基于虚拟仪器技术的电动汽车充电桩综合测试系统

2018-07-11刘志凯吴芳芳董建洋

浙江电力 2018年6期

袁　军，李　波，刘志凯，吴芳芳，董建洋

（1．国网浙江省电力有限公司电动汽车服务分公司，杭州　310012；2．浙江华电器材检测研究所有限公司，杭州　310015；3．杭州艾参崴电力科技有限公司，杭州　310019）

0　引言

近年来，随着全社会环保意识的加强，电动汽车作为新的交通工具愈加受到推崇。“十三五”期间，我国重点推进了电动汽车的生产及其相关充电设施的建设[1-2]。国内众多城市如北京、上海、杭州、南京等已经推广了电动公共交通工具。2015年我国新能源汽车呈现爆发式增长,产量37.9万辆，同比增长3.5倍，中国也成为全球最大的新能源汽车的增量市场[3]。由于电动汽车的大量普及，市场对充电桩的需求量急剧增长[4]。国家电网公司宣布将进一步加快全国各地充电设施建设，到2020年实现电动汽车充电网络覆盖全国各地郊区县[5]。充电桩作为给电动汽车提供能量的装置，其可靠性与安全性关系到电动汽车的充电过程，对电动汽车的使用寿命也有及其重要的影响[6-7]。因此，定时对充电桩进行现场检测，确保其可靠运行，是十分必要的。

由于充电桩数量多且分散，传统的测试设备需要运输至现场并完成现场组装、接线、调试工作之后才可以对充电桩的运行状态进行测试。文献[8]对需要现场组装的传统测试仪进行了改进，提出了便携式的充电桩测试仪，但是依然使用了传统的测试仪器如示波器、功率测试仪等，使得测试仪本身不够轻便且智能化程度不高。文献[9]提出了便携式直流充电设备检测系统，该系统能满足直流充电设备检测需求，但是不适用于交流充电设备。文献[10]提出了具有足够宽电压范围的充电桩检测平台，能够快捷地对各类充电桩进行常规测试，但其内部使用了大量测试仪表。

VI（虚拟仪器技术）指利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用[11]。虚拟仪器由NI（美国国家仪器公司）提出，并在NI的硬件和图形化编程语言LabVIEW的支持下得到各国工程师的青睐，由于其具有性能高、扩展性强、节约时间、无缝集成等优点，近几十年来在电气测量、控制、自动化领域得到广泛的应用[12]。

以下结合充电桩测试现场工况，根据行业标准提出了基于VI的电动汽车充电桩综合测试系统，系统集成了电压、电流、波形检测及录波等多种测试功能，使之同时具备直流充电桩和交流充电桩的测试能力，并显著地提升测试系统的便携性，具有较好的现场应用价值。

1　测试要求

在与电动汽车相关的充电接口、交流充电桩、直流充电桩、充电站等方面，欧美国家走在了世界前列，早在2012年国际技术标准就有24项，其中IEC标准4项，JEVS标准10项，SAE标准10项[13]。

2010年，我国电动汽车充电设施标准化技术委员会结合充电设施建设，经过广泛的研究和讨论形成了包括6大类26项标准的充电设施标准体系框架[10]。2011年以来，为适应充电设施建设，标委会启动了充换电设施标准体系的研究工作，在原有的充电设施标准体系的基础上，形成了充换电标准体系框架[14]。

目前普遍应用的充电设施包括整车充电桩、分箱式直流充电桩和交流充电桩，按标准NB/T 33008.1-2013《电动汽车充电设备检验试验规程第1 部分：非车载充电机》[15]、 NB/T 33008.2-2013《电动汽车充电设备检验试验规程第2部分：交流充电桩》[16]（为论述方便，文中将非车载充电机统一称为直流充电桩）直流充电桩共有48项试验，交流充电桩共有29项试验，范围涉及外观检查、功能试验、安全保护与电磁兼容等。根据运行要求结合实际使用，为保证充电设备安全稳定运行，需要对充电设施定期进行以下检测。

1.1　直流充电桩

需要对直流充电桩定期进行的试验有：输出电压误差试验、稳压精度试验、输出电流误差试验、稳流精度试验、效率和功率因数试验、纹波系数与谐波电流试验、均流不平衡度试验、限压特性试验、限流特性试验、输入过压保护试验、输入欠压告警试验、输出过压保护试验、输出过流保护试验、输出短路保护试验、反接保护试验、通信功能试验、急停保护与软启动试验、BMS（电池管理系统）接口性能试验、电池容量试验[15]。

直流充电桩测试点要求如表1所示。

1.2　交流充电桩

需要对交流充电桩定期进行的检测项目有：桩体检查、一般连接检查、显示功能试验、输入功能试验、通信功能试验、计量数据一致性试验、链接异常试验、急停功能试验、过流保护试验[16]。

2　系统构架

2.1　综合测试系统总体构架

表1　直流充电桩试验点

完整测试系统包括充电桩输出、负载、测量仪器与控制系统、接口辅助装置。测试系统用电源模拟充电桩；用负载模拟电动汽车的车载充电系统；用测量仪器实现输入输出特性和控制引导电路参数；控制系统调度和管理整个系统的测量资源；接口辅助装置用于将充电桩输入输出接入点及控制引导电路中的检测点接出，方便测量仪器测量。其系统结构如图1所示。

图1　电动汽车充电桩综合测试系统结构

2.2　综合测试系统软件结构

电动汽车综合测试系统软件部分采用Lab-VIEW编制，具备如下的虚拟仪器模块：设备软件板功能模块、BMS系统模拟功能模块、性能测试功能模块、互操作性测试功能模块、充电过程跟踪功能模块、设备信号配置功能模块，如图2所示。

图2　电动汽车充电桩综合测试系统软件结构

2.3　综合测试系统硬件结构

传统的测试系统的测试主要采用分体式实际仪器组件，如示波器、录波仪、电压电流测试仪、功率分析仪等，由于体积较大外出测试时携带不便，且测试过程中需要更换仪器测试工作量较大。利用虚拟仪器技术，用NI公司PXI总线技术集成多功能板卡实现测试功能的模块化，简便易携带。综合测试系统采用的硬件板卡见表2，开发的便携式充电设备综测仪实物如图3所示。

表2　综合测试仪硬件板卡

图3　便携式充电设备综测仪实物

3　电动汽车充电桩综合测试系统功能

3.1　设备软面板

设备软面板集成了CAN（虚拟控制器局域网络）显示、虚拟功率计、虚拟示波器、虚拟万用表等虚拟仪器功能，如图4所示。

（1）虚拟 CAN Monitor：检测 CAN通信的状态与报文。

（2）虚拟功率分析仪：采集充电桩的功率、效率、谐波等参数。

（3）虚拟示波器：采集充电桩的输出纹波，以及测试动态的输入/输出电压。

（4）虚拟万用表：用于测试稳态的充电桩的输入/输出电压。

图4　设备软面板界面

3.2　BMS模拟器

BMS模拟器能够模拟车载BMS的通信功能，以通过充电接口控制充电桩按照要求调整电压、电流[17]。BMS模拟器能够模拟CAN通信、充电连接确认（CC1及CC2）等信号。基本参数包含“电池类型”、“电池系统额定容量”、“电池额度总电压”等参数。其中，电池模拟器控制是由用户自行编辑模拟电池的电压-电量、电压-SOC（荷电状态）、电压-时间等特性曲线，且具备根据工作过程中的电压电流，自动计算已充电量。并控制电池模拟器按照曲线进行自动调压，BMS模拟器按照曲线控制被试件输出特性，充电过程曲线见图5。