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EV全球充电协议测试方案

2018-12-11 21:19:58·  来源：Vector维克多  
　
欧标与美标随着电动汽车和充电桩系统的日益多样化，不同组件之间的互操作性和标准的一致性变得越发重要。为了确认充电过程中的中断源，并针对各种干扰进行可靠性
欧标与美标
 
随着电动汽车和充电桩系统的日益多样化，不同组件之间的互操作性和标准的一致性变得越发重要。为了确认充电过程中的中断源，并针对各种干扰进行可靠性和鲁棒性测试，需要在开放的测试系统中进行一致性覆盖测试。
 
当前全球有三种充电协议标准：欧洲和北美采用联合充电系统（CCS，Combined Charging System），中国使用GB/T27930和GB/T18487，日本使用CHAdeMO。这些标准之间的差异化在于充电插头/接口组合，底层物理连接以及用于车辆和充电基础设施之间通信的协议。GB/T27930和CHAdeMO基于CAN总线，CCS则是基于以太网协议的电力线通信（PLC，Power Line Communication）。
符合IEC 61851和IEC/ISO 15118的充电流程
IEC 61851 中定义四种电动汽车充电模式。
  • 模式1：使用单相电源充电，最大电流为16 A，没有导频信号。
  • 模式2：使用单/三相电源充电，最大电流为32 A，有导频信号。
  • 模式3：使用单/三相电源充电，最大电流为63 A，充电桩提供导频信号。
  • 模式4：最大400 V/125 A的直流充电。
模式1充电不涉及车辆和充电基础设施之间的通信，但模式2、3和4中的充电则基于PWM信号，通过CP（Control Pilot）连接进行底层通信。如果车辆和充电桩同时支持上层通信，需按照HomePlug GreenPHY标准将相应的信号调制为PWM信号，即PLC。PLC只适用于IEC/ISO15118中描述的充电模式3和4。原则上，所有基于PLC的充电通信都要求通过PWM来传输。因此，完整的测试系统必须处理这两种通信模式。
充电系统各组件功能
充电桩和电动汽车的基本功能分别如表1和表2描述。
表1：充电桩直接/间接连接车辆时功能
充电桩功能描述     实现方式
CP通讯                基于PWM的频率信号。如必要，可将PLC信号调制为PWM信号。
充电线最大负载              通过PP（Proximity Pilot）与PE（Protective Earth）之间的电阻编码解析，负载大小取决于连接器中的电缆横截面。
充电设备可提供最大电流              基于PWM信号占空比解析。
上层通讯              预留占空比3%-7%为特定含义解析。
PLC              用于复杂信息的通信，例如充电模式、付费方式和安全认证等。
电力源              根据国家地区选择介于100 V和240 V的单/三相交流电，或者通过单独的电缆提供直流电源。

表2：充电时可见的车辆功能
电动车功能描述              实现方式
插头连接状态指示              在CP和PE之间并联电阻将CP检测点电平从12 V降至9 V。
连接器互锁状态指示              在CP和PE之间并联额外电阻将PWM信号从9 V降至6 V。
散热需求指示              在CP和PE之间并联额外电阻将PWM信号从6 V降至3 V。
PLC              用于复杂信息的通信，如充电模式、付费方式和安全认证等。
功率需求              通过底层或者上层通讯协议。
 
充电通信测试系统要求
完整的SCC（Smart Charging Communication）测试系统可验证充电组件在各个阶段运行状态。该测试系统必须能够同时分析和模拟负载电路和通信信号，例如CP和PLC信号。此外，还需要仿真、解析和在必要时修改PLC数据。同时还需具备故障注入能力，包括内部互短和短电池电源/地，以及修改车辆和充电桩之间CP通信的电阻值。最后，测试系统必须能够针对电流和电压去测量和分析负载电路（AC或DC），并以确定的方式对其进行干扰。
 
测试系统的模式和要求：
对于组件测试和鲁棒性分析，测试系统必须提供符合标准的所有接口变量，并为每个被测组件提供明确的故障注入模式。
如图1所示的充电通信，测试内容包括：
  • CP：PWM（电平，电阻值，占空比，时间序列）和PLC（通信结构，标准通讯数据，错误消息）
  • PP：包括异常电阻编码等
图1：充电控制单元和充电桩（EVSE，EVSupply Equipment）的交互
对于模拟EVSE对EV充电控制单元进行组件/鲁棒性测试（图2左），测试系统需提供如下功能：
  • 线缆供电：过压/欠压，斜率特性，谐波干扰
  • 车辆通讯（如CAN总线）：仿真错误报文和电气故障
  • 交/直流负载信号：针对充电各阶段的电压波动
  • 电网模拟器：仿真世界各地区电网（电压，频率，干扰电源等）
  • 直流充电电源（如需要）
对于EVSE测试，模拟EV各种极限值之外（图2右），还需要：
  • 连接到真实或仿真的电力系统
  • 模拟互联网环境（如需要）
图2：组件测试
对于执行互操作性测试，需将测试系统接入充电桩和车辆之间（图3）。此时有两种操作模式：
  • 监测模式，只能对CP、PP和负载电路的电信号进行测量。
  • 网关模式，可解析和修改基于上层通讯的PLC消息，根据需求断开、短路和修改CP线路，解析加密通讯信息。
此外，测试系统还必须具有执行、记录、监测单元以及用于创建和管理测试用例功能。针对庞大的系统测试需求，IEC/ISO15118 第4和第5部分将提供标准化测试规范。
图3：互操作性测试
 
联合充电系统
 
针对众多厂商不同组件间匹配问题，Charging Interface Initiative（CharINe.V.）作为全球重要电动汽车厂商成立的开放式协会，开发和建立CCS作为各种电动汽车充电标准，提升充电基础设施的便利性与成本效率。
 
CCS对于欧盟的快速充电系统是强制性的，在交流系统中通过单/三相交流充电最高可达43千瓦，直流充电最高可达200千瓦，未来充电功率可达350千瓦。此外，CCS明确定义了连接器和插座以及车辆与充电桩之间的通信。
 
CCS中一项重要任务是对不同车辆和充电站进行适配性测试。制造商正在定期组织测试项目，但随着电动汽车的快速增长，利用各种类型的充电站测试每一辆车越发困难。因此，CharINe.V.致力于定义一致性测试系统，使之适用于模块化和可扩展的系统，并确保其产品支持标准化测试用例，而相关硬软件可以来自不同的生产商（图4）。
图4：CharIN e.V.模块化/可扩展化测试系统定义
Vector作为CharIN组织成员，积极参加一致性测试相关技术推广，定制开发了针对包含PLC在内测试所需的I/O板卡，并通过vTESTstudio创建满足充电标准的一致性测试脚本库，以及支持测试报告筛选过滤分析的TestReport Viewer，结合CANoe构成完整的CCS测试平台（如图5所示）。
图5：CCS测试系统解决方案
除CANoe外，欧标一致性测试还需CANoe Option Ethernet 和 Option Smart Charging。Option Ethernet用于支持以太网充电报文的解析，Option Smart Charging则支持EV和EVSE的仿真通讯。测试系统所需的整车网络总线行为，直接通过CANoe自带的网络管理、通信和传输层DLL库构建。整套系统功能包括（如图6所示）：
  •  支持交流和直流充电
  • 支持协议版本：DIN 70121，DIN 70121 RC1和ISO 15118PRE
  • EXI编码/解码
  • 通过CAPL读取和写入消息参数
  • 通讯时序控制（例如延迟和暂停模式）
  • IPv4和IPv6
  • 分析、传输和接收SLAC（Signal Level Attenuation Characterization）命令
  • 支持TLS加密传输
图6：EV和EVSE仿真通讯
VT System是与CANoe无缝集成的I/O板卡，可提供CCS测试所需的硬件环境，模拟ECU传感器和执行器。VT7870是基于VT7900A扩展板的子板（如图7和图8所示），专用于SCC测试，涵盖底层和上层通信，满足EV和EVSE测试以及相关故障注入：
  • 控制导引PWM通信测试（CP）
  • 基于CANoe系统变量激励和分析PWM信号
  • 支持PLC
  • 集成DevoloDLAN® GreenPHY模块
  • 控制导引的故障模拟（开路/PE短路）；
  • 模拟信号公差
  • 支持公差范围内电阻值调节
  • 支持PWM信号参数修改（频率，占空比，电压）
  • PP电压测量
  • 符合IEC 61851-1附录A电路
图7：VT7900A（扩展板）和VT7870（子板）
图8：VT7870电气原理图
对于功率级充放电测试，CANoe可通过Ethernet、CAN、RS232、GPIB等接口控制CharINe.V.支持的第三方电源或电子负载，如图9所示：
图9：支持CharIN e.V.设备控制
Vector提供SCC Test Package，用于检查是否符合ISO/IEC15118-4/5和DINSPEC 70122规范的测试脚本。该测试用例通过自动化测试脚本设计开发工具vTESTstudio实现（如图10所示）。vTESTstudio支持基于测试需求建模生成Excel或PDF的测试规范；测试步骤使用拖拽配置的表格方式，也可封装CAPL或C#满足特殊测试需求；支持与主流测试管理工具的集成。
图10：SCC测试脚本（vTESTstudio）
CANoe支持如下测试功能（如图11所示）：
  • 测试脚本自动化执行
  • 变体选择
  • 随机打乱测试序列
  • 自动存储log日志
  • 测试用例勾选执行
  • 测试数据同步分析
  • 自动生成测试报告
图11：SCC一致性测试（CANoe）
Test Report Viewer是CANoe自带的报告分析器（如图12所示），支持报告的筛选过滤分析，可以直接从报告跳转到对应的测试执行数据和测试脚本，还可通过虚拟打印机导出二次处理的PDF格式的测试报告。
图12：通过Test Report Viewer查看测试结果
本文为充电协议一致性测试的第一部分，后续第二部分将就国标和日标充电协议一致性做进一步说明。 
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