电动汽车充电设备测试技术和解决方案_汽车行业

和新能源汽车相关的三电测试技术包含电池储能测试、逆变器测试、充电测试、BMS测试等，如图1所示。本期为大家介绍KEYSIGHT充电技术测试，暨针对整个电动汽车和电动汽车充电基础设施（通常指充电桩和充电箱）所提供的测试解决方案。

图1 新能源汽车相关的测试技术

摘要：
汽车元器件独立测试的概念与模型
汽车充电设备测试技术和方案

第一部分：汽车元器件独立测试的概念与模型

首先，以「逆变器」为例，先给大家介绍汽车中元器件独立测试的概念。然后，再来介绍为整个电动汽车和电动汽车充电设备生态系统而打造的测试解决方案。假设现在准备开发一个电气传动系统的元器件，并且接下来要对它进行验证测试，这就会面临某些挑战。比如：“如何确保这个元器件能够满足复杂系统的要求？”这里的“复杂”是指这些元器件不仅要连接高压电源，还要连接低压通信。如何执行这类测试？

图2 图片来自于宝马 i3

绝大多数人一定希望立即测试自己的逆变器，而不是等到其他元器件都备齐后再开始。为了减少开发时间和成本，研发人员通常不会等到电机系统开发完成之后再来做这项测试。此外，同样重要的是：“如何确保元器件在发生故障时也能正常工作？怎样对元器件的故障进行测试？” 比如，连接的元器件有可能出现了故障，要怎样进行测试？这些都是在进行元器件独立测试时将会遇到的主要挑战。

以电动汽车宝马i3为例来说明，在这辆车里，有不同的元器件，有些元器件是连在一起的。例如，这个逆变器位于后侧，在它下方则是电机，因此逆变器与电机靠得非常近。假设在没有电机和电池包的情况下，对逆变器进行测试，并且只测试逆变器本身。要测试逆变器，必须用所谓的电机模拟器（Machine Emulator）来替代电机。而旁边的电池也必须用这个电池模拟器来替代，如图所示，它被称作「动态直流电池模拟器」（Dynamic DC Emulator）。同样，在低压方面，必须对汽车中信号进行仿真。对于有现有的模型，无论是 Matlab Simulink 模型还是其他模型，都可以用它来仿真道路场景或仿真循环驾驶的路况，等等。

图3 汽车元器件测试 V-Model

使用 Power HiL 系统来进行车辆仿真。「电机模拟器」可以仿真不同的电机。可以通过不同的参数设置来仿真同步电机、异步电机或是希望模拟的其他类型的机器。电机可以是3相，也可以是6相或者是实验所需要的其他类型。在DC（直流）端，「电池包模拟器」可以设置模拟器的内阻配置电池的动态特性，从而为逆变器两端提供需要的信号，这意味着仿真在汽车中真实连接的元器件。该方案希望能用模拟器来替代逆变器，以使车内的逆变器和所有与之相连的器件都可以被仿真。

这个的示例很好地展示了这一点，一切都可以通过参数来灵活配置，只需替换模拟器内的模型即可。在开发元器件时，设计人员可能会根据「V-Model」来执行这样的操作。这意味着对于定制化的要求，并且最终到达系统验收测试这一步。在系统和元器件设计好之后，就需要对它们进行测试了。可以选择用「低压 HiL」来进行测试。也就是说，可以测试逆变器的通信部分，其中包括 CAN 通信、电源以及 I/O 信号，还有安全信号。这使得执行大量的故障测试成为可能。

第二部分：汽车充电设备测试技术和方案

电动汽车和插电式混动汽车（EV、PHEV）的发展和推广取决于充电基础设施（充电桩或者充电箱）的大范围铺设和使用。由于最近出台的一些标准以及相关领域经验的缺乏，EV和EVSE之间出现的交互故障频繁发生。

图4 KEYSIGHT Scienlab 充电测试系统

充电基础设施与HEV或EV之间的充电过程是一个复杂的生态系统，涉及众多关联方：汽车制造商（OEM）；第三方检测机构；充电基础设施（如：充电桩或者充电箱）的制造商；运营商以及工厂。电动汽车供电设备（EVSE）的互操作性对于确保服务提供商的运营和终端客户的驾驶体验非常重要。充电设施在推向市场之前，必须满足众多要求。除了正确无误的通信能力之外，功率是首要考虑因素。

图5 CDS (Charging Discovery System) 能够作为统一的验证平台

其他挑战还包括与各种 HEV、EV、充电接口、电网的兼容性，以及必须符合不同的国际标准。此外，必须对这个复杂生态系统中的大量「充电元器件」进行彻底的测试。这些元器件包括：
﹒充电电缆
﹒车载充电器和/或逆变器
﹒HEV/EV 电池组
﹒相关的电池组管理系统

图6显示的是真实环境下的「车载充电器」。车载充电器通过充电电缆与充电桩（EVSE）连接。车载充电器与充电桩之间的通信线路相连。右侧是是位于车内的电池包。充电器本身处于特定的环境条件下，并且与冷却系统相连。

图6 车载充电器

上方可以看到电源、与电子控制装置之间的 CAN 通信以及一些安全 I/O，例如：安全断开信号。通过这些可以看出，必须用一个适当的系统来替代充电桩(EVSE)，不仅是功率流，还包括通信。

右侧的电池可以用「电池模拟器」来替代。前面提到过，在仿真测试环境中，这里的电池已经使用电池模拟器替代。它的直流线路会和车载充电器相连。车载充电器位于环境舱内与调节装置或冷却器相连。

图7 车载充电器测试环境

在交流侧，需要两个元器件。其中一个元器件是「交流模拟器」，这个模拟器可以模拟全球范围内不同国家和地区的电网，以满足不同的应用需求。CDS，即「充电测试系统」，还可以模拟不同的充电通信协议。

﹒中国，CDS 能够模拟GB/T 标准的充电通信协议，交流模拟器可以模拟中国的电网。(EVSE)，不仅是功率流，还包括通信。

﹒日本，CDS可以模拟日本的电网，直流模拟器可以仿真 CHAdeMO 标准。

﹒欧洲和美国，交流零部件基本相同，采用的标准是 CCS，即组合充电系统。

图8 兼容目前市场上主要的充电电气接口及通信协议

这一切都将由HiL系统来控制。HiL系统会控制直流模拟器或交流模拟器以及充电测试系统。对于车载充电机，它会处在不同的环境条件下。在这方面，该方案的优势在于只需要通过改变软件的参数就可以改变车载充电器的边界条件。这不仅适合具体的测试用例，而且对于车载充电器真正出现故障的情况来说，假如连接的是真正的电池和真正的充电桩，那么几乎无法确认故障来源，模拟起来也会很有难度。

图9 HiL测试环境的组成部分

除了 HiL 系统以外，这套系统还具有可视化、数据存储和自动化功能，可以获得可重复执行的具体测试用例。无论在什么时候，都可以执行同样的测试。这意味着，如果发现车载充电器有问题您可以进行验证或者是更新软件，然后可以执行同一测试，看看车载充电器上的这个故障是否已被消除。

图10 Charging Discovery系统的体系结构

为了对充电接口进行测试，还需要采用了两个出色的部件，其中之一是充电测试系统（CDS）。这是一个灵活的通信接口，我们可以测试 EV(电动车)、EVSE （充电桩）也可以作为EV(电动车)、EVSE （充电桩）的“中间环节监听者（man-in-the-middle）”。这里的“中间环节”意味着监听正在测试的充电桩和汽车之间的通信。

该系统能够支持所有标准的通信协议，即北美和欧洲采用的CCS，以及中国的 GB/T 和日本的 CHAdeMO。CDS和双向电源（负载）（直流和交流）高性能结合起来，可以测试充电接口时遇到的各种不同测试用例提供很大的灵活性。如果想要测试充电桩或电动汽车测试人员不一定需要 HiL 系统，只需使用我们的 CDS 和电源或负载即可完成测试。为此，这套方案中还提供了「Charging Discover」软件。

图11 Charging Discover 软件界面

这款软件可以在普通的 Windows PC 上运行，因此测试人员可以编写不同的测试用例并进行广泛的测试，还可以在测试编辑器中创建自己的测试。同时，该软件也提供了成千上万种不同标准测试用例，这些用例参照了世界各地的不同标准。

通过这个软件，CDS 可以针对不同的应用进行配置，这意味着，这个测试方案可以仿真电动汽车和充电桩EVSE 或者可以用作“中间环节”的监听一旦拥有了所有这些系统，就可以测试充电接口的通信协议。可以分析 PMW 信号，包括动力线的连接可以测试动力线的性能，包括功率流。也可以测试 EV 和 EVSE 之间的互操作性。互操作性意味着：任何 EV 与任何 EVSE 之间都可以相互通信和充电。如果不希望对每台 EV 和 EVSE 进行这样的操作，系统还提供了已经定义好的和标准化的测试用例。实际上，整个解决方案为此提供有几千种不同的测试用例，以便能够测试 EV 或 EVSE，只要已经确认了标准就可以测试了它们的互操作性。

图12 模块化、可扩展的设计使得该系统支持实验室测试和移动测试

此外，由于该系统采用了模块化的可升级结构，因此还可以进行扩展。可以将CDS用作移动解决方案执行外场分析任务，也可以在实验室里执行非常全面的测试程序。刚才是对系统灵活性的介绍。如图片中所示，可以观察到背景中的 EMC 暗室和暗室外的巨大电源。进入暗室的功率高达几兆瓦，这样允许研发人员在对EV电动车充电时进行测试，从而在不使用充电桩的情况下来测量 EMC 特性。充电桩无需在 EMC 暗室内放置。反过来操作也可以。可以使用 CDS 和电子负载来仿真暗室外的汽车。在暗室内部，会使用充电桩来观察系统充电时充电桩的 EMC 特性。同样地，将能够对元器件逐一进行测试。这对于测试用例来说非常实用也非常有吸引力。

图13 实际部署的CDS测试系统，支持对EV电动车充电时进行测试