申永鵬，葛高瑞，馮建勤，牛運晨，陳進陽

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電動汽車交直流充電控制導引系統(tǒng)設計

申永鵬1，2，葛高瑞1，馮建勤1，2，牛運晨1，陳進陽3

(1.鄭州輕工業(yè)學院電氣信息工程學院，河南 鄭州 450002；2.河南省信息化電氣重點實驗室，河南 鄭州 450002；3.陜西有色天宏瑞科硅材料有限責任公司，陜西 榆林 719200)

電動汽車充電接口與充電設備的可靠連接是電動汽車的基本功能要求。針對現有電動汽車傳導充電系統(tǒng)交直流充電控制導引電路兼容性差、不能高可靠實現掉電數據保存以及高待機功耗等問題，首先分析了《GB/T 18487.1-2015：電動汽車傳導充電系統(tǒng)第1部分：通用要求》關于交直流充電控制導引的要求。然后分別設計了控制導引系統(tǒng)的電源喚醒及自鎖電路、CC/CC2電阻檢測電路和CP信號處理電路，在此基礎之上設計了相應的交流充電控制導引流程和直流充電控制導引流程。最后，針對某輕型電動貨車進行了交直流充電控制接口導引測試，測試結果表明，所設計的電動汽車傳導充電系統(tǒng)交直流充電控制導引電路及其控制方法滿足國家標準要求，同時具有可實現高可靠性掉電數據保存、低待機功耗等優(yōu)點。

電動汽車；交流充電；直流充電；控制導引

0 引言

能源短缺、環(huán)境污染是我國經濟可持續(xù)發(fā)展所面臨的嚴重挑戰(zhàn)，發(fā)展綠色交通勢在必行[1-2]?！凹冸婒寗印笔俏覈嚠a業(yè)發(fā)展的戰(zhàn)略導向，近年來我國電動汽車產業(yè)發(fā)展迅速[3-4]，滿足國家標準要求、同時又能兼容交流充電模式與直流充電模式的高可靠性充電控制導引系統(tǒng)是電動汽車的基本功能要求。

電動汽車傳導充電系統(tǒng)交直流充電控制導引系統(tǒng)是電動汽車和交直流充電機進行充電連接、確認和信息傳輸的橋梁，是保證車輛進行安全、可靠、高效充電的重要保障[5-6]?，F有的充電控制導引電路及控制方法具有以下特征：(1) 采用微控制器實時監(jiān)測車輛插頭與車輛插座是否連接[7]，由于微控制器一直工作于檢測狀態(tài)，系統(tǒng)待機功耗較高；(2) 充電結束或者車輛鑰匙的開關由 ON切換至OFF時，車輛控制器直接掉電或者采用超級電容延時掉電，無法高可靠性的實現掉電數據保存[8]；(3) 交流和直流充電控制導引電路獨立設計，兼容性較差。

《GB/T18487.1-2015電動汽車傳導充電系統(tǒng)第1部分通用要求》中對電動汽車充電系統(tǒng)的基礎性、通用性、安全性進行了規(guī)定[9]，是電動汽車傳導充電系統(tǒng)交直流充電控制導引的指導文件。本文立足國家標準規(guī)定，針對現有充電控制導引電路及控制方法存在的不足，設計了一種用于電動汽車交直流充電控制導引電路及控制方法。該交直流充電控制導引電路由電源喚醒及自鎖電路、CC/CC2電阻檢測電路、CP信號處理電路和微控制器四部分構成，其電路設計具有待機功耗低、可高可靠性實現延時掉電、兼容交直流充電控制導引和車輛正常行駛導引、無機械觸點、壽命長等優(yōu)點。針對某輕型電動貨車的實驗結果表明，所設計的電動汽車傳導充電系統(tǒng)交直流充電控制導引電路及其控制方法滿足國家標準要求，同時具有可實現高可靠性掉電數據保存、低待機功耗等優(yōu)點。

1 交直流充電控制導引電路國標要求

根據《GB/T 18487.1-2015：電動汽車傳導充電系統(tǒng)第1部分：通用要求》要求[10]，當交流充電系統(tǒng)工作于如圖1所示的“充電模式2、連接方式B”時，充電控制導引電路的工作流程如下：(1) 車輛控制裝置測量檢測點2有無12 V CP信號。如有則標志著車輛插頭與車輛插座已連接，控制導引電路激活進入工作狀態(tài)；如無，則控制導引電路處于待機狀態(tài)[8]。(2) 車輛控制裝置通過測量檢測點3與PE之間的電阻值來判斷車輛插頭與車輛插座是否完全連接。半連接時，S3斷開，檢測點3與PE之間的電阻為RC+R4；完全連接時，S3處于閉合狀態(tài)，檢測點3與PE之間的電阻值為RC。(3) 供電控制裝置通過測量檢測點1的電壓判斷R3是否接入，如R3接入則延時一定時間，將S1切換至PWM輸出狀態(tài)。(4) 車輛檢測裝置通過測量檢測點2的PWM信號，判斷充電裝置是否已經完全連接。如完全連接，則閉合開關S2，車輛進入準備就緒狀態(tài)。(5) 供電控制裝置通過進一步測量檢測點1的電壓判斷車輛是否進入準備就緒狀態(tài)，如已進入就緒狀態(tài)，則閉合K1、K2，交流供電回路導通[11]。(6) 車輛控制裝置通過測量檢測點2的PWM信號占空比確認供電設備的最大供電能力，并以此確定車載充電機的輸出電流，啟動充電過程[9]。

圖1 交流充電：充電模式2、連接方式B

根據《GB/T 18487.1-2015：電動汽車傳導充電系統(tǒng)第1部分：通用要求》要求，當系統(tǒng)工作于圖2所示的直流充電系統(tǒng)時，直流充電模式充電控制導引系統(tǒng)工作流程如下：(1) 操作人員對非車載充電機進行設置后，非車載充電機控制器通過測量檢測點1的電壓判斷R2是否接入、開關S是否可靠閉合，進而判斷車輛接口是否完全連接[12]。(2) 車輛接口完全連接后，非車載充電機控制器閉合K3和K4，12 V低壓輔助供電回路導通，車輛控制器接收到該12 V 低壓輔助供電，進入工作模式，并通過測量檢測點2的電壓，判斷電阻R3是否可靠接入(車輛接口是否可靠連接)。同時，非車載充電機控制器周期性的發(fā)送握手報文。(3) 握手成功后，進入充電報文配置階段，車輛控制器閉合K5、K6，使充電回路導通；非車載充電機控制器檢測到動力電池端電壓無誤后，閉合K1、K2，進入充電階段。(4) 充電階段相關信息由CAN總線報文進行傳輸[9]。

圖2 直流充電系統(tǒng)

本文依據《GB/T 18487.1-2015：電動汽車傳導充電系統(tǒng)第1部分：通用要求》設計的交直流充電控制導引電路由電源喚醒及自鎖電路、CC/CC2電阻檢測電路、CP信號處理電路和微控制器四部分構成。電源喚醒及自鎖電路通過5 V電源、I/O_2、I/O_3、I/O_4、I/O_5信號與微控制器的通用輸入輸出端口相連，通過“WAKEUP_CP”信號和CP信號處理電路相連；CC/CC2電阻檢測電路通過“AD_0”信號和“AD_1”信號與微控制器的模擬信號采集端口相連；CP信號處理電路通過“CP_ PWM”信號與微控制器的PWM檢測端口相連，通過“CP_ACK”信號與微控制器的通用輸入輸出端口相連，通過“WAKEUP_CP”信號與電源喚醒及自鎖電路相連，控制導引電路由整車12 V?；鸸╇?，由“WAKEUP_ON”、“WAKEUP_DC”、“CP”三種喚醒信號中的任意一種信號喚醒，三種喚醒信號分別接整車的12 V ON檔信號、非車載直流充電裝置的12 V低壓輔助電源信號和交流充電功能盒輸出的CP信號[9]。其電路原理圖如圖3所示。

圖3 交直流充電控制導引電路結構圖

2 交直流充電控制導引系統(tǒng)硬件設計

根據《GB/T 18487.1-2015：電動汽車傳導充電系統(tǒng)第1部分：通用要求》的要求，本文設計了電動汽車交直流充電控制導引系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件電路由電源喚醒及自鎖電路、CC/CC2電阻檢測電路、CP信號處理電路及微控制器四部分構成，該電路系統(tǒng)的設計將交流充電控制導引電路與直流充電控制導引電路設計于一體，具有較高的兼容性[13]。

2.1 CP信號處理電路

CP信號處理電路用于交流充電時，對交流充電功能盒輸出的CP信號進行處理。其電路原理圖如圖4所示。當車輛插頭和車輛插座連接時后，根據《GB/T 18487.1-2015》的要求，該信號可由圖1中的S1開關可在12 V電壓輸出和PWM信號輸出兩種狀態(tài)間切換。①當車輛插頭和插座剛連接時，CP信號為12 V電壓輸出，CP信號經R21=240 Ω和R22=220 kΩ分壓后，Q4得到略小于12V的柵極電壓進而導通，A點(即Q3柵極)電壓接近于0，Q3導通，進而B點“WAKEUP_CP”信號變?yōu)?2 V，12 V的“WAKEUP_CP”信號進入電源喚醒及自鎖電路，將電源喚醒，微控制器進入工作狀態(tài)，并輸出電源互鎖信號保證控制引導電路正常工作；②當交流充電功能盒判定車輛插頭和車輛插座連接良好后，延遲一段時間將S1開關切換至PWM輸出狀態(tài)，此時CP信號為PWM信號輸出[14-15]。CP信號經D9、R12、R13后，作為Q1的柵極電壓，當CP信號為高電平時，Q1導通，G點“CP_PWM”為低電平；當CP信號為低電平時，Q1關斷，G點“CP_PWM”為5 V高電平。100%減去微控制器PWM檢測端口檢測到的“CP_PWM”的占空比即為實際CP信號的PWM占空比。根據《GB/T 18487.1-2015》要求，當車輛控制裝置檢測到“CP_PWM”信號后，還需要閉合圖1中的S2開關，將圖1中的電阻R2接入，從而通知功能盒中的供電控制裝置車輛已經處于就緒狀態(tài)。該功能由“CP_ACK”信號及R17、R18、Q2和R15完成。微控制器I/O_1管腳輸出高電平“CP_ACK”信號，Q2導通，相當于閉合圖1中的S2，從而將電阻R13+R15接入(相當于圖1中的電阻R2)。此處，本文中的元器件標號與圖1中的元器件標號對應關系如表1所示。

2.2 CC/CC2電阻檢測電路

CC電阻檢測電路主要用于檢測《GB/T 18487.1-2015》所規(guī)定的圖1所示的交流車輛插頭R4+RC電阻；CC2電阻檢測電路主要用于檢測《GB/T 18487.1-2015》所規(guī)定的圖1所示的交流車輛插頭R3電阻，其電路原理圖如圖5所示。

圖4 CP信號確認電路原理圖

表1 元器件標號與圖1中的元器件標號對應關系

圖5 CC/CC1電阻檢測電路

測量原理為：5 V電源經MCP1541T-I/TT電壓基準芯片變換產生4.096 V基準電壓信號經U1構成的電壓跟隨器后(本文U1采用TLV314-Q1)，電流驅動能力增大至20 mA。當用于CC2檢測時，4.096 V的電壓信號經R24和“RI_0”端子的電阻(即CC2電阻)分壓，CC2電阻的不同將反映至M點電壓的不同，M點電壓經R23和U2構成的電壓跟隨器，反映至微控制器的AD_0模擬電壓采樣端子。本文采用的MC9S12XEP100微控制器的12位AD轉換器讀取到的數字量RAD_0與電阻RI_0的轉換關系如式(1)。

式(1)中，R24=10 kΩ，精度為1%。

當用于CC檢測時，4.096 V的電壓信號經R27和“RI_1”端子的電阻(即CC電阻)分壓，CC電阻的不同將反映至N點電壓的不同，N點電壓經R26和U3構成的電壓跟隨器，反映至微控制器的AD_1模擬電壓采樣端子。本文采用的MC9S12XEP100微控制器的12位AD轉換器讀取到的數字量RAD_1與電阻RI_1的轉換關系如式(2)。

式(2)中，R27=10 kΩ，精度為1%。

2.3 電源喚醒及自鎖電路

電源喚醒及自鎖電路原理圖如圖6所示，電路工作時，“WAKEUP_ON”信號接整車的ON檔12 V信號，“WAKEUP_DC”信號接直流充電機的12 V低壓輔助電源，“WAKEUP_CP”信號由CP信號處理電路輸出。三路信號分別經二極管D3、D5和D7后匯于D點，三個信號形成“或”的電路關系，三個信號中的任意一個信號為12 V，D點電壓即為12 V，D點電壓經R2和R9，為Q7提供柵極電壓，進而Q7導通，C點電壓由12 V降至0 V，進而又導致Q8導通，DC/DC裝置獲得12 V輸入電壓，輸出5 V電壓，微控制器進入工作狀態(tài)。此外，為了判斷電源電路的喚醒源，“WAKEUP_ON”和“WAKEUP_DC”信號分別經R33和R11、R32和R10構成的分壓電路處理后，進入由U6和U5構成的電壓跟隨器，微控制器的I/O_5和IO_4根據檢測到的電平狀態(tài)判定喚醒源。當車輛12 V低壓電池未安裝或者電量過低時，12 V?；饘o效。此時，若采用直流充電，直流充電裝置的12 V低壓輔助電源輸出的“WAKEUP_ DC”信號將經由D2為整車提供12 V電源，保證車輛在12 V低壓電池未安裝或者電量過低時，仍可以正常充電。

圖6 電源喚醒及自鎖電路

電源自鎖電路的工作原理為：當微控制器處于工作狀態(tài)后，I/O_2管腳輸出高電平，經R6和R7，使D5導通，E點電壓降至0 V，進而Q6導通，“S_LOCK”信號輸出12 V，該信號經二極管D8與“WAKEUP_ON”、“WAKEUP_DC”和“WAKEUP_CP”信號形成“或”的電路關系，保證三者撤銷之后，電源電路自鎖形成，仍舊處于工作狀態(tài)。該電源自鎖電路，保證了“WAKEUP_ON”、“WAKEUP_DC”和“WAKEUP_CP”信號撤銷之后，控制導引電路仍可以保持工作，當相關微控制器程序保存完數據后，將I/O_2管腳輸出低電平，電源互鎖失效，Q8關斷，整個控制導引電路處于待機狀態(tài)，除非再次由“WAKEUP_ON”、“WAKEUP_ DC”和“WAKEUP_CP”三者之中的任意信號喚醒。

3 交直流充電控制導引電路控制方法

交直流充電控制導引電路的工作存在三種喚醒方式，當電源由“WAKEUP_ON”信號喚醒時，車輛工作于正常行駛狀態(tài)；當電源由“WAKEUP_DC”信號喚醒時，車輛工作于直流充電狀態(tài)；當電源由“WAKEUP_CP”信號喚醒時，車輛工作于交流充電狀態(tài)。任意一種喚醒信號的存在都可使電源電路工作。

3.1 正常行駛狀態(tài)控制導引電路控制原理

正常行駛狀態(tài)，WANKEUP_ON端子獲得12 V ON檔信號，DC/DC裝置獲得12 V供電并輸出5 V電源，電源喚醒電路工作。微控制器I/O_2管腳輸出高電平，Q5導通，進而Q6導通，“S_LOCK”信號為12 V，電源自鎖回路形成。“WAKEUP_ON”信號經R33、R11分壓，并經U6構成的電壓跟隨電路處理，微控制器檢測到I/O_5管腳為高電平，進而判定充電控制導引電路進入正常行駛工作流程。當車輛行駛結束、鑰匙旋轉至OFF狀態(tài)時，“WAKEUP_ON”信號變?yōu)? V，微控制器延時保存相關信息，保存完畢后，微控制器I/O_2管腳輸出低電平，Q5關斷，進而Q6關斷，“S_LOCK”信號為0 V，Q7關斷，Q8關斷，整個控制導引電路處于斷電狀態(tài)。

3.2 交流充電控制導引電路控制原理

交流充電控制導引電路工作，交流充電功能盒輸出12 V CP信號經R21和R22分壓后給Q4提供柵極電壓，Q4導通，A電壓為0，進而Q3導通，“CP信號處理電路”輸出12 V “WAKEUP_CP”信號，12V“WAKEUP_CP”信號經D7以及R2、R9分壓提供Q7柵極電壓，Q7導通，C點電壓為0，進而Q8導通，DC/DC裝置獲得12 V供電并輸出5V電源，電源電路被喚醒，微控制器工作。微控制器I/O_2管腳輸出高電平，Q5導通，進而Q6導通，“S_LOCK”信號為12 V，電源自鎖回路形成。微控制器通過檢測N點電壓測量交流CC電阻值，并以此來判斷圖1中S3處于斷開/閉合狀態(tài)。如S3處于閉合狀態(tài)，則表示車輛插頭與插座完全連接。此時，微控制器I/O_1管腳輸出高電平CP_ACK信號，NMOS 管Q2導通，R15接入。此時(R15+R13)和R16形成并聯(lián)，圖1中的檢測點1電壓降低。微控制器的PWM信號檢測端口根據占空比確認供電設備的最大供電能力，并以此確定車載充電機的輸出電流，啟動充電過程。當充電過程結束，或者充電槍拔掉后，微控制器延時保存相關充電信息，保存完畢后，微控制器I/O_2管腳輸出低電平，Q5關斷，進而Q6關斷，“S_LOCK”信號為0 V，Q7關斷，Q8關斷，整個控制導引電路處于斷電狀態(tài)。

3.3 直流充電控制導引電路控制原理

直流充電控制導引電路工作時，非車載充電機A+和A-端子輸出12 V低壓輔助電源，WAKEUP_DC信號獲得12 V電壓，經D5、R2和R9分壓，Q7導通，C點電壓為0，進而Q8導通，而Q8導通，DC/DC裝置獲得12 V供電并輸出5 V電源，電源電路喚醒，主控制器工作。微控制器I/O_2管腳輸出高電平，Q5導通，進而Q6導通，“S_LOCK”信號為12 V，電源自鎖回路形成。“WAKEUP_DC”信號經R32、R10分壓，并經U5構成的電壓跟隨電路處理，微控制器檢測到I/O_4管腳為高電平，進而判定充電控制導引電路進入直流充電導引流程。微控制器檢測CC2電阻是否接入電路中，如果沒有檢測到CC2電阻接入電路則微控制器進行循環(huán)檢測。根據圖5中CC2檢測方法判斷出CC2已經可靠連接，則微控制器通過CAN總線與非車載充電機進入報文握手階段，握手成功后，圖2中K1、K2和K5、K6接觸器閉合，直流回路導通，進入充電流程。如握手失敗，進入循環(huán)握手狀態(tài)。當充電過程結束，或者充電槍拔掉后，微控制器延時保存相關充電信息，保存完畢后，微控制器I/O_2管腳輸出低電平，Q5關斷，進而Q6關斷，“S_LOCK”信號為0 V，Q7關斷，Q8關斷，整個控制導引電路處于斷電狀態(tài)。

4 交直流充電控制導引系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)采用MC9S12XEP100芯片作為主控制器，在Freescale公司開發(fā)的Code warrior編程環(huán)境下進行的C語言編程, 根據國家標準GB/T18487.1-2015要求，在電源使能及自鎖電路、CC/CC2電阻檢測電路、CP 信號處理電路的作用下實現了交流充電控制導引與直流充電控制導引功能。針對所發(fā)明的電動汽車交直流充電控制導引電路中正常行駛狀態(tài)控制導引電路控制算法偽代碼如算法1所示，直流充電控制導引電路控制算法偽代碼如算法2所示，交流充電控制導引電路控制算法偽代碼如算法3所示。

5 交直流充電控制導引系統(tǒng)功能測試

為了對電動汽車交直流充電控制導引電路的功能性進行測試，在實驗室搭建了實驗平臺，其包括試驗測試臺架、動力電池包、直流充電機、交流充電機、主控板、采集板，其中交流充電機安裝于測試臺架上。試驗平臺如圖7所示。

圖7為交流充電機接口控制導引測試試驗，此時以交流快充模式對動力電池包進行充電，驗證交流充電控制導引功能，可通過上位機查看此時繼電器閉合狀態(tài)、動力電池包電壓值、充電電流值、SOC值、SOH值等。

直流充電控制導引時，非車載充電機工作，直流充電模式下，非車載充電機通過CAN口與動力電池包進行數據通信，CAN報文握手成功后，進行直流充電模式，通過上位機同樣可以進行應數據查看。

算法1：正常行駛狀態(tài)控制導引電路控制算法偽代碼

1：Begin 2：12V ON檔信號使電源喚醒3：自鎖電路形成4：I/O_5管腳為高電平，進入正常行駛工作流程5： while do6： {7： 循環(huán)檢測8： }9：數據保存10：I/O_2口輸出低電平，撤銷自鎖電路11: End

算法2：直流充電控制導引電路控制算法偽代碼

1：Begin2：WAKEUP_DCC使電源喚醒3：自鎖電路形成4：I/O_4管腳為高電平，進入直流充電模式5： while <標志位> do6： {7： if< CC2電阻存在>then8： {9： if then11: {12: 閉合K5、K6，直流充電；13： 標志位置零14: }15: else16: {17: }18： else19： {20： 標志位=121: }22： }23： }24： while < 充電過程進行> do25： {26： 一直充電27： }28：數據保存29：I/O_2管腳輸出低電平，撤銷自鎖30：End

算法3：交流充電控制導引電路控制算法偽代碼

1：Begin2：12V的WAKEUP_CP信號使電源喚醒3：自鎖電路形成4： while(CC電阻！=RC)do5: {6: 循環(huán)判斷7: }8: I/O_2管角輸出高電平CP_ACK信號9: 檢測占空比10: 進入交流充電模式11： while(充電過程沒有結束)do12： {13： 一直充電14： }15：數據保存16：I/O_2管腳輸出低電平，撤銷自鎖17：End

圖7 主控電路板

交流充電控制導引電路工作時序簡圖如圖8所示。

圖8 交流充電控制導引電路工作時序圖

6 結論

本文根據《GB/T 18487.1-2015：電動汽車傳導充電系統(tǒng)第1部分：通用要求》的規(guī)定設計了一種電動汽車交直流充電控制導引系統(tǒng)，彌補了現有電動汽車充電控制導引電路的不足，基于某輕型電動貨車進行測試，所設計的電動汽車交直流充電控制導引系統(tǒng)可滿足交流充電模式與直流充電模式充電控制導引，滿足國家標準，兼容性較高并具有極低的待機電流，實際測量待機功耗為200 μA，可實現掉電數據保存功能，電路的設計采用了MOS開關器件，無機械損耗提高了開關的使用壽命，增強了電路的可靠性。

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Design of control pilot system for AC/DC charger of electric vehicle

SHEN Yongpeng1, 2, GE Gaorui1, FENG Jianqin1, 2, NIU Yunchen1,CHEN Jinyang3

(1.School of Electrical and Information Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, China; 2.The Key Laboratory of Information based Electrical Appliances in Henan Province, Zhengzhou 450002, China; 3.Shaanxi Non-Ferrous Tian Hong REC Silicon Material Co., Ltd, Yulin 719200, China)

The reliable connection between the charging interface of the Electric Vehicle (EV) and the power supply equipment is an essential function of the EV. Focused on the drawbacks of poor compatibility, unreliable power-down data storage and high stand by current of the existing AC/DC charger pilot circuit of EV, the demands on AC and DC charger pilot system in “GB/T 18487.1-2015: electric vehicle conduction charging system part 1: general requirements”, is analyzed firstly. Based on the demands of “GB/T 18487.1-2015”, the power wakeup and self-lock circuit, the CC/CC2 resistance measurement circuit, and the CP signal processing circuit are designed respectively, and then the AC charger pilot flow and DC charger pilot flow are proposed. Finally, experiments are carried out on a light truck, the experimental results show that the proposed EV conduction charging system AC/DC charger pilot circuit and controlling flow completely meets the demands of “GB/T 18487.1-2015”. Meanwhile, it has the advantages of power-down data storage and low standby current.

This work is supported by Henan Scientific and Technological Open Collaboration Project (No. 182106000032).

electric vehicle; AC charger; DCcharger; control pilot

2018-07-31

申永鵬(1985—)，男，博士，研究方向為新能源汽車電驅動系統(tǒng)優(yōu)化與控制；E-mail: shenyongpeng@zzuli.edu.cn

葛高瑞(1992—)，男，碩士研究生，研究方向為電力電子與電力傳動。E-mail: GGR_zzuli@163.com

河南省科技開放合作項目資助(182106000032)