電動(dòng)汽車充電設(shè)備測試技術(shù)和解決方案
來源：是德科技
發(fā)布時(shí)間：2019-11-27
編輯：儀商清風(fēng)
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和新能源汽車相關(guān)的三電
測試技術(shù)包含電池儲(chǔ)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(shù)測試，暨針對(duì)整個(gè)電動(dòng)汽車和電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)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(guān)的測試技術(shù)
摘要：
汽車元器件獨(dú)立測試的概念與模型
汽車充電設(shè)備測試技術(shù)和方案
第一部分：汽車元器件獨(dú)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(dú)立測試的概念。然后，再來介紹為整個(gè)電動(dòng)汽車和電動(dòng)汽車充電設(shè)備生態(tài)系統(tǒng)而打造的測試解決方案。假設(shè)現(xiàn)在準(zhǔn)備開發(fā)一個(gè)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的元器件，并且接下來要對(duì)它進(jìn)行驗(yàn)證測試，這就會(huì)面臨某些挑戰(zhàn)。比如：“如何確保這個(gè)元器件能夠滿足復(fù)雜系統(tǒng)的要求？”這里的“復(fù)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(shí)間和成本，研發(fā)人員通常不會(huì)等到電機(jī)系統(tǒng)開發(fā)完成之后再來做這項(xiàng)測試。此外，同樣重要的是：“如何確保元器件在發(fā)生故障時(shí)也能正常工作？怎樣對(duì)元器件的故障進(jìn)行測試？” 比如，連接的元器件有可能出現(xiàn)了故障，要怎樣進(jìn)行測試？這些都是在進(jìn)行元器件獨(dú)立測試時(shí)將會(huì)遇到的主要挑戰(zhàn)。
以電動(dòng)汽車寶馬i3為例來說明，在這輛車?yán)铮胁煌脑骷行┰骷沁B在一起的。例如，這個(gè)逆變器位于后側(cè)，在它下方則是電機(jī)，因此逆變器與電機(jī)靠得非常近。假設(shè)在沒有電機(jī)和電池包的情況下，對(duì)逆變器進(jìn)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(jī)模擬器（Machine Emulator）來替代電機(jī)。而旁邊的電池也必須用這個(gè)電池模擬器來替代，如圖所示，它被稱作「動(dòng)態(tài)直流電池模擬器」（Dynamic DC Emulator）。同樣，在低壓方面，必須對(duì)汽車中信號(hào)進(jìn)行仿真。對(duì)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(jìn)行車輛仿真。「電機(jī)模擬器」可以仿真不同的電機(jī)。可以通過不同的參數(shù)設(shè)置來仿真同步電機(jī)、異步電機(jī)或是希望模擬的其他類型的機(jī)器。電機(jī)可以是3相，也可以是6相或者是實(shí)驗(yàn)所需要的其他類型。在DC（直流）端，「電池包模擬器」可以設(shè)置模擬器的內(nèi)阻配置電池的動(dòng)態(tài)特性，從而為逆變器兩端提供需要的信號(hào)，這意味著仿真在汽車中真實(shí)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(nèi)的逆變器和所有與之相連的器件都可以被仿真。
這個(gè)的示例很好地展示了這一點(diǎn)，一切都可以通過參數(shù)來靈活配置，只需替換模擬器內(nèi)的模型即可。在開發(fā)元器件時(shí)，設(shè)計(jì)人員可能會(huì)根據(jù)「V-Model」來執(zhí)行這樣的操作。這意味著對(duì)于定制化的要求，并且最終到達(dá)系統(tǒng)驗(yàn)收測試這一步。在系統(tǒng)和元器件設(shè)計(jì)好之后，就需要對(duì)它們進(jìn)行測試了。可以選擇用「低壓 HiL」來進(jìn)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(hào)，還有安全信號(hào)。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(shè)備測試技術(shù)和方案
電動(dòng)汽車和插電式混動(dòng)汽車（EV、PHEV）的發(fā)展和推廣取決于充電基礎(chǔ)設(shè)施（充電樁或者充電箱）的大范圍鋪設(shè)和使用。由于最近出臺(tái)的一些標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)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(chǔ)設(shè)施與HEV或EV之間的充電過程是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng)，涉及眾多關(guān)聯(lián)方：汽車制造商（OEM）；第三方檢測機(jī)構(gòu)；充電基礎(chǔ)設(shè)施（如：充電樁或者充電箱）的制造商；運(yùn)營商以及工廠。電動(dòng)汽車供電設(shè)備（EVSE）的互操作性對(duì)于確保服務(wù)提供商的運(yùn)營和終端客戶的駕駛體驗(yàn)非常重要。充電設(shè)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(yàn)證平臺(tái)
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(biāo)準(zhǔn)。此外，必須對(duì)這個(gè)復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)中的大量「充電元器件」進(jìn)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(guān)的電池組管理系統(tǒng)
圖6顯示的是真實(shí)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(cè)是是位于車內(nèi)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(hào)。通過這些可以看出，必須用一個(gè)適當(dāng)?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(cè)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(huì)和車載充電器相連。車載充電器位于環(huán)境艙內(nèi)與調(diào)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(cè)，需要兩個(gè)元器件。其中一個(gè)元器件是「交流模擬器」，這個(gè)模擬器可以模擬全球范圍內(nèi)不同國家和地區(qū)的電網(wǎng)，以滿足不同的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。
﹒歐洲和美國，交流零部件基本相同，采用的標(biāo)準(zhǔn)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(huì)控制直流模擬器或交流模擬器以及充電測試系統(tǒng)。對(duì)于車載充電機(jī)，它會(huì)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(duì)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(rèn)故障來源，模擬起來也會(huì)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(chǔ)和自動(dòng)化功能，可以獲得可重復(fù)執(zhí)行的具體測試用例。無論在什么時(shí)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(jìn)行驗(yàn)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(gè)故障是否已被消除。
圖10 Charging Discovery系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
為了對(duì)充電接口進(jìn)行測試，還需要采用了兩個(gè)出色的部件，其中之一是充電測試系統(tǒng)（CDS）。這是一個(gè)靈活的通信接口，我們可以測試 EV(電動(dòng)車)、EVSE （充電樁）也可以作為EV(電動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)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(fù)載）（直流和交流）高性能結(jié)合起來，可以測試充電接口時(shí)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(dòng)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(fù)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(yùn)行，因此測試人員可以編寫不同的測試用例并進(jìn)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(shí)，該軟件也提供了成千上萬種不同標(biāo)準(zhǔn)測試用例，這些用例參照了世界各地的不同標(biāo)準(zhǔn)。
通過這個(gè)軟件，CDS 可以針對(duì)不同的應(yīng)用進(jìn)行配置，這意味著，這個(gè)測試方案可以仿真電動(dòng)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。可以分析 PMW 信號(hào)，包括動(dòng)力線的連接可以測試動(dòng)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。互操作性意味著：任何 EV 與任何 EVSE 之間都可以相互通信和充電。如果不希望對(duì)每臺(tái) EV 和 EVSE 進(jìn)行這樣的操作，系統(tǒng)還提供了已經(jīng)定義好的和標(biāo)準(zhǔn)化的測試用例。實(shí)際上，整個(gè)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(rèn)了標(biāo)準(zhǔn)就可以測試了它們的互操作性。
圖12 模塊化、可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)使得該系統(tǒng)支持實(shí)驗(yàn)室測試和移動(dòng)測試
此外，由于該系統(tǒng)采用了模塊化的可升級(jí)結(jié)構(gòu)，因此還可以進(jìn)行擴(kuò)展。可以將CDS用作移動(dòng)解決方案執(zhí)行外場分析任務(wù)，也可以在實(shí)驗(yàn)室里執(zhí)行非常全面的測試程序。剛才是對(duì)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(jìn)入暗室的功率高達(dá)幾兆瓦，這樣允許研發(fā)人員在對(duì)EV電動(dòng)車充電時(shí)進(jìn)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(nèi)放置。反過來操作也可以。可以使用 CDS 和電子負(fù)載來仿真暗室外的汽車。在暗室內(nèi)部，會(huì)使用充電樁來觀察系統(tǒng)充電時(shí)充電樁的 EMC 特性。同樣地，將能夠?qū)υ骷鹨贿M(jìn)行測試。這對(duì)于測試用例來說非常實(shí)用也非常有吸引力。
圖13 實(shí)際部署的CDS測試系統(tǒng)，支持對(duì)EV電動(dòng)車充電時(shí)進(jìn)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。可以看到汽車。在 CDS 之間，只需觀察充電樁與汽車之間的通信。
