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汽车和能源解决方案

业务拓展经理

中元敦彦

充电系统的改进是进一步普及电动汽车的关键，但目前，其充电标准尚未在全球范围内获得统一，欧美、日本和中国等分别采用不同的标准。此外，这些标准将继续独立更新，以支持大功率并扩展性能。

在这种情况下，为了有效验证充电的互连性，除了常规的基于实际设备的验证测试之外，使用充电分析器的验证和分析也非常有效，下面将介绍其中一种方法。

1、序言

目前，电动汽车的普及率还不高，仍处于1％左右。关于电动汽车的改进，经常可以听到许多相关意见，其中，对电池和充电的意见位居第一，例如“充电时间长”、“行驶距离短”、“充电站少”等。电动汽车的充电系统仍处于发展阶段，以日本为例，建立了目前主流的CHAdeMO Rev.0.9至1.x、2.0等标准，以应对可在更短时间内进行大功率充电的快速充电器需求。

2、全球EV充电标准

遗憾的是，目前电动汽车的充电标准在全球范围内还未获得统一。简单地说，以欧洲标准设计的电动汽车不能使用日本标准的充电器进行充电。

如图1所示,美国和欧洲使用CCS，日本使用CHAdeMO，中国使用GB/T，且每个标准都独立更新（预计日本和中国将统一为新一代Chaoji充电标准）。

在这些标准中，充电连接器等的物理形状和通信方式都有所不同。欧美的CCS采用Power Line Communication(PLC)，日本的CHAdeMO和中国的GB/T采用CAN通信方式，由此可见，各国标准中的通信交换和协议不同，因此不能仅通过统一充电适配器的形状来解决标准未统一的问题。

快速充电器的现状是，标准在全球范围内尚未统一，且其标准不断更新。

图1 全球充电标准（适配器种类）

3、互连性的重要性

若驾驶汽车，理所当然地会在加油站加油。虽然有普通汽油、高辛烷值汽油、柴油等很多类型，但基本上无论开何种车，去任意一家加油站，都不用担心无法加油。

然而，电动汽车却会遇到无法充电的问题。在日益更新的充电标准中，建立“可以在任何充电站充电”、“可以为任何电动汽车充电”、“可以使用任何充电器对任何电动汽车进行充电”等环境,即实现互连性是电动汽车普及的关键之一。

4、互连性验证的趋势

目前，为了验证互连性，主要使用将实际电动汽车和充电器组合后的实际设备进行测试。这种基于实际设备的验证方法是必要的，而且毫无疑问，今后也会继续进行，但是基于实际设备的组合测试难以进行验证，而且可能出现无法覆盖的情况。

●定量性：可以查看能否充电，但是针对标准，无法定量判断各充电条件的富余量为多少即可合格。如果合格时的富余量较小，就有无法用其他充电器进行充电的风险

●极限值测试、错误情况：在实际设备中，难以创建错误情况和极限值的条件

●组合：如果电动汽车和充电器的种类增加，组合数量就会变得非常庞大，从而出现部分组合无法覆盖的情况。此外，很难与日本国外标准的汽车和充电器进行组合测试。

另外，在实际设备测试中不合格的情况下，虽然会对车辆和充电器发送错误信息，但是难以详细划分和调试在哪个过程中有何种故障。

因此，近年来开始使用如图2所示的使用测定装置的验证方法。

通过将基准测定装置和充电分析器作为标准装置，能够定量判断充电状态，而不是简单选择合格或不合格。另外，通过对详细的充电状态进行跟踪，可以轻松了解故障发生时的症状和问题，因此能够迅速地进行调试，并缩短开发时间。此外，通过分析测试例，能够很好地再现出在实际设备中难以创建的极限值、边界值和错误情况等，因此有助于具有高可靠性充电系统的开发。

图2 互连性验证方法的趋势图

5、使用充电分析器的验证测试

5.1 Man-in-the–middle测试

在使用作为标准装置的充电分析器的互连性测试中，具有三种典型用例。

其中，第一个是Man-in-the–middle测试，其是目前为止已进行的基于实际设备测试的扩展。通过在实际充电器与电动汽车之间插入充电分析器，可以定量查看电动汽车和充电器之间的详细通信、电压、以及电流等的实时充电状态，而不是单纯判断是否可以进行充电。由此，能够对充电状态下的电压和电流、协议的顺序、时间等的富余量进行定量测试，且易于确认和调试故障。

图3 使用充电分析器的Man-in-the–middle测试

5.2 EV测试（EVSE仿真）和EVSE测试（EV仿真）

第二种和第三种互连性测试分别是EV测试和EVSE测试（图4），其中，EV测试对电源和充电分析器进行组合，模拟充电站以评估电动汽车，而EVSE测试对电动汽车进行模拟并测试充电器。高精度电源和充电分析器可以充当电动汽车和充电器的标准装置，且电压、电流和通信协议的时序可以作为标准装置——充电分析器的误差进行详细评估。

利用充电分析器进行测试的另一个特点是,充电分析器不仅可以模拟理想的充电器，还可以模拟故障情况（错误情况），并以良好再现性安全创建在实际设备中难以生成的稀有情况或极限值和边界值，因此该测试可以提高评估的综合性并有助于构建更可靠的充电系统。

图4 使用充电分析器的EV仿真和EVSE仿真

6、充电分析器所需的功能

由于充电分析器作为电动汽车或充电器的标准装置工作，并且需要进行各种仿真，因此需具有以下三个典型特征：

●电压、电流和协议的高精度测定

●为标准测试和不良测试创造条件的附加电路

●支持全球各种充电标准兼容的充电适配器(图5)

另外，为了支持大功率快速充电，要求当前标准也能够应对600v以上的电压和300a以上的电流。

图5 一台可覆盖各种标准的充电分析器

7、利用充电分析器的分析示例(1)

充电分析器不仅要对实际的充电电压和电流波形进行观察，而且还必须按时间序列对光耦合器和开关控制信号进行观察（图6）。在CHAdeMO的情况下，通过CAN在电动汽车和充电器之间传送消息，而在CCS的情况下，通过先导管路上的脉冲宽度调制（PWM）传送消息。由于这些信号不能被读取为直接信号，因此充电分析器在获取这些信号之后，必须将其解码并显示为消息。这些消息中还包括指示充电状态（状态）的消息，因此可以按时间顺序在跟踪屏幕上显示部分信息和充电波形，而不仅仅是作为消息进行显示，从而易于分析通讯协议。

图6 充电分析器的解析画面

8、利用充电分析器的分析示例(2)

在使用PLC的通信方式中，首先对车辆实际连接的充电站进行识别。为了识别其物理连接的充电站，电动汽车使用一种称为信号电平衰减表征（Signal Level Attenuation Characterization，SLAC）的技术以基于信号衰减来识别充电站，因此还需要评估如图7所示的信号衰减度。

图7 利用充电分析器的分析：SLAC信号电平衰减表征评估

9、利用充电分析器的分析示例(3)

在充电不顺利的情况下，利用充电分析器进行分析是非常有效的。

由图8可知，在绝缘确认期间，原本不应该打开的d2开关和光耦合器G被操作，使得禁止充电功能无效，充电结束。

在此示例中，可以看出光耦合器从充电器进行绝缘检查时就开始出现故障，并且在施加绝缘检查电压时的大噪音可能会对时序电路产生不利影响。

图8 利用充电分析器的解析：故障分析示例

10、使用充电分析器的测试情况

如上所述，使用充电分析器的好处是，不仅可以模拟理想的充电器和电动车，还可以自行创建错误情况。

负载突降测试用于确认充电过程中切断电线时的工作情况，是最常见的错误情况之一，但这在实际设备的测试中难以实现。为了切断实际的电线，有必要解除互锁等安全功能，但这可能给测试工程师带来危险。

如果使用预先配备有电线切断功能的充电分析器，则能够简单且安全地创建这种错误情况(图9)。另外，还可以以良好再现性实施在实际设备中难以创建的稀有情况和界限值测试。

图9 利用充电分析器的分析示例：根据测试情况判定合格与否

11、结论

充电系统的改进是进一步普及电动汽车的关键。因此，充电标准不断更新，且功能在不断扩展。目前，全球充电标准还未获得统一，欧美、日本和中国等分别采用不同的标准。

在这种情况下，为了有效验证充电的互连性，除了常规的基于实际设备的验证测试之外，使用充电分析器的验证和分析也非常有效。

通过对拥有多少富余量即可进行充电这一问题进行定量判断，而不仅仅是简单对是否可以充电进行判断，使得不能充电时的解析和调试变得容易，可以缩短开发周期。此外，可以以良好再现性简单且安全地创建在实际设备中难以生成的稀有情况，因此可提高测试的综合性，并有助于开发可靠的充电系统。

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