电动汽车和充电桩的一致性与互操作性测试

构建密集的快速充电网络是电动汽车走向大众的一个关键因素。充电桩的建设在不断提速，但是电动汽车和充电桩之间的互操作性还未得到足够的重视，而这方面的综合测试对于汽车制造商来说是必不可少的。目前，行业中普遍的做法是使用尽可能多的真实充电桩来手动测试车辆。考虑到电动汽车和充电桩的类型越来越多，单纯依靠手工测试已经远远无法保障产品发布和发现问题的效率。汽车制造商和供应商如果想要更快、更高效地完成测试，只能寻找更合适的能够根据国际标准进行自动化测试的一致性测试系统。

充电桩一般分为交流充电桩和直流充电桩，高速公路和城市快速路的快速充电桩采用的高功率直流充电，要比家用车库充电采用的交流充电模式复杂得多。欧洲和美国广泛使用的CCS（Combined Charging System，组合充电系统）是直流快速充电的通用标准。来自汽车行业的多家公司和组织联合推出的CharIN（Charging Interface Initiative e.V.），其主要目的也是为了持续推进并完善CCS，以使该系统成为电动汽车充电的全球标准。CharIN根据不同的领域划分了五个专家组，其中一致性和互操作性专家组主要负责创建测试硬件和软件的规范，电动汽车和充电桩制造商可以基于这些规范对其产品进行CCS一致性自动化测试。

1  从“充电园区”到一致性测试

在手动测试无法应对电动汽车和充电桩的数量和种类日益增长的情况下，使用符合一致性测试规范的测试系统，可以大大减轻电动汽车和充电桩制造商的测试工作量。如果为了追求百分之百的测试覆盖率，理论上对每辆电动汽车都需要和每个可能交互的充电桩逐一进行测试，如图1所示。大型汽车制造商们维护的“充电园区”就是类似这种测试场景的一个代表，为了尽可能多的与其他产品进行测试，“充电园区”汇集了电动汽车和充电桩的制造商。一般来说，这类测试只关注ECU级别，但也可以涉及整车和充电桩。这种模式需要各方共同的努力，会导致高昂的成本，对一些小型汽车制造商和供应商来说是难以承受的。

一致性测试可以在实验室轻松进行，相对来说成本较低，因此未来的发展趋势是开发人员使用符合一致性和互操作规范的硬件和软件测试系统测试其产品，如图1所示。CCTS（CharIN CCS Test System）系统的功能非常强大，可以处理直流充电和交流充电的多种不同充电模式，并且支持各种充电标准，如DIN 70121、ISO 15118、IEC 61851-1等。


图1 一致性和互操作性测试的现状和未来

2  充电设备的干扰：故障注入

自动化的一致性测试系统可以实现故障的注入。例如，当充电的一方设备未能按照规定的时序发送报文或者发送的内容不正确等，必须要检查另一方设备的行为是否也符合标准规定。在使用真实设备手动测试的场景下，进行故障注入极为困难，一般只会进行正确的正向功能验证。对于报文序列和内容、充电参数以及其他边界参数等，只能通过仿真的测试系统去修改。

CCS系统本着即插即用的原则，其长期目标是让充电变得更加便捷。车辆只需用插头连接到充电桩，然后所有的必要操作（如识别、计费、协商电价等）都将自动执行，未来还将支持产品认证，让车辆可以在任何经过认证的充电桩进行充电。这项认证由CharIN推广。在认证过程中，测试公司和测试伙伴都将参与进来，对测试对象进行CharIN规定的所有测试。

3  符合CCS标准的测试系统

测试从开发阶段就会进行各种功能验证。在CharIN的文档中详细描述了符合标准的测试系统其硬件和软件如何去实现，需要哪些功能以及数百条测试项中哪些是必须要测试的。任何拥有相关专业知识的工程师都可以基于这些文档开发CCTS，图二即Vector开发的针对实车的CCTS。即使参考相同的文档，每个CCTS在实现的细节上都会有所不同，包括软件的用户界面和由被测系统（SUT）决定的硬件设备。例如，电源模块差别就可以很大：一般来说使用充电功率相对较低的电源模块就足以满足通信测试，但实际上，客户在这方面的需求彼此之间有很大差异。这也是为什么CCTS规范仅仅涵盖测试系统的最低要求的原因。


图2 面向实车的CCS测试系统

理想情况下，测试软件和CCTS在设计上允许对开发过程的每个集成级别进行测试，如图3所示。在软件开发的最初阶段，尚不涉及硬件，但是测试用例已经可以用于检查独立于任何硬件的嵌入式代码中的错误。在下一阶段，即ECU的A样或B样阶段（通信硬件已经连接），可以在没有真实充电设备情况下，测试PLC（电力线通信）和PWM（脉宽调制）通信等。到第三阶段，试生产和生产车辆的测试，此时需要配置完整的CCTS，包括带有大功率的电源模块。当车辆请求充电时，测试系统可以进行实际供电，模拟完整的充电过程。不管怎样，越早进行测试，回报越高，越往后发现错误进行故障排除的代价也会越大。


图3 测试用例在各集成阶段的复用

4  CCS测试解决方案

Vector作为CharIN一致性和互操作性专家组的成员，开发了CANoe Test Package EV产品，其包含的测试用例可用于一致性和互操作性测试。这些测试用例覆盖了CCS标准各个协议的现有测试规范以及CharIN的修订版，并且与Vector现有工具链无缝集成。该测试包基于CANoe Option Smart Charging和vTESTstudio，并提供测试用例的源代码。硬件部分集成了用于hil测试的VT系统，其中VT7970（VT7870）模块主要用于PLC和PWM的充电通讯。测试用例可以直接在VT系统上运行。结合用户需求，Vector可将VT系统升级为集成第三方电源模块的全功能CCTS系统，其中电源器件可根据不同用户的差异化需求单独设计。例如，对于某些用户，最高600V的充电电压已经足够，而有些则需要1000V。Vector的电动汽车测试解决方案支持CharIN接口，可以集成来自不同制造商的CCTS硬件和软件。用户可以使用当前已有的或首选的硬件，而不必购买昂贵的新硬件设备。

5  简单易用的工具流程

CANoe Test Package EV遵循Vector产品一贯的结构简单明了的理念。通过CANoe Test Package EV测试生成器可一键生成vTESTstudio测试工程，并导入到CANoe中，在CANoe中执行测试用例并控制相关测试设备。在测试脚本执行结束后会自动生成测试报告，整个流程如图4所示。由于源代码中提供了测试脚本，用户不仅可以去查看每条测试用例具体的内容，还可以根据需要在vTESTstudio中修改测试脚本以适配当前的测试环境。单击鼠标即可完成测试的执行。在测试执行过程中，测试人员可以在CANoe中清晰地看到哪些测试用例通过，哪些测试用例失败以及哪些测试用例仍在执行等。


图4 基于CANoe和vTESTstudio的CANoe Test Package EV
测试流程

图4中的工作流程在产品开发的每个级别上都是相同的，无论是对软件代码的测试，结合VT系统对ECU的测试，还是结合完整的CCTS对整车的测试。除CANoe外，vVIRTUALtarget软件工具还会用于测试嵌入式代码。这套完整的工具链不仅针对电动汽车的测试，也可以覆盖传统汽车的测试，且工作流程类似。

6  支持CCS、GB/T 和 CHAdeMO国际标准

CANoe Test Package EV在不断进行开发和完善，以支持全球所有的充电标准。除CCS外，还包括中国的GB/T标准，日本的CHAdeMO标准。此外针对于充电桩的测试包也在积极开发中。Vector的测试解决方案的模块化性质，让用户可以根据需求去量身定制测试系统，使用实际采用的充电标准及对应标准测试所需要的软件模块和硬件设备。例如，CCS测试系统除了需要基本的CANoe Option Smart Charging和vTESTstudio以外，还需要CANoe Option Ethernet，因为CCS采用的是基于以太网协议的PLC通信；国标GB/T采用的是J1939通信协议，故需要CANoe Option J1939；CHAdeMO采用CAN协议通信，CANoe即可满足要求，无需增加其它Option。

7  总结和展望

CCS测试解决方案不仅可以让汽车制造商和供应商免于使用真正的充电桩进行耗时耗力的产品测试，而且可以提供更为详尽的有意义的测试结果。该方案在适配客户需求方面非常灵活，可以通过CharIN接口与第三方制造商的测试硬件配合使用。对当前的充电标准的支持也在不断扩展，现有的测试用例也会根据相应测试规范的发布进行更新。目前，已经支持CCS（DIN 70121/ISO 15118）和GB/T 27930标准，后续的CANoe Test Package EV版本将会支持CHAdeMO。

Vector将于2021年发布用于充电桩测试的测试包。充电桩测试与本文介绍的针对电动汽车的测试流程基本一致，并且会使用相同的工具。