電動汽車充電設備測試技術和解決方案
來源：是德科技
發(fā)布時間：2019-11-27
編輯：儀商清風
和新能源汽車相關的三電
測試技術包含電池儲能測試、
逆變器測試、充電測試、BMS測試等，如圖1所示。本期為大家介紹KEYSIGHT充電技術測試，暨針對整個電動汽車和電動汽車充電基礎設施（通常指充電樁和充電箱）所提供的測試
解決方案。
圖1 新能源汽車相關的測試技術
摘要：
汽車元器件獨立測試的概念與模型
汽車充電設備測試技術和方案
第一部分：汽車元器件獨立測試的概念與模型
首先，以「逆變器」為例，先給大家介紹汽車中元器件獨立測試的概念。然后，再來介紹為整個電動汽車和電動汽車充電設備生態(tài)系統(tǒng)而打造的測試解決方案。假設現(xiàn)在準備開發(fā)一個電氣傳動系統(tǒng)的元器件，并且接下來要對它進行驗證測試，這就會面臨某些挑戰(zhàn)。比如：“如何確保這個元器件能夠滿足復雜系統(tǒng)的要求？”這里的“復雜”是指這些元器件不僅要連接高壓電源，還要連接低壓通信。如何執(zhí)行這類測試？
圖2 圖片來自于寶馬 i3
絕大多數(shù)人一定希望立即測試自己的逆變器，而不是等到其他元器件都備齊后再開始。為了減少開發(fā)時間和成本，研發(fā)人員通常不會等到電機系統(tǒng)開發(fā)完成之后再來做這項測試。此外，同樣重要的是：“如何確保元器件在發(fā)生故障時也能正常工作？怎樣對元器件的故障進行測試？” 比如，連接的元器件有可能出現(xiàn)了故障，要怎樣進行測試？這些都是在進行元器件獨立測試時將會遇到的主要挑戰(zhàn)。
以電動汽車寶馬i3為例來說明，在這輛車里，有不同的元器件，有些元器件是連在一起的。例如，這個逆變器位于后側，在它下方則是電機，因此逆變器與電機靠得非常近。假設在沒有電機和電池包的情況下，對逆變器進行測試，并且只測試逆變器本身。要測試逆變器，必須用所謂的電機模擬器（Machine Emulator）來替代電機。而旁邊的電池也必須用這個電池模擬器來替代，如圖所示，它被稱作「動態(tài)直流電池模擬器」（Dynamic DC Emulator）。同樣，在低壓方面，必須對汽車中信號進行仿真。對于有現(xiàn)有的模型，無論是 Matlab Simulink 模型還是其他模型，都可以用它來仿真道路場景或仿真循環(huán)駕駛的路況，等等。
圖3 汽車元器件測試 V-Model
使用 Power HiL 系統(tǒng)來進行車輛仿真?！鸽姍C模擬器」可以仿真不同的電機?？梢酝ㄟ^不同的參數(shù)設置來仿真同步電機、異步電機或是希望模擬的其他類型的機器。電機可以是3相，也可以是6相或者是實驗所需要的其他類型。在DC（直流）端，「電池包模擬器」可以設置模擬器的內阻配置電池的動態(tài)特性，從而為逆變器兩端提供需要的信號，這意味著仿真在汽車中真實連接的元器件。該方案希望能用模擬器來替代逆變器，以使車內的逆變器和所有與之相連的器件都可以被仿真。
這個的示例很好地展示了這一點，一切都可以通過參數(shù)來靈活配置，只需替換模擬器內的模型即可。在開發(fā)元器件時，設計人員可能會根據(jù)「V-Model」來執(zhí)行這樣的操作。這意味著對于定制化的要求，并且最終到達系統(tǒng)驗收測試這一步。在系統(tǒng)和元器件設計好之后，就需要對它們進行測試了?？梢赃x擇用「低壓 HiL」來進行測試。也就是說，可以測試逆變器的通信部分，其中包括 CAN 通信、電源以及 I/O 信號，還有安全信號。這使得執(zhí)行大量的故障測試成為可能。
第二部分：汽車充電設備測試技術和方案
電動汽車和插電式混動汽車（EV、PHEV）的發(fā)展和推廣取決于充電基礎設施（充電樁或者充電箱）的大范圍鋪設和使用。由于最近出臺的一些標準以及相關領域經(jīng)驗的缺乏，EV和EVSE之間出現(xiàn)的交互故障頻繁發(fā)生。
圖4 KEYSIGHT Scienlab 充電測試系統(tǒng)
充電基礎設施與HEV或EV之間的充電過程是一個復雜的生態(tài)系統(tǒng)，涉及眾多關聯(lián)方：汽車制造商（OEM）；第三方檢測機構；充電基礎設施（如：充電樁或者充電箱）的制造商；運營商以及工廠。電動汽車供電設備（EVSE）的互操作性對于確保服務提供商的運營和終端客戶的駕駛體驗非常重要。充電設施在推向市場之前，必須滿足眾多要求。除了正確無誤的通信能力之外，功率是首要考慮因素。
圖5 CDS (Charging Discovery System) 能夠作為統(tǒng)一的驗證平臺
其他挑戰(zhàn)還包括與各種 HEV、EV、充電接口、電網(wǎng)的兼容性，以及必須符合不同的國際標準。此外，必須對這個復雜生態(tài)系統(tǒng)中的大量「充電元器件」進行徹底的測試。這些元器件包括：
﹒充電電纜
﹒車載充電器和/或逆變器
﹒HEV/EV 電池組
﹒相關的電池組管理系統(tǒng)
圖6顯示的是真實環(huán)境下的「車載充電器」。車載充電器通過充電電纜與充電樁（EVSE）連接。車載充電器與充電樁之間的通信線路相連。右側是是位于車內的電池包。充電器本身處于特定的環(huán)境條件下，并且與冷卻系統(tǒng)相連。
圖6 車載充電器
上方可以看到電源、與電子控制裝置之間的 CAN 通信以及一些安全 I/O，例如：安全斷開信號。通過這些可以看出，必須用一個適當?shù)南到y(tǒng)來替代充電樁(EVSE)，不僅是功率流，還包括通信。
右側的電池可以用「電池模擬器」來替代。前面提到過，在仿真測試環(huán)境中，這里的電池已經(jīng)使用電池模擬器替代。它的直流線路會和車載充電器相連。車載充電器位于環(huán)境艙內與調節(jié)裝置或冷卻器相連。
圖7 車載充電器測試環(huán)境
在交流側，需要兩個元器件。其中一個元器件是「交流模擬器」，這個模擬器可以模擬全球范圍內不同國家和地區(qū)的電網(wǎng)，以滿足不同的應用需求。CDS，即「充電測試系統(tǒng)」，還可以模擬不同的充電通信協(xié)議。
﹒中國，CDS 能夠模擬GB/T 標準的充電通信協(xié)議，交流模擬器可以模擬中國的電網(wǎng)。(EVSE)，不僅是功率流，還包括通信。
﹒日本，CDS可以模擬日本的電網(wǎng)，直流模擬器可以仿真 CHAdeMO 標準。
﹒歐洲和美國，交流零部件基本相同，采用的標準是 CCS，即組合充電系統(tǒng)。
圖8 兼容目前市場上主要的充電電氣接口及通信協(xié)議
這一切都將由HiL系統(tǒng)來控制。HiL系統(tǒng)會控制直流模擬器或交流模擬器以及充電測試系統(tǒng)。對于車載充電機，它會處在不同的環(huán)境條件下。在這方面，該方案的優(yōu)勢在于只需要通過改變軟件的參數(shù)就可以改變車載充電器的邊界條件。這不僅適合具體的測試用例，而且對于車載充電器真正出現(xiàn)故障的情況來說，假如連接的是真正的電池和真正的充電樁，那么幾乎無法確認故障來源，模擬起來也會很有難度。
圖9 HiL測試環(huán)境的組成部分
除了 HiL 系統(tǒng)以外，這套系統(tǒng)還具有可視化、數(shù)據(jù)存儲和自動化功能，可以獲得可重復執(zhí)行的具體測試用例。無論在什么時候，都可以執(zhí)行同樣的測試。這意味著，如果發(fā)現(xiàn)車載充電器有問題您可以進行驗證或者是更新軟件，然后可以執(zhí)行同一測試，看看車載充電器上的這個故障是否已被消除。
圖10 Charging Discovery系統(tǒng)的體系結構
為了對充電接口進行測試，還需要采用了兩個出色的部件，其中之一是充電測試系統(tǒng)（CDS）。這是一個靈活的通信接口，我們可以測試 EV(電動車)、EVSE （充電樁）也可以作為EV(電動車)、EVSE （充電樁）的“中間環(huán)節(jié)監(jiān)聽者（man-in-the-middle）”。這里的“中間環(huán)節(jié)”意味著監(jiān)聽正在測試的充電樁和汽車之間的通信。
該系統(tǒng)能夠支持所有標準的通信協(xié)議，即北美和歐洲采用的CCS，以及中國的 GB/T 和日本的 CHAdeMO。CDS和雙向電源（負載）（直流和交流）高性能結合起來，可以測試充電接口時遇到的各種不同測試用例提供很大的靈活性。如果想要測試充電樁或電動汽車測試人員不一定需要 HiL 系統(tǒng)，只需使用我們的 CDS 和電源或負載即可完成測試。為此，這套方案中還提供了「Charging Discover」軟件。
圖11 Charging Discover 軟件界面
這款軟件可以在普通的 Windows PC 上運行，因此測試人員可以編寫不同的測試用例并進行廣泛的測試，還可以在測試編輯器中創(chuàng)建自己的測試。同時，該軟件也提供了成千上萬種不同標準測試用例，這些用例參照了世界各地的不同標準。
通過這個軟件，CDS 可以針對不同的應用進行配置，這意味著，這個測試方案可以仿真電動汽車和充電樁EVSE 或者可以用作“中間環(huán)節(jié)”的監(jiān)聽一旦擁有了所有這些系統(tǒng)，就可以測試充電接口的通信協(xié)議?？梢苑治?PMW 信號，包括動力線的連接可以測試動力線的性能，包括功率流。也可以測試 EV 和 EVSE 之間的互操作性?；ゲ僮餍砸馕吨喝魏?EV 與任何 EVSE 之間都可以相互通信和充電。如果不希望對每臺 EV 和 EVSE 進行這樣的操作，系統(tǒng)還提供了已經(jīng)定義好的和標準化的測試用例。實際上，整個解決方案為此提供有幾千種不同的測試用例，以便能夠測試 EV 或 EVSE，只要已經(jīng)確認了標準就可以測試了它們的互操作性。
圖12 模塊化、可擴展的設計使得該系統(tǒng)支持實驗室測試和移動測試
此外，由于該系統(tǒng)采用了模塊化的可升級結構，因此還可以進行擴展?？梢詫DS用作移動解決方案執(zhí)行外場分析任務，也可以在實驗室里執(zhí)行非常全面的測試程序。剛才是對系統(tǒng)靈活性的介紹。如圖片中所示，可以觀察到背景中的 EMC 暗室和暗室外的巨大電源。進入暗室的功率高達幾兆瓦，這樣允許研發(fā)人員在對EV電動車充電時進行測試，從而在不使用充電樁的情況下來測量 EMC 特性。充電樁無需在 EMC 暗室內放置。反過來操作也可以?？梢允褂?CDS 和電子負載來仿真暗室外的汽車。在暗室內部，會使用充電樁來觀察系統(tǒng)充電時充電樁的 EMC 特性。同樣地，將能夠對元器件逐一進行測試。這對于測試用例來說非常實用也非常有吸引力。
圖13 實際部署的CDS測試系統(tǒng)，支持對EV電動車充電時進行測試
還可以看到前面講過的車載充電器測試。左邊可以看到中間環(huán)節(jié)監(jiān)聽的情況。后面是充電樁?？梢钥吹狡?。在 CDS 之間，只需觀察充電樁與汽車之間的通信。
