黃 炘， 張寶強(qiáng)， 李 川， 孔治國， 王朝暉， 趙凌霄， 蘭 昊

（1.中汽研汽車檢驗中心（天津） 有限公司， 天津 300300；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司， 天津 300300）

1 引言

電動汽車無線充電系統(tǒng)一般可分為地面端設(shè)備和車載端設(shè)備，二者之間無直接物理連接［1-5］。為保證無線充電系統(tǒng)正常運(yùn)行，地面端和車載端的控制方式主要有兩種，分別為單邊控制和雙邊控制。單邊控制是指系統(tǒng)輸出功率等關(guān)鍵參數(shù)的調(diào)節(jié)由地面端或者車載端單獨完成，另一端不參與調(diào)節(jié)；雙邊控制指地面端和車載端同時參與無線充電系統(tǒng)的整體調(diào)節(jié)［6］。目前主流的控制方式為雙邊控制，也就是在無線充電過程中，地面端和車載端之間需通過無線通信來控制管理充電過程［7-9］。

考慮到電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的需求以及未來公共場所充電的便利性，無線充電場景中的地面端和車載端很大程度是來自不同的設(shè)備生產(chǎn)廠家，可能存在通信協(xié)議和線圈類型等不統(tǒng)一的問題。地面端和車載端的無線通信協(xié)議一致性成為保證不同的地面端和車載端設(shè)備之間正常、高效、安全交互的關(guān)鍵所在。

為了將車載端與地面端充電設(shè)施統(tǒng)一起來，實現(xiàn)不同電動汽車與不同充電樁之間高效安全地進(jìn)行無線充電，2020年4月28日國家標(biāo)準(zhǔn)委頒布了一系列電動汽車無線充電相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，其中GB/T 38775.2對車載充電機(jī)和無線充電設(shè)備之間的通信協(xié)議進(jìn)行了規(guī)范［10］。但是在協(xié)議實現(xiàn)過程中，由于對通信協(xié)議的理解和實現(xiàn)方法等的不一致，可能會給整車實際充電的互操作帶來障礙，因此有必要對電動汽車和無線充電設(shè)備之間的通信協(xié)議實現(xiàn)進(jìn)行一致性測試評估。

本文首先對GB/T 38775.2進(jìn)行解讀，在此基礎(chǔ)上，提出了電動汽車無線充電通信協(xié)議一致性測試系統(tǒng)，包括軟硬件測試平臺及測試方法，能夠為電動汽車無線充電領(lǐng)域的相關(guān)檢測驗證提供技術(shù)支撐，促進(jìn)行業(yè)規(guī)范化發(fā)展。

2 電動汽車無線充電流程

2.1 GB/T 38775.2對無線充電流程的規(guī)定

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 38775.2將電動汽車無線充電系統(tǒng)車載側(cè)和地面?zhèn)仍O(shè)備的充電流程分為4個狀態(tài)，分別為通信未連接、通信連接、待機(jī)和充電［10］，如圖1所示。每個狀態(tài)具體解釋如下。

圖1 GB/T 38775.2中規(guī)定的無線充電總體流程

1） 通信未連接：地面、車載側(cè)設(shè)備功率模塊部分待機(jī)，等待指令下達(dá)后可進(jìn)行能量傳輸，但通信連接未建立。

2） 通信連接：各通信單元建立了通信連接，但能量未開始傳輸。

3） 待機(jī)：系統(tǒng)進(jìn)行地面與車載側(cè)的互操作性檢測、認(rèn)證鑒權(quán)處理、對位檢測已結(jié)束，但還未開始能量傳輸。系統(tǒng)完成能量傳輸前提條件的判斷，等待執(zhí)行能量傳輸指令。

4） 充電：接收到啟動充電指令，根據(jù)車輛控制系統(tǒng)下達(dá)的充電指標(biāo)執(zhí)行能量傳輸；接收到停止充電指令，停止能量傳輸。

2.2 無線充電流程解讀

在對標(biāo)準(zhǔn)解讀過程中發(fā)現(xiàn)，GB/T 38775.2對無線充電過程的劃分過于粗糙，不能較好地幫助理解無線充電的整個流程。因此，本文借鑒電動汽車傳導(dǎo)充電通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)GB/T 27930對直流充電過 程 的 劃 分［11］， 通 過 對GB/T 38775.2內(nèi)容的進(jìn)一步梳理，提出如圖2所示的一種對電動汽車無線充電流程的理解。

圖2將整個無線充電過程劃分為6個階段，分別為：建立WIFI通信、注冊鑒權(quán)、互操作性信息兼容檢查、開始充電請求與響應(yīng)、充電狀態(tài)信息交互和結(jié)束充電請求與響應(yīng)。在各個階段，地面端和車載端設(shè)備如果在規(guī)定的時間內(nèi)沒有收到對方指令或者沒有收到正確指令，即判定為超時（超時指在規(guī)定時間內(nèi)沒有收到對方的完整數(shù)據(jù)包或者正確數(shù)據(jù)包）［11］。每個階段具體解釋如下。

1） 建立WIFI通信。當(dāng)系統(tǒng)低壓輔助上電后，地面端和車載端設(shè)備的功率模塊部分待機(jī)，通信模塊開始工作，建立WIFI通信。

2） 注冊鑒權(quán)。通信模塊啟動，車載通信控制單元（IVU） 獲取副邊設(shè)備ID，并與其自身ID生成簽名認(rèn)證值，然后向地面通信控制單元 （CSU） 發(fā)送注冊請求；CSU對注冊請求進(jìn)行驗證，通過后向IVU發(fā)送鑒權(quán)認(rèn)證請求；IVU根據(jù)鑒權(quán)認(rèn)證請求對CSU進(jìn)行認(rèn)證，并反饋鑒權(quán)響應(yīng)給CSU；CSU根據(jù)鑒權(quán)響應(yīng)對IVU進(jìn)行認(rèn)證，然后向IVU返回注冊響應(yīng)，整個注冊鑒權(quán)過程完成。

3） 互操作性信息兼容檢查。IVU和CSU互發(fā)兼容性檢查需要的信息，包括功率等級、諧振補(bǔ)償電路拓?fù)?、線圈類型、頻率范圍和工作間隙等，并檢測是否相匹配。

4） 開始充電請求與響應(yīng)。IVU向CSU發(fā)送開始充電請求，CSU在收到請求后判斷IVU是否合法，且是否允許本次充電，并向IVU發(fā)送開始充電請求響應(yīng)。若CSU允許充電，會向功率發(fā)送控制器 （PTC） 發(fā)送開始充電指令，并循環(huán)檢測PTC狀態(tài)，直到PTC開始充電。

5） 充電狀態(tài)信息交互。CSU檢測到PTC開始充電或者停止充電，會向IVU發(fā)送充電狀態(tài)信息；IVU在收到信息后，會向CSU返回狀態(tài)信息響應(yīng)。

6） 結(jié)束充電請求與響應(yīng)。CSU和IVU均可發(fā)起結(jié)束充電。CSU發(fā)起結(jié)束充電過程為，首先CSU向PTC發(fā)送停止充電指令，然后向IVU發(fā)送充電狀態(tài)信息；IVU發(fā)起結(jié)束充電過程為，首先IVU向CSU發(fā)起停止充電請求，然后CSU返回停止充電響應(yīng)，接下來的過程與CSU發(fā)起結(jié)束充電過程相同。

圖2 無線充電總體流程解讀

3 無線充電通信一致性測試系統(tǒng)架構(gòu)

為了驗證地面端設(shè)備與車載端設(shè)備在無線充電過程中的通信是否滿足GB/T 38775.2通信協(xié)議的要求，測試系統(tǒng)應(yīng)該具備模擬充電過程中通信邏輯和功率傳輸?shù)墓δ?。這是因為當(dāng)且僅當(dāng)無線充電系統(tǒng)地面端設(shè)備和車載端設(shè)備之間的控制導(dǎo)引功能和通信建立正確連接關(guān)系時才能正常充電。

3.1 硬件架構(gòu)

無線充電通信一致性測試系統(tǒng)包括電源變換模塊、線圈、采樣控制單元、工控機(jī)、通信測試模塊以及檢測模塊，無線充電測試系統(tǒng)的硬件架構(gòu)如圖3所示。

圖3 無線充電測試系統(tǒng)硬件架構(gòu)圖

1） 電源變換模塊。電源變換模塊分別與線圈、采樣控制單元和檢測模塊相連接，用于對接入的交流電進(jìn)行變換。電源變換模塊包括全控整流電路、調(diào)壓電路、逆變電路和諧振補(bǔ)償電路。

2） 線圈。線圈分別與電源變換模塊和檢測模塊相連接，用于將電源變換模塊輸出的交流電以交變磁場進(jìn)行發(fā)射出去，或者接收其他線圈發(fā)射的交變磁場。線圈的結(jié)構(gòu)包括圓型和矩型。

3） 采樣控制單元。采樣控制單元分別與電源變換模塊和工控機(jī)相連接，用于根據(jù)需求控制電源變換模塊的輸出特性。采樣控制單元主要用于檢測電源變換模塊中的電壓和/或電流，并生成對應(yīng)的檢測信號傳遞給工控機(jī)；控制調(diào)節(jié)電源變換模塊的輸出電壓和/或電流特性；接收并執(zhí)行來自工控機(jī)的控制指令。

4） 工控機(jī)。工控機(jī)分別與采樣控制單元、通信測試模塊和檢測模塊相連接，用于操控測試系統(tǒng)。工控機(jī)裝有測試程序，主要用于測試地面端和車載端設(shè)備的通信一致性，其功能應(yīng)包括輸入被測設(shè)備參數(shù)，包括但不限于設(shè)備端ID、功率等級、諧振補(bǔ)償電路拓?fù)漕愋汀⒕€圈類型和頻率范圍，用于測試中參數(shù)比對分析；存儲并執(zhí)行通信一致性測試指令，下發(fā)給采樣控制單元來控制測試系統(tǒng)的動作以及通過通信測試模塊與被測設(shè)備進(jìn)行無線通信；解析通信測試模塊接收到的來自被測設(shè)備的通信指令，并通過顯示屏顯示解析后的通信指令；判讀接收到的通信指令，并根據(jù)判讀結(jié)果下發(fā)相對應(yīng)的通信一致性測試指令給采樣控制單元來控制測試系統(tǒng)的動作以及通過通信測試模塊與被測設(shè)備進(jìn)行無線通信；接收并存儲檢測模塊傳送的檢測信號，用于測試中參數(shù)比對分析。

5） 通信測試模塊。通信測試模塊與工控機(jī)相連接，用于獲取被測設(shè)備發(fā)出的通信信號以及通過無線通信的方式傳遞工控機(jī)下發(fā)的通信一致性測試指令給被測設(shè)備。

6） 檢測模塊。檢測模塊分別與工控機(jī)、電源變換模塊和線圈相連接，用于檢測電源變換模塊和線圈間的電壓和/或電流信號，并傳送給工控機(jī)。檢測模塊可以為功率分析儀和/或示波器。

3.2 軟件架構(gòu)

測試系統(tǒng)的軟件可分為3部分：參數(shù)配置、測試執(zhí)行和數(shù)據(jù)后處理。其主要功能包括參數(shù)配置、控制車載端和地面端設(shè)備的通信、邏輯判斷、數(shù)據(jù)分析與處理等。本文的無線充電通信一致性測試系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖4所示。

圖4 測試系統(tǒng)軟件框圖

參數(shù)配置既包括測試系統(tǒng)自身的參數(shù)設(shè)置，如波特率、信道號等，也包括測試樣品參數(shù)的設(shè)置，如設(shè)備端ID、功率等級、諧振補(bǔ)償電路拓?fù)漕愋?、線圈類型和頻率范圍等，主要用于測試中參數(shù)比對分析和判斷。

測試執(zhí)行主要是指軟件可以選擇編好的測試用例逐步執(zhí)行，這其中就包括肯定測試用例和否定測試用例。此外，在測試過程中，用戶可以從軟件界面實時讀取通信狀態(tài)和系統(tǒng)狀態(tài)，并在提示出現(xiàn)錯誤后可立即停止并重新開始執(zhí)行測試用例。

數(shù)據(jù)后處理主要指測試數(shù)據(jù)存儲、導(dǎo)出、分析和測試報告生成等。

4 無線充電通信一致性測試方法

利用上述的電動汽車無線充電系統(tǒng)進(jìn)行通信一致性測試的具體方法如下。

1） 試驗樣品布置。根據(jù)測試需求，測試系統(tǒng)連接上交流電源，被測樣品連接上電子負(fù)載。將測試系統(tǒng)中的線圈與被測樣品中的線圈對齊，線圈間隙調(diào)至滿足可正常工作的要求，如140mm。

2） 試驗初始化。低壓上電，使測試系統(tǒng)待機(jī)，被測樣品的電源變換模塊待機(jī)，電子負(fù)載待機(jī)，并根據(jù)測試需求選擇恒壓或恒流或恒阻的工作模式，然后打開交流電源開關(guān)。

3） 進(jìn)行通信一致性測試。啟動測試軟件，輸入被測樣品參數(shù)，選擇執(zhí)行設(shè)備通信一致性測試程序。通信一致性測試內(nèi)容包括通信連接響應(yīng)、注冊鑒權(quán)響應(yīng)、兼容性檢查響應(yīng)、開始充電響應(yīng)、充電狀態(tài)信息交互響應(yīng)和結(jié)束充電響應(yīng)等。

4） 測試結(jié)束，生成測試報告。

5 結(jié)論

電動汽車無線充電系統(tǒng)通信協(xié)議GB/T 38775.2是保證實現(xiàn)無線充電互操作性的基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)。本文通過對GB/T 38775.2的細(xì)致解讀，梳理得到無線充電通信的一般流程，并提出了一種無線充電通信一致性測試的方案，包括軟硬件架構(gòu)和測試方法，能夠較為真實地再現(xiàn)實際充電狀況，為相關(guān)檢測試驗和驗證提供參考，有助于后續(xù)標(biāo)準(zhǔn)的修訂和測試的進(jìn)一步完善。