电动汽车充电设施检测技术及故障分析

电动汽车充电设施检测技术及故障分析

景琦吴冬张建东张亚萍宋波何晶

(天津平高智能电气有限公司天津300300)

摘要：大力发展电动汽车是国家的政策，与之配套的充电设施也正在大规模建设。电动汽车的充电设施分为交流充电桩和直流非车载充电机等，一般统称充电桩。针对充电桩开展各项检测工作也是各级质检、计量、科研机构关注的热点。充电桩检测一般分为实验室检测和现场检测，侧重点各有不同。文章提出了充电设施的检测技术以及在现场中的应用，并且对现场检测中常见的故障进行了分类和分析；同时，针对充电设施检测的电性能、互操作和协议一致性测试进行了论述，并提出了测试方案。

关键词：电动汽车；电动汽车充电设施；互操作；测试平台

充电设施是电动汽车产业的重要组成部分，我国对此高度重视。近几年来，陆续出台了多个指导性文件，有力地推动了充电设施的建设和发展。文献对中国电动汽车充电基础设施政策进行了解读和展望。其中国务院办公厅在2015年9月印发《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），国家发展和改革委员会、能源局、工信部、住建部四部委在2015年10月印发《电动汽车充电基础设施发展指南（2015—2020年）》（发改能源〔2015〕1454号）。这2份文件建立了我国充电基础设施发展顶层设计框架，起到了巨大推动作用。我国在2015年发布5项新标准，2017年发布2项新标准，对充电桩的电气性能、互操作及通信规约进一步做出了详细规定，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。

目前电动汽车充电设施主要包括电动汽车充电桩和电动汽车充电站。随着行业的发展，目前充电设施也面临一系列问题：一是充电设施故障较多，造成不能顺利充电，甚至完全无法充电；二是由于历史原因造成存在新旧两种标准的充电设施，不能兼容所有车型；三是充电设施质量参差不齐，存在各类安全隐患。另一方面，维护压力也与日俱增。因此，必须开展充电设施检测，以规范产品，促进行业发展。文献提出了充电设施检测平台及相应的检测方法。

1.充电设施检测技术

充电设施主要分为交流充电桩和非车载充电机（也称直流充电桩），交流充电桩通过电动汽车交流充电接口，用车载充电机给电动汽车充电。非车载充电机通过电动汽车直流充电接口与电动汽车电池管理系统（BMS）通信，直接对动力电池充电。2种充电设施的检测设备与方法并不相同。检测系统可完成对直流非车载充电机、交流充电的电性能、互操作性及通信协议一致性的测试。检测系统主要包括：交流电源、直流接口模拟器、直流负载、电池模拟器、交流接口模拟器、交流负载、示波器、功率分析仪等设备。根据被测对象的不同，分为非车载充电机检测和交流充电桩检测两类。

1.1 非车载充电机检测

可对非车载充电机的电性能、互操作性和通信协议一致性进行测试。检测中采用的主要设备包括：交流电源、直流充电模拟器、直流负载、电池模拟器、示波器和功率分析仪等。本文中，被测非车载充电机的最大功率为240kW。①交流电源。交流电源给非车载充电机供电，用于模拟电网，测试非车载充电机的输入性能。可以产生谐波、暂降、暂升、瞬时中断等各种异常及干扰，测试非车载充电机的各项参数指标是否满足要求。需要满足非车载充电机最大功率测试要求。为满足240 kW非车载充电机的检测要求，所选用的可编程交流电源为300 kVA，三相独立带载，满足充电机的带载要求，具备2倍的额定电流冲击能力。②直流充电模拟器。直流充电模拟器由直流车辆电路模拟电路、绝缘电阻模拟电路、车辆BMS模拟模块组成。用来模拟电动汽车的直流充电接口及车载BMS通信。原理见图2。直流充电模拟器可实现非车载充电机电性能、互操作及通信协议一致性检测的全部内容，整个系统中的核心设备。直流充电模拟器需要满足下列要求：a、配置250A标准充电桩接口：DC+、DC-、PE、S+、S-、CC1、CC2、A+、A-，对应回路设有通断开关，Q1–Q9，可实现各路故障仿真、各回路通断故障模拟。b、R3、R4电阻阻值500～2999Ω连续可调。c、DC+与PE之间通过Q17和绝缘模拟电阻进行绝缘故障仿真；DC-与PE之间通过Q18和绝缘模拟电阻进行绝缘故障仿真。绝缘电阻阻值10～600 kΩ。D、车辆BMS模拟软件可通过CAN接口与被测非车载充电机通信，可模拟电池包需求状态及通信故障等。e、DC+、DC-的断点开关定义为K1/K2，实现绝缘检测时闭合，进入充电状态时闭合，其他条件及桩故障时断开。③直流负载和电池模拟器。直流负载和电池模拟器组合使用，可以模拟电动汽车动力电池电压和电流功率特性以及充电全过程，对非车载充电机进行带载检测。工作模式包括恒压、恒流、恒功率等模式。根据非车载充电机的检测要求，直流负载可以实现恒压、恒流模式下的无级调节，满足GB/T 34657.1—2017《电动汽车传导充电互操作性测试规范 第1部分：供电设备》“D0.4103输出电流调整时间”和“D0.5101输出电流停止速率”的要求。

1.2 交流充电桩检测

可对交流充电桩的电性能、互操作性进行测试。被测设备的功率不低于45 kW。检测中采用的主要设备包括：交流电源、交流充电模拟器、交流负载、示波器和功率分析仪等。本文中，被测交流充电桩的最大功率为45 kW，并可进行1.1倍过载测试。①交流电源。交流电源给交流充电桩供电，用于模拟电网，测试交流充电桩的输入性能。可以产生谐波、暂降、暂升、瞬时中断等各种异常及干扰，测试交流充电桩的各项参数指标是否满足要求。为满足45 kW交流充电桩的检测要求，所选用的可编程交流电源为50 kVA三相独立带载，满足带载要求，具备2倍的额定电流冲击能力。②交流充电模拟器。交流充电模拟器由交流车辆电路模拟电路漏电流模拟电路组成。R1、R2、R3、RC电阻连续可调，可模拟各开关的通断。交流充电模拟器可实现交流充电桩电性能、互操作测试的全部内容，属于核心设备。

2.检测过程中常见故障

电动汽车充电设施比传统的工业设备更加复杂，并且直接或者间接与百姓生活相关。由于我国充电设施技术标准在发展的初期还不够完善，在车辆接口兼容性、充电过程安全等方面还存在差距，因此非常有必要对充电桩开展全面的定期检测检测。检测项目一般依据相关的国家和行业标准。

2.1 检测项目

可完成的测试项目简述如下，由于项目均在标准中可以查询，不再一一列举。①交流充电桩通用电性能测试项目：包括带载分合电路试验、连接异常试验等9项。其中带载分合电路试验和过流保护功能试验需要和大功率交流负载配合使用。②交流充电桩互操作性测试项目：包括连接确认测试、充电准备就绪测试等12项。其中输出过流测试目需和大功率交流负载配合使用。③非车载充电机通用电性能测试项目：包括输出电压误差试验、输出电流误差试验、冲击电流试验等25项。④非车载充电机传导充电互操作性测试：包括连接确认测试、自检阶段测试、控制导引电压限值测试等19项。输出电流控制误差测试、输出电流调整时间测试、输出电流停止速率测试需要需交流电源和直流负载配合使用。⑤非车载充电机通信协议一致性测试：包括低压辅助上电及充电握手阶段、充电参数配置阶段、充电阶段、充电结束阶段等。在开展现场检测时，由于受现场条件和检测时间所限，上述检测项目中会进行部分裁剪。

2.2 常见故障

①由于充电设施是一个比较复杂的装置，充电工作高度依赖软件。但是由于各厂家对标准理解不同，实现的具体方式不尽相同，因此就造成了软件问题普遍存在，这就需要生产厂家加强对标准的理解，严格按照标准执行②自身硬件问题。出现了泄放电阻、电子锁、充电模块的问题。这就需要厂家提高产品质量。

参考文献：

［1］中国电力企业联合会．电动汽车传导充电系统通用要求：GB/T18487.1—2015［S］．北京：中国标准出版社，2015.

［2］中国电力企业联合会．电动汽车传导充电用连接装置通用要求：GB/T20234.1—2015［S］．北京：中国标准出版社，2015.

［3］中国电力企业联合会．电动汽车传导充电用连接装置交流接口：GB/T20234.2—2015［S］．北京：中国标准出版社.