbetweenpowersupplyequipmentandelectricvehicleplaysanimportantroleinthepopularizationandapplicationofelectricvehicles.Theprincipleofcontrolpilotcircuitisintroducedfirstly,inthispaper,andthen,basedonnewnationalstandardandthenewcharginginteroperabilitytestspecification,theinteroperabilitytestingdeviceofA.C.chargingspotandin-cablecontrolandprotectiondevice(IC-CPD)isdesigned.。Thetestpurposeandevaluationoftheinteroperabilitytestitemsarestated,andthetestitemsaretestedandanalyzed.Thetestresultsshowthatthefollowingproblemsexistintheinteroperabilitytestofthechargingspot:(1)firstly,thevoltagevalueofthedetectionpoint1exceedstheallowablerangeof±0.8V;secondly,.the(2)Chargingchargingconnectioncontroltimingdoesnotmeetthestandardrequirements.(3);thirdly,Whenwhenthechargingspotisunderabnormalcondition,itcan'tdisconnecttheACpowersupplyloopcircuitwithinthespecifiedtime.Keywords：:Electricelectricvehicle,chargingequipment,interoperability,testspecificationsPAGE20引言*基金项目：国家科技支撑计划项目*基金项目：国家科技支撑计划项目(2015BAG10B00)2011年底，国家正式发布了电动汽车传导充电用连接装置系列标准[2-3]，解决了国内不同地方执行不同标准，接口不能相互匹配的混乱局面[4]，对于规范和引导电动汽车设计生产、充电基础设施建设运营起到了重要作用。但对于充电接口和通讯协议标准的部分条款和技术细节规定不够细致，对一些关键性的参数仅给出推荐值未限定范围，导致不同车辆和充电设施之间不兼容。在此背景下，2015年年底，国家质检总局、国家标准委联合颁布了电动汽车充电接口及通信协议5项国家标准。新国标进一步细化兼容性规定，比如规范了充电电压的分类；对充电接口的额定电压、电流进行了规定;增加了通信版本控制，明确了充电的时序逻辑和时间定义等。其中，GB/T18487.1-2015对电动汽车传导充电系统的通用要求进行了详细规定[5]，GB/T20234.1-2015对传导充电用连接装置的通用要求进行了细化[6]，GB/T20234.2-2015专门对交流充电接口进行了细致规定[7]。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），规定了电动汽车传导充电互操作性测试对供电设备的检验规则、测试条件、测试项目、测试方法及合格评判，正在征求意见中。本文介绍了控制导引电路原理，基于新国标和最新的传导充电互操作性测试规范设计了交流充电桩和缆上控制与保护装置（IC-CPD）互操作性测试装置，并采用该装置对互操作性各检测项目进行了测试。1控制导引电路原理当电动汽车充电时，应使用控制导引电路进行充电连接装置的连接确认及额定电流参数的判断[8]。图1是采用充电模式3（采用充电桩供电）连接方式B（带有车辆插头和供电插头）的控制导引电路原理图，图2是采用充电模式2（使用了缆上控制与保护装置）连接方式B的控制导引电路原理图[5]。图1充电模式3连接方式B的控制导引电路原理图Fig.1Controlpilotcircuittheorydiagramofchargingmode3,caseBconnect图2充电模式2连接方式B的控制导引电路原理图Fig.2Controlpilotcircuittheorydiagramofchargingmode2,caseBconnect2检测装置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装置原理图如图3所示。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。图3交流充电桩和缆上控制与保护装置（IC-CPD）测试装置原理图Fig.3TestequipmentschematicdiagramofA.C.chargingspotandin-cablecontrolandprotectiondevice(IC-CPD)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。可编程交流电源给充电桩提供稳定、可靠的电源，并可模拟市电的各种异常及干扰，还可模拟谐波，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标范围之内。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。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。按照最新的电动汽车传导充电互操作性测试规范要求[8]，可编程交流负载由纯阻性负载组成，可单相独立控制。交流充电测试接口模拟器用于模拟车辆插座及车辆内的控制导引电路，模拟导引电阻的变化、信号接地/断路等故障、开关分合逻辑等。对各种情况的模拟方法及详细实现方案如下：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；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；R2电阻模拟电路可模拟R2电阻的5个电阻档位，分别为909Ω、1261Ω、1300Ω、1339Ω和1723Ω[9]；R3电阻模拟电阻可模拟R3电阻的5个电阻档位，分别为1820Ω、2658Ω、2740Ω、2822Ω和4610Ω；车辆控制模拟器中与二次集控单元使用485进行通信，接收指令并返回内部状态。3检测项目及结果对交流充电桩和缆上控制与保护装置（IC-CPD）可开展的互操作性测试项目如表1所示。表1可开展的互操作性测试项目Tab.1Interoperabilitytestitemswhichcanbecarriedout编号项目名称备注A1.1001/I1.1001连接确认测试检测点4测试只针对连接方式BA1.3001/I1.3001充电准备就绪测试A1.4001/I1.4001启动和充电阶段测试A1.5001/I1.5001正常充电结束测试A1.6001/I1.6001充电连接控制时序测试A1.3501/I1.3501CC断线测试只针对连接方式A或BA1.3502/I1.3502CP断线测试A1.4501/I1.4501CP接地测试A1.4502/I1.4502保护接地导体连续性丢失测试A1.4503/I1.4503输出过流测试A1.6002/I1.6002CP回路电压限值测试3.1连接确认测试该项目测试目的为检查充电桩是否能通过测量检测点1或检测点4的电压值来判断供电插头与供电插座的连接状态，并进入对应的充电状态。需检测检测点1的电压值、PWM信号、检测点4的电压值及充电状态，可通过示波器直接读取。表2、表3为对送检的某品牌交流充电桩（记为样品1）的连接确认测试结果，表2中接口模拟器模拟具备开关S2的电动车，表3中接口模拟器模拟不具备开关S2（相当于图3中S2常闭）的电动车。以下未特别说明的试验结果，均指对样品1的测试结果。可看出，表中状态1时检测点1的实测值偏高，需调节充电桩内的12V直流电源输出，其他测试都符合要求。多个品牌的样品测试表明，半数样品检测点1的电压值超出了±0.8V的范围。表2连接确认测试结果（具备开关S2）Tab.2Testresultsofconnectionconfirmfunction(withswitchS2)充电状态检测点1的电压值(V)PWM信号频率(Hz)上升时间(μs)下降时间(μs)标称值最大值最小值实测值标称值最大值最小值实测值最大值实测值最大值实测值状态1+12+12.8+11.212.960状态2+9+9.8+8.29.600状态2'+9+9.8+8.28.880100010309701000.000103.177135.025-12-11.4-12.6-12.240表3连接确认测试结果（不具备开关S2）Tab.3Testresultsofconnectionconfirmfunction(withoutswitchS2)充电状态检测点1的电压值(V)PWM信号频率(Hz)上升时间(μs)下降时间(μs)标称值最大值最小值实测值标称值最大值最小值实测值最大值实测值最大值实测值状态1+12+12.8+11.212.960状态3+6+6.8+5.25.760状态3'+6+6.8+5.25.760100010309701000.10072.414135.049-12-11.4-12.6-12.2403.2充电准备就绪测试该项目测试目的为检查充电桩在检测到车辆准备就绪时是否能启动充电。模拟闭合开关S2，检查检测点1的电压值、PWM信号以及充电状态。从表4可以看出，在状态3’时，供电回路正常导通，符合国标要求。表4充电准备就绪测试结果Tab.4Testresultsofchargingpreparation充电状态检测点1输出电压(V)高(V)低(V)频率(Hz)状态3’5.760-12.240999.934220.2303.3启动和充电阶段测试该项目测试在充电过程中，检查充电桩是否能通过PWM信号占空比告知其最大可供电能力。表5为充电桩产生的的PWM占空比。表5充电桩产生的的PWM占空比Tab.5TestresultsofPWMduty-ratiogeneratedbychargingspot充电过程状态标称值最小值最大值实测值状态3’最大供电电流的占空比010.534根据PWM占空比与充电电流限值得关系，该充电桩的最大充电电流为[5]：Imax=0.534*100*0.6=32.04A该样品额定电流为32A，两数据基本吻合。3.4正常充电结束测试该项目检查充电桩在满足充电结束条件或收到车辆停止充电指令时是否正常充电结束，供电控制装置应能在100ms内控制开关S1切换到+12V连接状态，并通过断开接触器K1和K2切断交流供电回路。表6为正常充电结束的测试结果，容易得出，检测点的高低电平、频率都符合要求，但停止时间超过了100ms。大量测试结果表明，许多品牌的充电桩都存在停止时间超时这个问题。表6正常充电结束的测试结果Tab.6Testresultsofnormalchargingend检测点1停止时间（s）高(V)低(V)频率(HZ)8.880-12.2401000.1000.5003.5充电连接控制时序测试该项目检查充电桩充电连接控制过程和间隔时间是否满足要求。充电连接控制时序要求如表7所示。表7充电连接控制时序要求Tab.7Timingrequirementsofchargingconnectioncontrol(a)模拟具备开关S2的电动汽车状态变化1→22→2’2’→3’3’→2’3’→32’→1’要求间隔（s）//≤3≤0.1≤0.1/(b)模拟不具备开关S2的电动汽车状态变化1→33→3’3’→33’→1’要求时间间隔（s）//≤0.1≤0.1表8为测试结果，可以看出，从状态3’到状态3、状态2’、状态1都存在时间超标的现象。测试结果表明，这种结果在许多品牌的充电桩上都存在。表明厂家对充电结束的控制时序间隔重视不够。表8充电连接控制时序测试结果Tab.8Testresultsoftimingsequencerequirementsofchargingconnectioncontrol(a)模拟具备开关S2的电动汽车状态变化状态1→2状态2→2’状态2’→3’状态3’→2’状态3’→3状态2’→1’时间间隔（s）39.99719.9990.6060.0713.7480.482(b)模拟不具备开关S2的电动汽车状态变化状态1→状态3状态3→状态3’状态3’→状态3状态3’→状态1’时间间隔（s）39.99719.9991.8730.5053.6CP断线测试该项目在充电前和充电中，分别检查充电桩在CP断线时是否能停止充电。按照标准要求，充电过程中出现该故障，供电控制装置应在100ms内断开交流供电回路；充电前出现该故障，充电控制开关S1切换到+12V连接状态并不闭合供电回路。表9为模拟CP断线时的测试结果。表9模拟CP断线时的测试结果Tab.9TestresultsofsimulationCPdisconnection检测点1停止充电时间(s)高(V)低(V)频率(HZ)充电前12.96011.0406779.700-充电中12.96010.8005970.1000.0693.7CP接地测试该项目在充电前和充电中，分别检查充电桩在CP接地时是否能停止充电。按照标准要求，充电过程中出现该故障，供电控制装置应在100ms内断开交流供电回路。表10为模拟CP接地时的测试结果，可以看出，停止充电时间超时。表10模拟CP接地时的测试结果Tab.10TestresultsofsimulationCPgrounding检测点1停止充电时间(s)高(V)低(V)频率(HZ)2.4000.7202020.2000.5853.8保护接地导体连续性丢失测试该项目在充电过程中，检查充电桩在失去保护接地导体电气连续性时是否能停止充电，电动汽车供电设备应在100ms内切断电源，表11为测试结果。表11保护接地导体连续性丢失测试结果Tab.11Testresultsofprotectivegroundingconductorcontinuitydisconnection检测点1停止充电时间(s)高(V)低(V)频率(HZ)充电前12.96011.0401960.800-充电中12.96010.8001754.4000.0683.9输出过流测试该项目在充电过程中，检查充电桩在输出过流时是否能停止充电。当充电桩输出的PWM信号对应的最大供电电流≤20A时，模拟充电电流超过充电桩最大供电电流+2A，并保持5s时，或当充电桩输出的PWM信号对应的最大供电电流>20A时，模拟充电电流超过充电桩最大供电电流的1.1倍，并保持5s时，应断开输出电源并控制开关S1切换到+12V连接状态。从表12得出，该测试样品在9.636s时依然为充电状态，不符合要求。表12输出过流测试结果Tab.12Testresultsofoutputover-current检测点1输出电压（V）输出电流（A）停止充电时间(s)高(V)低(V)频率(Hz)5.760-12.2401000.000212.92036.5009.6363.10断开开关S2测试该项目在充电过程中，检查充电桩在开关S2断开时是否能停止充电，要求当车辆S2断开（监测点1的电压值为9V）时，供电控制装置应在100ms内断开交流供电回路，持续输出PWM。根据表13的测量结果，该样品符合要求。表13断开开关S2测试结果Tab.13TestresultsofdisconnectswitchS2检测点1停止充电时间(s)高(V)低(V)频率(Hz)8.880-12.2401000.0000.0553.11CP回路电压限值测试该项目检查充电桩对检测点1的电压值的判断和响应是否正确。在充电前或充电过程中，当检测点1的正电压值在对应状态下标称值误差范围内，充电桩应允许充电或正常充电；当检测点1的正电压值超过对应状态下标称值误差范围时，充电桩应不允许充电或停止充电。根据表14的测量结果，该样品符合标准要求。表14CP回路电压限值测试结果Tab.14Testresultsofloopvoltagelimit检测点1电压（V）输出电压（V）输出电流（A）停止充电时间(s)高(V)低(V)频率(HZ)超上限值充电前10.8008.8805263.200充电中6.960-12.240999.938220.3600.0000.544超下限值充电前8.6406.960651.466充电中5.7603.840490.1960.0000.0000.5844结束语供电设备与电动汽车之间的互操作性测试对电动汽车的推广应用起着特别重要的作用。本文首先介绍了控制导引电路原理，基于新国标和最新的传导充电互操作性测试规范设计了交流充电桩和缆上控制与保护装置（IC-CPD）互操作性测试装置，详述了互操作性各检测项目的测试目的及评判依据，并对各检测项目进行了检测及分析。检测结果表明，目前充电桩的互操作性测试主要存在以下问题：（1）半数样品检测点1的电压值超出了±0.8V的容许范围；（2）充电连接控制时序不符合标准要求。（3）当充电桩在非正常条件下充电结束或停止时，不能在规定的时间内断开交流供电回路。参考文献国务院办公厅.关于加快电动车充电基础设施建设的指导意见[S].[S/OL].2015-09-29./zhengce/content/[S].content_10214.htmGB/T20234.1-2011.电动汽车传导充电用连接装置第1部分:通用要求[S].GB/T20234.1-2011.ConnectionsetforconductivechargingofelectricvehiclesPart1:Generalrequirements[S].GB/T20234.22011.电动汽车传导充电用连接装置第2部分:交流充电接口[S].GB/T20234.2-2011.ConnectionsetforconductivechargingofelectricVehiclesPart2:ACchargingcoupler[S].桑林,徐洪海,管翔.电动汽车交流充电接口控制导引电路试验设计[J].电测与仪表,2013,(2):112-115,120.SangLi,XuHonghai,GuanXiang.ExperimentDesignonControlPilotCircuitofACChargingCouplerforElectricVehicle[J].ElectricalMeasurement&Instrumentation,2013,(2):112-115,120.GB/T18487.1-2015.电动汽车传导充电系统第1部分:通用要求[S].GB/T18487.1-2015.ElectricvehicleconductivechargingsystemPart1:Generalrequirements[S].GB/T20234