赖德鹏 唐伟萍 周 新 王贞仁

电动汽车交流充电桩检测装置的设计研究

赖德鹏1唐伟萍1周 新2王贞仁1

（1.广西电力职业技术学院，广西 南宁 530007；2.北京华晟经世信息技术股份有限公司，北京 101111）

近年来，随着新能源汽车快速普及，新能源汽车充电设施需求也急剧攀升。而充电桩安装使用过程中，会出现充电异常等故障，充电桩检修则急需一种具有轻型化、操作简单、使用空间小、便于携带等特点的交流充电桩检测装置，以解决充电桩充电过程中出现故障等问题。交流充电桩检测装置对解决交流充电桩充电过程中的故障问题意义重大，一种便携、轻便、精准的交流充电桩检测装置能有效节省充电桩安装、排故中所需要的时间，极大地提高解决问题的效率。文章设计研究一种便携的、轻型的、高效的交流充电桩检测装置，对于推动电动汽车充电基础设施建设具有现实意义。

电动汽车；交流充电桩；检测装置

引言

根据发改委印发的《电动汽车充电基础设施发展指南（2015至2020年）》来计算“十三五”期间充电设备的市场空间。2015年至2020年，我国共需要新建充电站1.2万座，其中公交车、出租车、专用车的充电站分别为3848、2462和2438个；到2020年，我国的新能源公交车、出租车、专用车的保有量将分别达到20万、30万、20万辆[1]。2016年国家就制定了电动汽车的充电基础设施规范，对经济发达、车辆密度大的地区进行新能源汽车的试点工作，以解决人们电动汽车的充电问题[2]。2022年1月，国家发展改革委等部门联合印发了《国家发展改革委等部门关于进一步提升电动汽车充电基础设施服务保障能力的实施意见》（发改能源规〔2022〕53号），意见提出，到“十四五”末，我国电动汽车充电保障能力进一步提升，形成适度超前、布局均衡、智能高效的充电基础设施体系，能够满足超过2000万辆电动汽车充电需求。随着大量的电动汽车充电桩的安装使用，充电桩充电过程的安全问题也随之出现。交流充电桩使用过程中，出现充电异常等故障，交流充电桩检修则急需一种具有轻型化、操作简单、使用空间小、便于携带等特点的交流充电桩检测装置，以解决充电桩充电过程中出现故障等问题。

目前，市面上交流充电桩检测装置普遍存在操作复杂、体积庞大、检测过程中存在不能精准找出故障问题的缺点。交流充电桩检测装置对解决充电桩充电过程中的故障问题意义重大，一种便携、轻便、精准的充电桩检测装置能有效节省充电桩安装、排故中所需要的时间，极大地提高解决问题的效率。本文提出一种区别于现有新能源汽车交流充电桩检测领域的交流充电桩检测装置；结合维修技术人员操作过程中的需求，提出以模拟充电信号、充电效果测试作为研究方向的交流充电桩检测装置。基于以模拟充电信号、充电效果测试作为研究方向，本文设计研究一种便携的、轻型的、高效的交流充电桩检测装置，对于推动电动汽车充电基础设施建设具有现实意义。

1 设计思路

1.1 国内外电动汽车传导充电技术领域研究现状、水平和发展趋势分析

查阅国内外相关资料文献了解到，目前国内外交流充电桩故障检测的装置主要有：负载充电桩检测装置、一体式充电桩检测装置、移动式充电桩检测装置。

1.1.1 基于负载充电桩检测装置的分析

（1）功能现状：利用电动汽车作为负载，进行充电桩的检测分析；

（2）水平优势：准确检测充电桩的故障问题，进行故障分析排除；

（3）发展趋势技术难点：需要电动汽车作为负载进行检测条件，检测维修充电桩过程中需要利用电动汽车等问题。

1.1.2 基于一体式充电桩检测装置的分析

（1）功能现状：充电桩检测装置自带功能模拟模块，进行充电桩的检测分析；

（2）水平优势：很好地检测充电桩的故障问题，进行故障分析排除；

（3）发展趋势技术难点：

①因为配备了功能模拟模块，检测装置体积庞大；

②在充电桩检测过程中，存在需要的操作空间过大、操作繁琐等问题。

1.1.3 基于移动式的充电桩检测装置的分析

（1）功能现状：该检测装置采取充电插头的电流与电压，充电插头通过可调式非线性电阻与单片机连接，通过可调式非线性电阻连接电源给充电插头提供电源，所述单片机的通信口通过网线连接在交流充电桩的通信口，该单片机连接有通信模块与远程厂家通信进行充电桩的故障检测。

（2）水平优势：

①移动式检测装置，携带方便；

②避免了电桩厂家派专业人员到现场逐一查找故障的麻烦；

③采用箱体式的设计，体积较小，增加灵活度。

（3）发展趋势技术难点：

①需要厂家远程通信检测，通信讯号不能保障，不能确保故障解决情况；

②功能单一，不能保证准确率。

1.2 交流充电桩检测装置总体设计整体思路

本研究项目选择为充电桩生产安装调试，设计制作一种具有轻型化、操作简单、使用空间小等特点的交流充电桩检测装置。通过交流充电桩检测装置车辆充电插座、漏电保护开关、液晶显示屏、车辆充电启停开关、CP测试端、PE测试端、负载接口、铝合金面板的合理布局、设计，形成稳定的操作系统，在技术上具有可靠性，包括装置关键技术的设计。根据电动汽车交流充电工作原理，检测装置考虑到充电厂商、安装施工人员及电动汽车车主实际的充电需求，考虑操作简单智能化、产品性能安全化、装置轻量化、信息传递实时精确性、设备成本低、耐用的检测装置的总体结构和功能要求，并综合考虑安装现场具有辅助检测、维修、不同时间和空间情况下，交流充电桩检测装置的多样性和耐用性设备配置，确定交流充电桩检测装置整体系统设计方案和总体布置方案。

1.3 交流充电桩检测装置技术指标

根据交流充电桩检测装置总体设计整体思路，设计一种具有轻型化、操作简单、使用空间小等特点的交流充电桩检测装置需具备以下技术指标：

（1）指标一：交流充电桩检测装置的轻型化，以便于使用技术人员携带方便；

（2）指标二：交流充电桩检测装置的功能设计，适用于所有欧标交流充电桩；

（3）指标三：交流充电桩检测装置的使用空间小，以便于在狭窄空间简单快捷操作；

（4）指标四：交流充电桩检测装置的结构布局设计，原则上能符合行业交流充电桩检测装置功能要求，安全、耐用、精确及预留个性定制可扩展功能。

1.4 交流充电桩检测装置产品创新点

（1）解决社会汽车移动需求的痛点问题。

充电桩生产厂家组装好准备出厂的充电桩，需要进行充电测试，以预估充电桩售后企业维修人员在面对车主反馈车辆不能上电充电等故障情况。交流充电桩检测装置需具备轻型、操作简单、使用空间小的特征，以解决充电售后工程师应急外出，方便进行快速检测维修的问题。

（2）抓住关键电动汽车传导充电技术探索。

交流充电桩检测装置采用人性化手提把的箱体；安全防护锁、儿童安全防护门、高阻燃PC颗粒面板、短路保护、漏电保护等电气防护设计用于保护人身及设备安全；智能控制主板，采用大屏蓝膜全视角液晶屏，防水钻纹，人性化拉手等精细工艺；充电一键启动开关，负载五孔输出接口，预留可扩展更多功能电量累计、温度测试、交流电压、交流电流、时间计时、蓝牙数据监测等；操作简单，采用彩色电路，配置操作手册。

（3）提出轻型化与结构布局设计结合。

本项目所研究的是设计制作一种人性化手持式的交流充电桩检测装置，具有轻型化、操作简单、耐用、安全、精确等特点的交流充电桩检测装置，适用于所有欧标交流充电桩安装测试，采用人性化手持式交流充电桩检测装置，结合电动汽车传导充电连接装置通用要求，模拟车辆充电启停，充电一键启动功能，液晶显示屏各数值精确读取。

2 装置设计研究

2.1 交流充电桩检测装置的总体构形

交流充电桩检测装置总体构形基于技术指标一的需求：装置的轻型化，以便于使用技术人员携带方便。交流充电桩检测装置防护箱体由强韧、轻质的HPX树脂材质注塑而成，IP67防水等级，-40 ℃～99 ℃耐高低温，防撞击、防尘。定制EVA内衬，保护设备台面的同时，缓冲运输使用过程中的振动[3,4]、屏幕配备液晶显示屏、外观采用手提式设计。该总体构型的设计，便于装置的移动，使用过程中实现精确、安全、耐用；通过人性化手提式设计方便交流充电桩检测装置的操作。

2.2 交流充电桩检测装置的操纵机构

交流充电桩检测装置的操纵机构基于技术指标二：交流充电桩检测装置的功能设计，适用于所有欧标交流充电桩。该装置的操纵机构使用按钮方式，同时配备彩色充电桩电路、并配置有产品操作说明，实现装置的操作简单化，以利于维修技术人员快速操作。

2.3 交流充电桩检测装置的外形体积

交流充电桩检测装置的外形体积基于技术指标三：交流充电桩检测装置的使用空间小，以便于在狭窄空间内简单快捷操作。为方便交流充电桩检测装置检测操作，设计本装置总体结构小、形状合理，可实现装置便于在车辆没电不能挪车的情况下使用，在狭窄的空间内也可进行简单快捷的操作。外观设计如图1所示。

图1 充电桩检测装置外观设计图

2.4 交流充电桩检测装置的工艺设计

交流充电桩检测装置的面板设计基于技术指标四：交流充电桩检测装置的结构布局设计，原则上能符合行业交流充电桩检测装置功能要求，安全、耐用、精确及预留个性定制可扩展功能。交流充电桩检测装置的精工细节中采用PC颗粒面板、儿童安全防护门的设计、人性化拉手。

2.5 交流充电桩检测装置系统装调方案

根据电动汽车交流充电工作原理，检测装置考虑到充电厂商、安装施工人员及电动汽车车主实际的充电需求，考虑操作简单智能化、产品性能安全化、装置轻量化、信息传递实时精确性、设备成本低、耐用的检测装置的总体结构和功能要求，并综合考虑安装现场具有辅助检测、维修、不同时间和空间情况下，交流充电桩检测装置的多样性和耐用性设备配置，确定交流充电桩检测装置整体系统设计方案和总体布置方案。

3 控制原理

3.1 电动汽车传导充电用连接装置设计原理

根据电动汽车传导充电用连接装置《第2部分：交流充电接口GBT 20234.2—2015》，交流充电桩与电动汽车的充电模式选择典型控制导引电路。其充电模式3连接方式的电路原理图如图2所示。

图2 充电模式3连接方式B的典型控制导引电路原理图

电路原理图中，车辆控制装置通过测量检测点3与PE之间的电阻值来确认当前充电连接装置（电缆）的额定容量，是判断车辆插头与车辆插座是否完全连接的重要依据。

如表1所示，通过分析车辆接口S2开关连接检测点电压状态，判断车辆处于不同的工作状态。

表1 车辆接口连接检测点1电压状态

3.2 车辆接口连接状态各检测点及开关处于不同工作情况

交流充电桩检测装置模拟OFF状态，CC开关、S1开关、S2开关处于关闭状态，车辆与充电桩接口处于未连接状态；采取即插即用充电桩的使用方法，输入端电压接入市电，确保充电桩处于待机状态。将充电枪插头插入交流充电桩检测装置充电枪插座端，观察交流电压电流电显示屏电压电流情况，是否有220 V电压信号，是否有电流经过，10 A及16 A插座是否有电压，220 V工作指示灯是否点亮。车辆接口连接状态各检测点及开关处于不同工作情况如图3所示。

图3 车辆接口连接状态各检测点及开关处于不同工作情况

3.3 交流充电桩检测装置控制原理

本次设计研究的交流充电桩检测装置控制原理：闭合交流充电桩检测装置的S1开关，CP显示屏就会显示此时充电桩的CP电压值8.5 V～9.0 V，交流显示屏的显示值0 V；闭合交流充电桩检测装置的S2开关，CP显示屏就会显示此时充电桩的CP电压值5.5 V～6.0 V，交流显示屏的显示值220 V，交流充电桩检测装置内部的灯泡会变亮，这就说明充电桩能正常充电；断开S2开关，模拟器内部的灯泡会熄灭，CP显示屏就会显示充电桩的CP电压值为8.5 V～9.0 V，交流显示屏显示值为0 V；断开S1开关，CP显示屏就会显示充电桩的CP电压值为顶部流显示屏显示值为0 V。交流充电桩检测装置控制原理如图4所示。

图4 交流充电桩检测装置控制原理电路图

3.4 交流充电桩检测装置尺寸布局

本次研究设计的交流充电桩检测装置面板布局采用简约设计。设计交流充电桩枪端相匹配的插口，并呈现在一个面板上，方便维修技术人员连接设备。交流充电桩检测装置面板设计如图5所示。

图5 充电桩检测装置面板布局图

4 结论

随着电动汽车的普及，持续推进新能源汽车充电设施建设，可有效促进新能源汽车在市场上的进一步发展和推广。统筹规范充电设施管理，更好地促进充电设施产业的发展。本文设计一种电动汽车交流充电桩检测装置，设计交流充电桩检测装置采用人性化手提把的箱体；安全防护锁、儿童安全防护门、高阻燃PC颗粒面板、短路保护、漏电保护等电气防护设计用于保护人身及设备安全；智能控制主板，采用大屏蓝膜全视角液晶屏、防水钻纹、人性化拉手等精细工艺；充电一键启动开关，负载五孔输出接口，预留可扩展更多功能电量累计、温度测试、交流电压、交流电流、时间计时、蓝牙数据监测等；操作简单，采用彩色电路以及配置操作手册。该交流充电检测装置适用于所有欧标交流充电桩安装测试，采用人性化手持式交流充电桩检测装置，结合电动汽车传导充电连接装置通用要求，模拟车辆充电启停，充电一键启动功能，液晶显示屏各数值精确读取。设计该交流充电桩检测装置，能够让交流充电桩技术人员在维修过程中操作简单、方便、安全、精确等。

通过深入研究电动汽车充电桩检测的国家标准、检定规程后，切入实际设计了一款综合型的电动汽车充电桩检测装置，使维修技术人员在充电桩检测维修过程中有效节省充电桩安装、排故中所需要的时间，极大地提高了解决问题的效率。

[1] 陈旻，王会先. 储能充电站运维一体化运营模式[J]. 中国电力企业管理，2018(13): 68-71.

[2] 任春香. 充电桩能力验证对新能源领域检验检测技术支撑的研究[J]. 环境技术，2020，38(5): 20-23.

[3] GB/T 20234.1—2015电动汽车传导充电连接装置第1部分通用要求[S]. 北京: 中国标准出版社，2015.

[4] GB/T 20234.2—2015电动汽车传导充电连接装置第2部分交流充电接口[S]. 北京: 中国标准出版社，2015.

Design and Research of Detection Device for AC Charging Pile of Electric Vehicle

In recent years, with the rapid popularization of new energy vehicles, the demand for new energy vehicle charging facilities has also risen sharply. However, during the installation and use of the charging pile, there will be abnormal charging and other faults. The maintenance of the charging pile urgently needs an AC charging pile detection device with the characteristics of lightweight, simple operation, small use space and easy to carry, so as to solve the problems such as faults in the charging process of the charging pile. The AC charging pile detection device is of great significance in solving the fault problems in the charging process of the AC charging pile. A portable, portable and accurate AC charging pile detection device can effectively save the time required for the installation and troubleshooting of the charging pile, and greatly improve the efficiency of solving the problems. In this paper, the design and research of a portable, light and efficient AC charging pile detection device has practical significance for promoting the construction of electric vehicle charging infrastructure.

electric vehicle; AC charging pile; detection device

TM91

A

1008-1151(2022)11-0053-04

2022-08-22

2022 年度广西高校中青年教师科研基础能力提升项目“一种交流充电桩检测装置设计与研究”（2022KY1348）。

赖德鹏（1990－），男，广西灵山人，广西电力职业技术学院专任教师，工程师，研究方向为新能源汽车技术、智能网联汽车技术。