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汽车试验：电动汽车无线充电系统地面端的互操作性要求及测试
2021-11-23 21:35:41· 来源：汽车测试网
无线充电技术作为目前电动汽车自动充电的最佳解决方案，是自动驾驶最后无人化操作环节的关键支撑，是我国新基建中新能源汽车充电基础设施的重要发展方向之一。当
无线充电技术作为目前电动汽车自动充电的最佳解决方案，是自动驾驶最后无人化操作环节的关键支撑，是我国新基建中新能源汽车充电基础设施的重要发展方向之一。
当前时期是电动汽车无线充电行业探索期的新起点，国内企业在无线充电设备领域已具备技术基础，国、内外主流车企已开始无线充电量产车辆的规划及研发，电动汽车无线充电行业蓄势待发。然而，电动汽车无线充电进行规模化推广，需要解决不同型号、规格的地面设备和车载设备之间互联互通的问题，以支撑在公共充电场合下的安全、高性能无线充电。
在此背景下，2021年10月11日，国家标准化委员会发布了GB/T 38775.6-2021《电动汽车无线充电系统 第6部分：互操作性要求及测试 地面端》。
典型的电动汽车无线充电系统分为地面发射端（简称地面端）和车载接收端两部分（简称车载端），如下图所示，主要包括原副边的功率变换器、补偿网络、控制器和通信模块。地面端与市电相连，作为无线充电的供电部分；车载端与车辆电池相连，把从地面端接收到的能量转化为电池需要的电能，地面端和车载端通过无线通信的方式进行信息交互。
电动汽车无线充电系统地面端的互操作性要求及测试
1 范围
本文件规定了电动汽车无线充电系统地面端的互操作性要求及测试，包括系统架构、分类、技术要求、试验准备、互操作性测试、地面参考设备等。
本文件适用于电动汽车静态磁耦合无线充电系统，其供电电源额定电压最大值为1000V(AC)或1500V(DC)，额定输出电压最大值为500V(DC)，其他额定输出电压参考执行。
2 规范性引用文件
下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单)适用于本文件。
GB/T 19596 电动汽车术语
GB/T 38775.1-2020 电动汽车无线充电系统 第1部分：通用要求
GB/T 38775.2—2020 电动汽车无线充电系统 第2部分：车载充电机和无线充电设备之间的通信协议
GB/T 38775.3—2020 电动汽车无线充电系统 第3部分：特殊要求
GB/T 38775.4—2020 电动汽车无线充电系统 第4部分：电磁环境限值与测试方法
GB/T 38775.7—2021 电动汽车无线充电系统 第7部分：互操作性要求及测试 车辆端
3 术语和定义
GB/T 19596、GB/T 38775.1―2020、GB/T 38775.2―2020、GB/T 38775.3―2020界定的以及下列术语和定义适用于本文件。
3.1 互操作性interoperability
相同或不同型号、版本的无线充电系统地面设备与车载设备通过信息交互和过程控制，实现电动汽车无线充电互联互通的能力。
[来源：GB/T34657.22017，3.1，有修改]
3.2 原边线圈primary coil
由一匝或多匝绕线绕制形成的能够产生电磁场的线圈。
注：原边线圈是MF-WPT系统原边设备的部件。
3.3 副边线圈secondary coil
由一匝或多匝绕线绕制形成的能够接收电磁场的线圈。
注：副边线圈是MF-WPT系统副边设备的部件。
3.4 地面参考设备off-board reference device
与待测试车载设备构成MF-WPT系统的测试设备。
注：附录A给出了地面参考设备的设计。
3.5 车载参考设备on-board reference device
与待测试地面设备构成MF-WPT系统的测试设备。
注：GB/T 38775.7一2021 中附录Ａ给出了车载参考设备的设计。
3.6 引导对齐positioning detection；PD
在原边设备和副边设备相隔一定距离时启动，实现原边设备与副边设备相对位置的检测，用于引导副边线圈与原边线圈进行对齐的过程。
3.7 对准alignment
在副边设备设计的离地间隙范围内，原边线圈和副边线圈在X轴和Y轴方向上的相对位置在容忍区域内。
3.8 中心对准点center alignment point
对准容忍区域的几何中心点。
3.9 可充电区域chargeable area
原边线圈和副边线圈以相对位置构成的充电区域。
注：相对位置由副边线圈的X轴偏移量、Y轴偏移量以及离地间隙构成，副边线圈进人该区域后允许进行无线充电。
3.10 对准容忍区域alignment tolerance area
当副边设备的离地间隙确定时， MF-WPT系统可以在X轴和Y轴方向上满足互操作性要求进行无线电能传输的区域。
4 符号和缩略语
4.1 符号
下列符号适用于本文件。
ACCGA-VA：原边设备和副边设备相对位置的检测精度， 由X轴检测精度和Y轴检测精度构成。
ACCix：原边设备和副边设备相对位置在X轴方向的检测精度。
ACCiy：原边设备和副边设备相对位置在Y轴方向的检测精度。
Uout-min：负载需求的最小充电电压， 也可为MF-WPT系统最小输出电压。
Uout-max：负载需求的最大充电电压， 也可为MF-WPT系统最大输出电压。
4.2 缩略语
下列缩略语适用于本文件。
CN：补偿网络(Compensation Network)
CSU：地面通信控制单元(Communication Service Unit)
EMF：电磁场(Electric and Magnetic Field)
INV：逆变器(Inverter)
IVU：车载通信控制单元(In-Vehicle Unit)
LF：低频激励(Low Frequency Excitation)
MF-WPT：以磁场为介质的无线电能传输(Wireless Power Transfer Through Magnetic Field)
PFC：功率因数校正(Power Factor Correction)
PPC：功率接收控制器(Power Pick-up Controller)
PTC：功率传输控制器(Power Transfer Controller
5 通则
5.1 系统架构
图1所示为MF-WPT的系统架构及组件。
5.2 分类
5.2.1 输入功率等级分类
MF-WPT系统输入功率等级分类符合GB/T 38775.1―2020中6.2功率等级的要求。本文件仅对MF-WPT1、MF-WPT2、MF-WPT3系统的互操作性进行规定。
注：其他输入功率等级的系统互操作性在后续版本中给出。
5.2.2 地面设备分类
地面设备可分为A类和B类，其中：
a) A类地面设备
A类地面设备应满足系统性能和系统安全性的要求，A类地面设备应满足与GB/T 38775.7—2021中附录A的车载参考设备的互操作性。
b) B类地面设备
B类地面设备应满足系统性能和系统安全性的要求，B类地面设备可不满足与GB/T 38775.7—2021中附录A的车载参考设备的互操作性。
注1：B类地面设备可与设备制造商指定的车载设备构成MF-WPT系统进行系统性能和系统安全性测试。
注2：系统性能包括系统效率、输出功率、功率因数、对准容忍区域等。
注3：系统安全性包括电击防护、过载保护和短路承受、温升和防止过热、机械事故防护、电磁环境限值等。
地面设备与车载参考设备构成MF-WPT系统时， 应支持车载参考设备满足系统性能和系统安全性的要求。
5.2.3 离地间隙分类
对于A类地面设备与车载参考设备构成的MF-WPT系统， 地面设备支持的离地间隙分类应满足其可支持的副边设备的离地间隙范围，如表1所示。
对于B类地面设备和车载设备构成的MF-WPT系统， 地面设备支持的离地间隙范围由设备制造商和用户协商确定。
6 要求
6.1 地面参考设备要求
地面参考设备应按附录A的要求进行设计。地面参考设备与不同离地间隙的车载设备互操作性应满足表2的要求。
6.2 充电前准备阶段要求
A类地面设备的充电前准备阶段要求应按照8.1规定的测试方法进行测试。
A类地面设备的安全测试结果应符合GB/T 38775.1-2020中第10章安全要求、12.3车辆碾压，GB/T 38775.3―2020中5.8.6活体保护以及GB/T 38775.4—2020中第4章保护区域和限值符合性要求、第5章限值的规定。
6.3 充电启动阶段要求
对于A类地面设备与车载参考设备构成MF-WPT系统时， 应满足以下条件才可进入充电状态：
a)初始对位预检完成，原边设备和副边设备在可充电区域内；
b)配对预检通过；
c)兼容性检测预检通过；
d)车载参考设备频率检测通过且频率锁定；
e)通过异物检测、活体保护功能的测试。
A类地面设备在充电启动阶段宜完成引导对齐功能，引导对齐功能要求见附录Ｂ的B.1，引导对齐功能的实现方法见附录C。
异物检测、活体保护测试方法应符合8.2的规定。
初始对位预检、配对预检、兼容性检测预检的要求及测试方法见B.2~B.4。
A类地面设备宜支持车载参考设备的频率检测及频率锁定功能，车载参考设备的频率检测及频率锁定功能宜符合GB/T 38775.7―2021中附录Ｃ的要求。
A类地面设备与车载参考设备构成的MF-WPT系统功率上升速度应不低于0.25kW/s， 宜不高于2kW/s。
B类地面设备和车载设备构成的MF-WPT系统充电启动阶段要求由设备制造商和用户协商确定。
6.4 充电传输阶段要求
6.4.1 一般要求
A类地面设备制造商应提供以下信息：
——地面设备的最大输入功率；
——地面设备支持的离地间隙分类(最大值和最小值)；
——地面设备支持的最大偏移范围；
——地面设备支持的工作频率范围(最大值和最小值)以及是否可支持调频模式，A类地面设备应提供标称频率。
对于A类地面设备与车载参考设备构成的MF-WPT系统， 应满足以下要求：
——CSU应可接收IVU发送的原边线圈电流有效值请求值， 电流单位为A， 且地面设备应能够提供请求的原边线圈电流有效值。
——如果IVU发送的原边线圈电流有效值请求值大于其设计值， 则CSU应向IVU返回无法提供原边线圈电流有效值的指令， 且地面设备不应按照IVU电流有效值请求值提供功率传输， 并向IVU返回地面设备可以提供的原边线圈电流有效值的最大值。
——在充电传输阶段， 如果IVU请求改变原边线圈电流有效值， 则CSU应在接收指令后改变地面设备的原边线圈电流有效值， 并返回信息至IVU。
6.4.2 功率传输控制回路要求
对于A类地面设备与车载参考设备构成的MF-WPT系统， 其功率传输控制回路应采用图2所示电路。
B类地面设备与车载设备构成的MF-WPT系统功率传输控制回路由设备制造商和用户协商确定。
6.4.3 输出功率要求
A类地面设备与车载参考设备构成的MF-WPT系统输出功率测试应按照8.3中的测试方法进行，测试时车载参考设备应支持地面设备以不低于0.25kW/s的功率启动。
且A类地面设备与车载参考设备构成的MF-WPT系统额定输出功率应满足表3的规定， 其中：
a) 输出功率等级为MF-WPT1的MF-WPT系统应满足：
地面设备输入功率等级为MF-WPT1、MF-WPT2、MF-WPT3时， 输出功率等级为MF-WPT 1的系统应可实现设计的最大输出功率。
b) 输出功率等级为MF-WPT2的MF-WPT系统应满足：
——地面设备输入功率等级为MF-WPT2、MF-WPT3时， 系统应可实现其设计的最大输出功率；
——地面设备输入功率等级为MF-WPT1时， 系统可实现不低于2.96kW的额定功率输出。
c) 输出功率等级为MF-WPT3的MF-WPT系统应满足：
——地面设备输入功率等级为MF-WPT3时， 系统应可实现其设计的最大输出功率；
——地面设备输入功率等级为MF-WPT2时， 系统应可实现不低于6.16kW的额定功率输出；
——地面设备输入功率等级为MF-WPT1时， 系统可实现不低于2.96kW的额定功率输出。
B类地面设备与车载设备构成的MF-WPT系统输出功率由设备制造商和用户协商确定。
6.4.4 系统效率要求
MF-WPT系统效率是指车载参考设备(图1中模块25) 输出功率与地面设备(图1中模块15) 输入功率的比值，其测试点应依据GB/T 38775.1―2020中5.2的规定选定。
A类地面设备与车载参考设备构成的MF-WPT系统效率测试应按照8.3.2规定的测试方法进行。效率测试时，应测试车辆需求的充电电压范围(最低电压至最高电压)，且系统效率应满足表4的规定，其中，效率测试时，地面设备的异物检测、活体保护功能应处于工作状态。
6.5 充电停止阶段要求
以下情况下，地面设备应停止充电：
a) 车载参考设备发出停止充电请求；
b) 地面设备发出停止充电请求；
c) CSU和IVU之间的通信断开；
d) 检测到异物；
e) 检测到活体；
f) 检测到故障。
地面设备应保留允许用户主动停止充电的方式，如地面设备安装停止充电按钮。
输出功率下降速度应不低于2.5kW/s，紧急情况下，系统应在1s内停止功率传输。
注：紧急情况为地面设备执行急停。
B类地面设备和车载设备构成的MF-WPT系统的传输功率下降速度由设备制造商和用户协商确定。
7 试验准备
7.1 频率设置
地面设备的工作频率应按照表5中规定的标称频率设置， MF-WPT系统工作频率应按照表5中规定的标称频率设置。
MF-WPT系统在工作状态时， 应采用定频工作模式。
7.2 对准容忍区域与对准点设置
A类地面设备的对准容忍区域应由设备制造商提供，且提供的偏移范围应至少满足表6要求的范围。
A类地面设备进行互操作性测试时的中心对准点应在设备表面进行标记，应为原边线圈的几何中心点或由设备制造商指定，在测试时中心对准点的坐标应为X=0、Y=0。
B类地面设备进行测试时的中心对准点宜在设备表面进行标记。
7.3 输出电压测量点选择
互操作性测试时， 对于充电电压范围为Uout-min~Uout-max的试验负载， MF-WPT系统车载参考设备的输出电压测试点应至少包括：
——输出电压最小值；
——系统满功率输出的最小输出电压测试点，该测试点的输出电压值由设备制造商提供；
——输出电压最大值；
——系统满功率输出的最大输出电压测试点，该测试点的输出电压值由设备制造商提供。
注：对于超过500V的输出电压，系统输出电压测试点由设备制造商提供。
7.4 测试装置布置
互操作性测试时，应采用模拟底盘的材料或组件来代替车辆底盘，车载参考设备应安装在模拟底盘的材料或组件上。模拟底盘的材料或组件包括屏蔽组件、钢板两部分。屏蔽组件可采用图4所示的屏蔽板，亦可由设备制造商提供；若屏蔽组件由设备制造商提供，应在测试报告中注明，互操作性测试中，地面设备应包含外壳等所有组件。试验负载宜采用电子负载。车载参考设备、屏蔽层、汽车模拟底板之间应紧密贴合。
MF-WPT系统互操作性测试的台架布置示意图如图4所示。
8 测试方法
8.1 充电前准备阶段测试
A类地面设备与车载参考设备组成MF-WPT系统时， 其安全测试应按照GB/T 38775.1―2020中第10章安全要求及12.3车辆碾压的规定执行。
地面设备的IP等级应按照GB/T 38775.3―2020中8.6.2外壳的IP等级及8.6.3原边设备的IP等级规定执行。
电磁环境限值的测试应按照GB/T 38775.4一2020中第6章测试方法、第7章测试结果评定的规定执行。
8.2 充电启动阶段测试
8.2.1 异物检测测试
8.2.1.1 通则
异物检测的测试对象应符合GB/T 38775.3一2020中表7的规定。
异物检测的测试对象包括2类：
——第1类为由于温升可能引起的触碰风险的物体，应至少包括GB/T 38775.3―2020表7中的所有温升测试物体；
——第2类为由于温升引起的燃火风险的物体，应至少包括GB/T 38775.3―2020表7中的所有灼热测试物体。
根据MF-WPT系统功率传输状态， 异物检测应测试以下2种情况：
——第1种为MF-WPT系统未进行功率传输时异物检测功能启动运行， 这种情况下MF-WPT系统宜进行异物检测的测试；
——第2种为MF-WPT系统进行充电传输时的异物检测功能启动运行， 这种情况下MF-WPT系统应进行异物检测的测试。
异物检测测试过程中，原边线圈和副边线圈应在最大离地间隙下处于最大偏移状态，对于相应功率等级的车载参考设备， 应保证MF-WPT系统工作在最大输出功率等级。在以上情况下， 如果原边线圈的电流未达到最大设计值，则应增加一次原边线圈达到设计的最大电流值的测试。
8.2.1.2 测试区域
异物检测区域应包括GB/T 38775.3一2020中图6所示的区域。
异物检测测试过程中，测试对象应平放在原边设备的上表面。
对于A类地面设备，车载设备应采用GB/T 38775.7—2021中附录A中规定的车载参考设备，且车载参考设备可支持地面设备实现其设计的最大功率传输。
对于B类地面设备，可采用设备制造商提供的车载设备。
注：对于地埋式安装原边设备的异物检测，由于设备上表面与地面存在一定的垂直距离，因此不适用于本文件规定的异物检测测试方法。地埋式安装的原边设备的异物检测测试方法在后续版本中规定。
对于测试对象平放在原边设备上表面的异物检测测试，应分为如图5所示的n×m个区域，其中n和m宜取值为8。
区域 “ ij ” (i≤n、j≤m)内测试点的设置应符合：
——当区域 “ ij ” 的面积Sj≥25cm”时，每个测试区域“ij”应设置5个测试点，测试点设置如图6a)所示；
——当区域 “ ij ” 的面积为9cm²≤Sij<25cm²时，每个测试区域 “ ij ” 应设置3个测试点，测试点设置如图6b)所示；
——当区域 “ ij ” 的面积<9cm²时，每个测试区域 “ ij ” 应设置1个测试点，测试点位于区域 “ ij ” 的物理中心点。
测试对象的物理中心点应与测试点的物理中心点重合。
测试对象的放置位置可增加额外两处，可放置在原边设备和副边设备之间，亦可放置在副边设备下表面。
8.2.1.3 测试步骤
异物检测测试步骤应为：
a) 将测试对象放置于区域“11”内的测试点上。
系统显示检测到异物并进行关机，则测试对象通过区域11内的异物检测测试，进入步骤b)。
若系统未显示检测到异物时，持续测试被测区域及异物的表面温度，被测区域及异物达到热平衡状态时，同时检测GB/T 38775.3—2020中8.8.3中图示的温度测试点的温度，当所有测试点物体的温度符合GB/T 38775.1―2020中10.4.2和10.4.4的规定，则被测物体通过区域11内的异物检测，进入步骤b)。
注：热平衡是指被测物体在30s的连续测试过程中温度变化不超过1℃。
b) 将测试对象放置于区域12内，重复步骤a)的内容。
c) 将测试对象逐步放置n×m个区域内，若测试对象通过n×m个区域内的异物检测测试，进入步骤d)。
d) 将GB/T 38775.3—2020中8.8.3表7以及本文件8.2.1.1中列举的测试对象均执行步骤a)~c)，且所有测试对象均通过测试，则判定设备具有异物检测功能。
8.2.2 活体保护测试
8.2.2.1 通则
活体保护测试中，原边线圈和副边线圈应在最大离地间隙下处于最大偏移状态，对于相应功率等级的车载参考设备， 应保证MF-WPT系统工作在最大输出功率等级。
注：在以上情况下，如果原边线圈的电流未达到最大设计值，则应增加一次原边线圈达到设计的最大电流值的测试。
活体保护测试应采用直径5cm的球作为测试对象，且球应与圆筒连接。球体和圆筒的外壳宜为ABS或PC塑料材质， 且内部应填充水或0.9%浓度的盐溶液， 外壳材质厚度宜为2mm~5mm。测试时，球应以(1士0.1)m/s的速度侵入活体保护区域。测试对象示意图如图7所示。
8.2.2.2 测试区域
活体保护测试区域的设置应符合图8所示区域。
测试点T0α-h由3部分的变量构成， 其中θ表示侵入方向测试点的变量， α表示侵入方向确定后分角度测试点的变量，参见区域7的示意图，h表示Z轴方向间隔测试点的变量。
区域3应由满足EMF限值的边界测试点构成， 区域4边界与区域3边界的距离应不小于10cm。
以原边线圈下表面中心对准点为零点，建立X、Y、Z的三维坐标，其中XY平面应与原边线圈的下表面平行。
测试点T0α-h中θ为侵入方向测试点的变量， 图8列出部分活体侵入方向， 测试点T0α-h与T(0+1)α-h应以相同角度θT设置，θT的值应不大于36°。
测试点T0α-h中α为侵入方向上不同角度测试点的变量， 图8列出了测试点T2α-h中部分角度， 测试点T0α-h与T0(α+1)-h应以相同角度αT设置，αT的值应不大于30°。
测试点T0α-h中h为Z轴方向间隔测试点的变量，图8列出了测试点T0α-h中部分间隔， 测试点T0α-h与T0α-(h+1)应以相同间隔hLOD设置，hLOD的值应设置为5cm， 若副边设备离地间隙Z/hLOD为非整数，则最后一组测试点hLOD的值可小于5cm。
当测试对象以图8中侵入方向的相反方向离开区域4时， MF-WPT系统宜重新启动充电功率传输。
8.2.2.3 测试步骤
活体保护的测试步骤应为：
a) 以原边线圈下表面作为h的测试起点，测试对象以测试点T11-1方向侵入区域4，系统能够检测到入侵， 并进行关机， 则判定MF-WPT系统在测试点T11-1活体保护功能有效。
b) 增加α的值， 若测试点T1α-1系统均能够检测到入侵， 并进行关机， 则判定MF-WPT系统在测试点T1α-1活体保护功能有效。
c) 增加θ的值， 若测试点T0α-1系统均能够检测到入侵， 并进行关机， 则判定MF-WPT系统在测试点T0α-1活体保护功能有效。
d) 增加h的值， 若测试点T0α-h系统均能够检测到入侵， 并进行关机， 则判定MF-WPT系统通过在所有测试点活体保测试。
8.3 充电传输阶段测试
8.3.1 测试点选择
系统输出功率和系统效率的测试点应至少满足GB/T 38775.3—2020中8.2.2MF-WPT系统有偏移条件下的系统效率测试和GB/T 38775.3―2020中8.2.3MF-WPT系统有偏转条件下的系统效率测试的规定。若设备制造商提供的对准容忍区域的X轴、Y轴的最大值大于GB/T 38775.3―2020中8.2.2MF-WPT系统有偏移条件下的系统效率测试的规定值， 则应增加测试点数， 增加的测试点如图9所示。
测试点应以25mm作为步长，若设备制造商提供的对准容忍区域的X、Y轴最大值不是25mm的倍数， 则X、Y轴的最后测试点可不以25mm作为步长， 应以Xmax、Ymax作为X、Y轴的最后测试点。
8.3.2 系统输出功率和系统效率测试步骤
对于系统输出电压范围为Uout-min~Uout-max的MF-WPT系统， 系统输出功率和系统效率的测试步骤应按以下进行：
a) 系统输出电压为Uout-max， 测试车载参考设备在额定离地间隙、最大离地间隙以及最小离地间隙条件下系统设计的100%输出功率、75%输出功率以及50%输出功率三种状态下所有测试点在无偏转及有偏转角度下的系统输出功率和系统效率。
b) 系统输出电压为0.75×Uout-max， 测试车载参考设备在额定离地间隙、最大离地间隙以及最小离地间隙条件下系统设计的100%输出功率、75%输出功率以及50%输出功率三种状态下所有测试点在无偏转及有偏转角度下的系统输出功率和系统效率。
c) 系统输出电压为Uout-min， 测试车载参考设备在额定离地间隙、最大离地间隙以及最小离地间隙条件下系统设计的100%输出功率、75%输出功率以及50%输出功率三种状态下所有测试点在无偏转及有偏转角度下的系统输出功率和系统效率。
d) 系统输出电压为Uout-min且MF-WPT系统无法实现设计的100%输出功率时， 则按照设备制造商提供的可实现系统设计的100%输出功率的最低输出电压进行测试，测试车载参考设备在额定离地间隙、最大离地间隙以及最小离地间隙条件下系统设计的100%输出功率、75%输出功率以及50%输出功率三种状态下所有测试点在无偏转及有偏转角度下的系统输出功率和系统效率。
注：额定离地间隙由设备制造商指定，在最大离地间隙和最小离地间隙之间。
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