王嬌嬌，竇汝鵬，李 川

（中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

純電動汽車具有高效、節(jié)能、終端零排放等特點，是解決當(dāng)前能源危機(jī)、環(huán)境污染以及溫室效應(yīng)的重要途徑。自2015年起，隨著各項國標(biāo)的修訂及各項政策的鼓勵，新能源汽車產(chǎn)業(yè)迎來發(fā)展過程中的高峰期。新能源汽車帶著“綠色環(huán)?！钡臉?biāo)簽走進(jìn)萬千大眾的視野中，在對新能源汽車的出現(xiàn)眼前一亮的同時，消費者心中對新能源汽車的充電便利性存在一些疑慮。近年來，隨著電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，充電兼容性［1］問題漸漸成為影響充電便利性的主要因素［2］。

電動汽車充電方式分為交流充電和直流充電兩種。交流充電是將電網(wǎng)的交流電經(jīng)過車輛的車載充電機(jī)傳遞到車輛的電池端；直流充電是非車載充電機(jī)將電網(wǎng)的交流電轉(zhuǎn)換為直流電然后傳遞到車輛的電池端。影響交流充電的原因主要是車輛及交流充電樁的時序設(shè)計，而直流充電部分除了車輛及非車載充電機(jī)的時序設(shè)計外，兩者之間在充電過程中的通信也會影響充電的兼容性。在實際使用時，經(jīng)常會出現(xiàn)無法通信、可以通信但是無法充電、充電過程中燒毀器件以及結(jié)束充電時響應(yīng)不及時等幾類問題。上述問題為何出現(xiàn)，該如何進(jìn)行有效排查和解決，以及如何去規(guī)避這些問題都會影響消費者對新能源汽車的直觀感受。

本文圍繞直流充電功能，結(jié)合目前充電兼容存在的問題，設(shè)計了一套完整的測試方案，并對該方案進(jìn)行了驗證測試，分析了充電兼容性問題出現(xiàn)的主要原因，結(jié)合GB/T 18487.1—2015［3］及GB/T 27930—2015［4］給出了相應(yīng)的解決方案，為促進(jìn)電動汽車與充電樁的充電兼容性提供了技術(shù)支持。

1 常見問題研究及測試方案設(shè)計

1.1 電動汽車充電問題研究

目前電動汽車在充電時的常見問題可以分為以下幾類：①通信異常：本研究將該問題主要分為兩種，一種是無法進(jìn)行通信，主要表現(xiàn)是將車輛與充電樁完全連接后啟動充電，無任何通信數(shù)據(jù)產(chǎn)生；另外一種是充電過程中車輛與充電樁之間的通信進(jìn)行到某一階段無法繼續(xù)進(jìn)行，從而導(dǎo)致充電失敗。②輸出異常：輸出異常與通信異常最大的區(qū)別在于輸出異常的情況下，車輛與充電樁之間的通信可以正常完整地進(jìn)行且充電電壓正常，但是充電電流一直是0。③充電過程燒毀器件：這種現(xiàn)象在充電啟動階段及充電過程中均有發(fā)生，用戶在公用充電樁進(jìn)行充電時，按照正常操作啟動充電的時候，車輛內(nèi)某個元器件突然損壞導(dǎo)致車輛無法正常使用。④充電結(jié)束階段響應(yīng)不及時：當(dāng)車輛充電時，用戶在充電樁側(cè)進(jìn)行刷卡結(jié)束的操作，充電樁不響應(yīng)；除此之外，部分有按照充電時間、充電金額及充電電量結(jié)束充電功能的充電樁，在對上述功能進(jìn)行設(shè)定后，達(dá)到設(shè)定條件充電未結(jié)束。

針對上述問題，設(shè)計了一套試驗室測試方案和現(xiàn)場測試方案，對車輛和充電樁在充電過程中出現(xiàn)的各個問題進(jìn)行分析研究，旨在通過該測試方案找出其主要原因，為后續(xù)的改進(jìn)提供明確的方向。

1.2 測試方案的設(shè)計與實現(xiàn)

采集充電數(shù)據(jù)是分析車輛與充電樁充電過程中最基本的工作。除此之外，為了詳細(xì)分析上述問題，本研究的設(shè)計思路是在排查車輛的問題時假定充電樁的通信和時序完全符合GB/T 27930—2015和GB/T 18487.1—2015，然后去和車輛進(jìn)行充電匹配測試，記錄是否還會出現(xiàn)上述問題。同樣在排查充電樁的問題時，假定車輛的通信和時序完全符合GB/T 27930—2015和GB/T 18487.1—2015，然后去和充電樁進(jìn)行充電匹配是否還會出現(xiàn)上述問題。基于上述考慮，設(shè)計了一套試驗室測試方案，原理如圖1所示。

測試系統(tǒng)由電源模塊、控制器、通信數(shù)據(jù)采集部分、時序波形采集部分、負(fù)載以及上位機(jī)組成。由電源模塊模擬充電樁，通過控制器控制輸出電流與輸出電壓；通信數(shù)據(jù)采集部分用來模擬充電樁的通信模塊與車輛進(jìn)行通信以及車輛的通信模塊與充電樁進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，也是由控制器對其通信數(shù)據(jù)進(jìn)行控制；控制器的作用是對充電整個過程的通信及充電參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制；時序波形采集部分由功率計和示波器兩部分組成，用來采集充電過程中的電壓、電流及功率等參數(shù)；負(fù)載則是在測試充電樁時模擬車輛對充電樁的輸出電量進(jìn)行消耗，上位機(jī)對整個過程進(jìn)行控制及數(shù)據(jù)的采集等。

在對車輛進(jìn)行測試時，用到的是圖1中的中間部分和左半部分，右半部分連接的是電動汽車；在對充電樁進(jìn)行測試時，左側(cè)連接的是充電樁。整個測試過程通過控制器對其中的時序和通信情況進(jìn)行控制和調(diào)節(jié)，并模擬充電中的各種問題來判斷車輛與充電樁的性能。

該方案的設(shè)計思路是由設(shè)備代替車輛或者充電樁，而在實際情況下，充電樁及車輛的情況不盡相同，為完善測試方案，本研究還設(shè)計了一套用于現(xiàn)場車樁充電匹配測試的方案，該測試系統(tǒng)相比圖1所示系統(tǒng)較為簡易。由于是測試車輛和充電樁的匹配充電，很多情況無法進(jìn)行人為設(shè)定，所以在本研究中，對于車樁的充電匹配測試，只是測試車輛與充電樁進(jìn)行匹配時是否可以正常充電，并對該過程中的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集分析，若是可以充電，分析其是否會有潛在影響充電兼容與安全性的問題存在；若是無法充電，找出原因，判斷該問題是由車輛還是充電樁導(dǎo)致。圖2中，DC+、DC-分別為直流電源正極和負(fù)極，PE為搭鐵線，CC1、CC2分別為非車載充電機(jī)連接確認(rèn)及車輛連接確認(rèn)信號，S+、S-為充電通信信號，A+、A-為低壓輔助電源的正極和負(fù)極；圖2中標(biāo)注的信號均可以通過測試設(shè)備采集。

圖1 電動汽車與充電樁國標(biāo)符合性測試原理圖

圖2 車樁匹配充電測試原理圖

2 測試方案驗證與分析

本研究選取市場上的主流車型10余輛，主流充電樁10余臺，對其進(jìn)行了試驗室的測試和現(xiàn)場的實車實樁測試，并對充電過程中發(fā)生的各種問題的原因進(jìn)行了分析總結(jié)。

2.1 報文問題

1） 通信過程中出現(xiàn)非標(biāo)準(zhǔn)的報文。如圖3所示，判斷車輛充電過程是否采用非標(biāo)報文，主要是通過幀ID，GB/T 27930—2015規(guī)定充電過程中充電機(jī)的地址為56H，車輛BMS的地址為F4H。此問題主要發(fā)生在電動客車上，電動客車在充電時較多使用其固定專用充電樁，其充電過程中的通信使用的是與專用充電樁的特殊協(xié)議，若一直使用專用充電樁進(jìn)行充電，該情況不會對車輛使用有影響，但是一旦這些車輛在公共充電區(qū)進(jìn)行充電，往往會充電失敗，非標(biāo)協(xié)議嚴(yán)重影響了這些車輛與市面上主流充電樁之間的充電互聯(lián)互通，對該車型的推廣使用非常不利。除了使用非標(biāo)報文外，還有一種情況可以歸為此大類中，就是車輛在設(shè)計時未按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求將充電機(jī)與BMS的通信使用獨立于動力總成控制系統(tǒng)之外的CAN接口，從而導(dǎo)致充電的通信報文除了BMS與非車載充電機(jī)2個節(jié)點的數(shù)據(jù)之外還存在其他節(jié)點的報文，這些報文是車內(nèi)的其他節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)交互的部分，這些信息的存在也是不符合GB/T 27930—2015規(guī)定的。

圖3 測試報文截圖

2）BMS與非車載充電機(jī)之間通信報文的周期、字節(jié)長度及填充內(nèi)容等不符合GB/T 27930—2015的規(guī)定。該問題主要存在于新標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布初期，各廠家對標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)注及理解不盡全面，尤其是對標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的填充問題，不能明確區(qū)分字節(jié)與位的概念，導(dǎo)致對標(biāo)準(zhǔn)中未規(guī)定的位按照字節(jié)的方式進(jìn)行填充而出現(xiàn)問題。該問題屬于一般問題，由于充電樁與車輛在實際充電時，一般只檢測相關(guān)參數(shù)的字節(jié)內(nèi)容，對于報文的周期與字節(jié)長度不去檢測，所以該問題對實際充電的影響比較小。但是在該類問題中有一個報文較為特殊，即CCS報文，在2011版的標(biāo)準(zhǔn)中，CCS為6個字節(jié)長度，而2015版的標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定CCS為8個字節(jié)長度，其中多出的2個字節(jié)分別為“充電允許位”與預(yù)留位，現(xiàn)有充電樁有一部分在新老標(biāo)準(zhǔn)的更新時忽略該報文，導(dǎo)致CCS字節(jié)長度仍為6位，若車輛在充電過程中不檢測該字節(jié)長度，不會影響正常充電，但是在異常情況下無法暫停充電，存在安全隱患。

2.2 時序問題

1）充電樁的絕緣檢測電壓未按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求進(jìn)行。GB/T 18487.1—2015中規(guī)定“非車載充電機(jī)絕緣檢測時輸出電壓應(yīng)為車輛通信握手報文內(nèi)的最高允許充電總電壓和供電設(shè)備額定電壓值中的較小值”，在實際測試過程中，充電樁的絕緣檢測部分并沒有完全按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，該問題主要是由于部分BMS發(fā)出的車輛允許充電最大電壓錯誤，有發(fā)0的，有最大允許電壓后面還小于實際需求電壓的，所以充電樁在做兼容的時候忽略車輛發(fā)出最大允許充電電壓。某一充電樁充電過程的波形圖如圖4所示，其中紅色的波形代表整個充電過程中的電壓。充電過程中，充電電壓不大于車輛通信握手報文內(nèi)的最高允許充電總電壓和供電設(shè)備額定電壓值，此充電樁的主要問題在于其絕緣檢測電壓值低于充電電壓，即低于車輛通信握手報文內(nèi)的最高允許充電總電壓和供電設(shè)備額定電壓值，這種情況的絕緣檢測對于整個充電過程來說毫無意義；除了這種情況的絕緣檢測外，還有一種情況，充電樁只根據(jù)自身模塊進(jìn)行絕緣檢測，不考慮車輛的耐壓能力，這種情況易損壞車內(nèi)的元件，導(dǎo)致充電失敗，波形如圖5所示。

圖4 A車型與A型充電樁充電過程時序圖

圖5 B車型與B型充電樁充電過程時序圖

2）預(yù)充電的錯誤。預(yù)充電的時候，車端開始發(fā)過來的電壓不是當(dāng)前電池電壓，而是固定的電池額定電壓，就導(dǎo)致實際充電的時候充電機(jī)按照BMS先發(fā)來的電壓抬升電壓，準(zhǔn)備吸合繼電器之前，發(fā)現(xiàn)繼電器內(nèi)外側(cè)電壓差超過10 V，導(dǎo)致充電樁無法正常閉合K1K2，無法進(jìn)入正常充電的流程。此問題的出現(xiàn)是由于車輛未完全按照國家標(biāo)準(zhǔn)的要求進(jìn)行設(shè)計，若充電樁忽略此部分的判斷直接進(jìn)行充電，會導(dǎo)致在K1K2閉合時對車輛有一個較大的沖擊，容易毀壞車內(nèi)部件，造成經(jīng)濟(jì)損失。

2.3 功能問題

1）測試樣品低壓輔助供電回路12 V系統(tǒng)與24 V系統(tǒng)并存。GB/T 18487.1—2015中明確規(guī)定低壓輔助供電回路電壓為12 V，目前許多電動客車仍采用24 V的低壓供電系統(tǒng)，導(dǎo)致充電樁在設(shè)計的時候考慮對上述客車進(jìn)行兼容而保留12 V與24 V兩種電壓供電系統(tǒng)。兩種系統(tǒng)的切換方式大部分采用手動切換，而實際操作時容易忽略該功能，在24 V系統(tǒng)大巴車充電結(jié)束后切換不及時，12 V的系統(tǒng)車輛充電時造成安全隱患，這屬于嚴(yán)重問題。除此之外，在實際測試過程中出現(xiàn)24 V的低壓系統(tǒng)會影響充電過程中檢測點1的電壓值，如果程序處理不妥當(dāng)，會導(dǎo)致連接狀態(tài)的異常，從而使充電失敗。

2）電子鎖的使能功能。目前市面上大部分充電樁都可以人為設(shè)定車輛插頭上的電子鎖是否正常作用。該功能存在的主要目的在于預(yù)留車輛插頭的電子鎖應(yīng)急解鎖功能，但是若在充電過程中忘記設(shè)定該功能，會出現(xiàn)帶電插拔的情況，存在安全隱患。

2.4 其他問題

還有一些由于車輛與充電樁為了兼容而放寬的現(xiàn)象，例如有的車輛與充電樁對于多包的報文不去檢測，還有一些車輛與充電樁廠家，在新老標(biāo)準(zhǔn)的交替中，對于標(biāo)準(zhǔn)的理解不盡全面，GB/T 27930—2011對于整個的充電流程規(guī)定得較為寬泛，GB/T 27930—2015中對于充電過程中的4個階段都進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定。

3 小結(jié)及建議

1）本文針對電動汽車直流充電系統(tǒng)分析了充電過程中的常見問題，結(jié)合這些問題設(shè)計了一套完整的試驗室測試方案及現(xiàn)場車樁充電測試方案。

2）選取主流車型及充電樁對測試方案進(jìn)行了驗證，并結(jié)合測試結(jié)果對問題產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分類整理，通過分析可以看出這些問題的出現(xiàn)有的是由于設(shè)計過程中對于國標(biāo)的理解不盡全面，有的是由于考慮充電兼容性而忽略標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)要求，放寬要求導(dǎo)致車輛雖然可以充電但是存在安全隱患。

3）基于上述分析可以發(fā)現(xiàn)，充電失敗及元器件損壞的主要原因在于車輛及充電樁未完全按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計，導(dǎo)致在充電過程中的通信異常和參數(shù)異常的發(fā)生，從而導(dǎo)致車輛充電失敗及損壞。該問題可以通過整改車輛及充電樁的設(shè)計使其符合國標(biāo)的規(guī)定來避免再次發(fā)生。

4）后續(xù)工作需要進(jìn)一步研究標(biāo)準(zhǔn)中未詳細(xì)說明的部分，細(xì)化充電兼容性的影響因素，提出一套在符合國標(biāo)范圍內(nèi)兼容性較好的方案，為電動汽車的充電互聯(lián)互通提供更多的數(shù)據(jù)參考及技術(shù)支持。

［1］ 賀春，陳卓，馮瑾濤，等.電動汽車充電安全分析與解決方案［J］.供用電， 2017，34（1）：12-18.

［2］ 張萱，董晨，李旭玲.電動汽車非車載充電機(jī)國際標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵參數(shù)驗證設(shè)計［J］.電測與儀表，2015（11）：124-128.

［3］ GB/T 18487.1—2015，電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第1部分：通用要求［S］.

［4］ GB/T 27930—2015，電動汽車非車載傳導(dǎo)式充電機(jī)與電池管理系統(tǒng)之間的通信協(xié)議［S］.