智能充电系统的智能化测试

覆盖电动车的一致性测试

随着多种多样的电动车和充电桩系统的增加，部件之间的互通性和标准的符合性变得越来越重要。为了测试这些问题，确定充电干扰的原因，测试各种干扰下的可靠性和鲁棒性，需要一套覆盖开放式测试环境下的一致性测试用例。

依据IEC61851和IEC/ISO15118的充电过程

对于电动车的传导式充电，IEC61851【4】中定义了4种模式

• 模式1：车辆由单相电充电，最大电流16A，不需要导引信号

• 模式2：车辆由单相到三相电充电，最大电流32A，需要导引信号

• 模式3：车辆由单相到三相电充电，最大电流63A，由充电桩提供导引信号

• 模式4：高达400V/125A的直流充电

  
  

模式1的充电操作不涉及到车辆和充电基础设施之间的通信，模式2,3,4涉及到通过CP连接的基于PWM的低级别通信。如果车辆和充电桩支持高级别的通信，相关的信号被调制到基于HomePlug GreenPHY标准的CP上的PWM信号中。这在PLC中进行了定义，而且IEC/ISO15118说明了仅仅在模式3和模式4中可用。原则上，每一个基于PLC的充电通信都需要采用基于PWM的通信。因此，一个完整的测试系统必须支持所有的通信模式。

涉及到的部件功能

从车辆的角度，表1描述了充电桩的功能；从充电桩的角度，表2描述了车辆的功能。

表1：车辆直接或间接识别的充电桩功能

表2：充电桩识别的车辆功能

充电通信的测试

       为确保能在所有级别下正常充电，需要一个特殊的测试测量系统。该系统需能够分析和仿真负载电路和通信信号，如CP和PLC信号。此外，该系统需能够创建、显示PLC报文内容，必要的情况下可操纵PLC报文内容。完成该测试系统，还需要能对电气信号进行故障注入，包括内部短路、对电源/地的短路以及车辆和充电桩之间的电阻变化。最后，一个完整的测试系统，需能够根据电流和电压来测量和分析负载电流（交流或直流），并且能以一个规定的方式干扰电流和电压。

图1：充电ECU（OBC-OnboardCharger）和充电桩（EVSE）的连接图

测试模式和测试系统需求

对于部件测试和鲁棒性分析，测试系统必须提供所有符合标准的接口以及对每个部件进行故障注入测试。对图1中充电通信通道，可能的测试包括：

• CP信号：PW部件错误特征，如电平、电阻值、占空比、时间序列PLC部件，如通信结构、通信标准的符合性、定义好的故障报文；

• PP信号：错误的编码电阻。

对于电动车上的充电控制器（EV-ECU）的鲁棒性测试，需要仿真充电    桩（EVSE，如图2），并提供如下的功能：

• 车辆线束上的电压（过电压/欠电压）、斜坡特性、不稳定干扰

• 车辆通信，如CAN报文故障、电气故障

• 交流/直流负载信号，包括所有类型的电压干扰

• 电网仿真器，可模拟全世界各种各样的电网（不同电压、频率、电源干扰等）

• 如果必要的情况下，提供直流充电功率消耗

• 对于EVSE测试，需要仿真车辆，也需要连接到真实的或仿真的电网系统（电网仿真器），必要的情况下，仿真互联网环境

       对于互通性测试，测试系统需插入到充电桩和车辆之间（如图3）。有两种操作模式：在被动模式下，只能测量CP、PP、负载电路的电气信号。在网关模式下，对于高级通信模式，可分析和操纵PLC报文。对CP线的所有操纵是必要的，如断开连接、拦截信息、修改信息等，因为充电过程中，车辆和充电桩之间的通信是经过加密的。此外，为了测量和影响通信和负载通道，测试系统必须具有执行模块、记录模块、监控模块，理想的情况下，需有授权和管理模块。这对于今天的测试系统来说，是很高的要求。为了解决这个问题，IEC/ISO15118计划在Parts4和Parts5中推出标准化的测试用例。

图2：部件测试
图3：互通性测试

全面的测试系统

为了应对测试系统的复杂要求，一个模块化的测试系统架构被确定，它可以满足所有充电系统的测试要求，同时通过系统设置，可以进行子任务的测试（如图4）。中间的软件模块是Vector公司的CANoe以及Option Ethernet。CANoe执行如下任务：测试执行、PLC通信仿真、车辆数据的测量和分析、充电通信和电气特性的分析、硬件组件的控制等。CANoe在统一的时戳下激活、处理、仿真和保存所有的信号。在Vector的vTESTstudio中创建和管理测试用例（用户自定义的和标准规定的）。CANoe和vTESTstudio的内部互联特性，可以激活测试系统的子选项，执行子任务测试。

  图4：充电ECU和充电桩的相互作用

对于充电ECU和充电桩环境的模拟，该测试系统集成了comemso GmbH公司的电动车充电分析仪/仿真器（EVCA）和Vector公司的VT系统。EVCA和VT系统都能够从CP信号上解析出PLC信号，并通过以太网传给CANoe。CANoe提供了智能充电通信（SCC）插件，可以分析和操纵所有的充电信号。EVCA和VT7870模块提供了符合IEC61851-1的CP和PP电路，包含故障注入功能。（如图5）

图5：测试系统组件

VT系统也提供车辆通信接口和车辆供电系统的仿真，必要的情况下可控制电子负载和外部电源。EVCA也能够监测复杂的CP信号和负载信号的干扰，在实时情况下，甚至能够检测到干扰源。由于导引信号和调制好的PLC信号在一起违反了标准中的导引信号规范要求，特别开发的模拟滤波电路需能够从导引信号中分离出高频的PLC信号。对于CP信号的分析，EVCA开发了一个专门的测量程序，可在每个周期中测量多达150种不同的故障及故障组合。

此外，EVCA可以精确测量所有三相电的负载电流和电压，可分析每相电的供电情况。通过正弦波分析非对称的电网使用情况，分析引起通信信号电磁干扰的电网干扰。

然而充电桩的通信是基于以太网的，EVCA测量的所有以太网变量，通过专门的CAN通道转发给CANoe。CANoe可以同步测量和显示负载电路信号、CP信号、PLC信号和相关的干扰信号，必要的情况下，可确定引起干扰的原因和影响。

对于充电站现场环境下，可使用comemso公司的便携式EVCA和Vector公司的CANoe.Ethernet及vTESTstudio进行现场测试（如图6）。这保证了实验室和现场环境下，从原型阶段到系列化产品阶段测试用例的一致性。

图6：便携式测试系统

总结

依据IEC61851-1和IEC/ISO15118标准开发的测试系统，可对传导充电部件进行系统化测试，可测试鲁棒性、标准符合性、互通性。开放式的vTESTstudio和CANoe可实现测试序列的透明性和复用性。模块化的架构设计、comemso和Vector工具的使用使测试设备既可以在真实环境下操作，也可以在全模拟的环境下操作，也可以在半实物环境下操作，同时可进行自动化测试操作。全级别的分析方法、最大的测试深度为部件的鲁棒性和协作性奠定了基础，这将从根本上满足电动车客户的需求。