非车载充电机综合测评实证研究

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  摘 要:近年来我国出台多项政策扶持和推动新能源电动汽车和充电设施的发展,电动汽车充电基础设施迅速发展的同时逐渐暴露出诸多问题,充电机质量和安全问题亟需诊断和解决。基于此,本文通过对电动汽车非车载充电机现存问题调研,结合相关标准深入分析,从非车载充电机功能性、可靠性、易用性、协议一致性、通信信号质量等方面建立非车载充电机综合测评指标体系,并以此为依据研发测试工具。在此基础上,本文对北京市15个品牌的非车载充电机展开实地测评,对实际测试数据分析非车载充电机现存问题,并提出非车载充电机检测监管建议,保障充电基础行业健康可持续发展。
  关键词:非车载充电机;综合测评;测试工具研发
  中图分类号:TM910.6 文献标识码:A 文章编号: 2095-8595(2017) 01-057-07
  电子科学技术 URL: http://www.china-est.com.cn DOI: 10.16453/j.issn.2095-8595.2017.01.014
  引言
  近年来,国家相继出台了多种政策措施扶持新能源汽车和充电设施的发展,取得了显著的成效。但是在电动汽车充电基础设施发展势如破竹的同时,也存在着非车载充电机不兼容所有车型、充电过程时常中断、充电支付方式不灵活以及由充电机质量问题引起安全事故频发等问题[1]。加之,目前我国充电产品还处于自愿认证阶段,很多企业送检的设备和实际投运的设备技术参数有很大差别。为了推动产业持续健康发展,亟待开展对电动汽车的充电基础设施开展测评工作,用数据说明充电基础设施行业的现状及问题,并提出合理化建议。
  目前,国内部分学者通过对电动汽车充电机与电动汽车电池管理系统(Battery Management System,以下简称BMS)的协议展开分析和研究,推断可能导致充电机兼容问题的原因[2-3]。但是,对非车载充电机质量和安全以及服务能力缺少深入综合评价和全面分析。本文在对国内外非车载充電机相关标准研究的基础之上,建立非车载充电机综合测评指标体系,并研发相关测试工具,在此基础上针对北京市已投入使用的15个品牌的非车载直流充电机展开实地测试,统计实际测试数据,通过实际测试结果进一步分析非车载充电机使用过程中问题所在,并提出相应的监管意见和建议。
  1 非车载充电机综合测评指标体系
  基于对于非车载充电机现存问题的分析,研究非车载直流充电机的技术标准和协议系标准,综合考虑非车载充电机的基本充电功能要求、非车载充电机与BMS通信标准、人机交互需求等方面,本文从功能性、可靠性、易用性、协议一致性、通信信号质量等五个方面出发,构建非车载充电机综合测评指标体系,具体指标见表1[4-13]。
  2 非车载充电机检测系统
  2.1 非车载充电机与BMS通信协议交互机制
  非车载充电机为电动汽车充电过程中,双方使用控制器局域网络(Controller Area Network,简称CAN)通信协议进行信息交互,国家标准规范了非车载充电机与BMS之间通信协议[7-8]。充电过程中非车载充电机与BMS通信流程应符合以下流程,见图1。
  2.2 非车载充电机测试工具研发
  依据上文所建立的非车载充电机综合测评指标体系,研发非车载充电机测试工具,测试示意图见图2。其中CAN总线分析仪为非车载充电机与BMS信息交互数据监听记录工具,通过专用测试转接线获取交互数据信息;利用开发的测试软件监控充电过程并记录存储交互报文,监控各阶段报文是否完整且符合标准要求。此外,利用CAN数据采集分析软件对监听记录的报文数据进行分析。
  3 实证研究
  基于本研究的测评体系和测评工具,在北京地区范围内随机选取15个品牌的已投入使用的非车载充电机,进行实地测评,获得初步测试数据,进行实证研究。所选研究对象具体信息见表2,位置信息见图3所示。为了排除所选车型造成的测试偏差,本文选取北汽EV200和江淮IEV5两款车型进行对比分析。基本信息除上述测试对象的测试地点、编号之外,还从用户角度考虑,从基本付费形式和充满车辆所需电费两个角度进行测试,并统计结果。实地测评的部分数据统计结果见下文。
  3.1 基本信息
  3.1.1 付费方式
  不同厂商的非车载充电机操作方式及操作流程各不相同,不同充电机的购电方式各异,15个充电机中,支持的购电方式共计3类:充电卡、手机App、微信订阅号。具体情况如表3所示。
  3.1.2 充满费用
  从用户角度出发,考察充电机的经济性,计算不同充电机给车充满电所需费用(充满车所需费用,包括停车费用、电费和服务费),计算公式如下:
  Cost=Cp*Tmax+Cc*Emax
  其中,Cp表示停车费(单位为元/h),Tmax为充满车辆所用时间(单位为h),Cc为充电费用,包括电费和服务费(单位为元/kWh),Emax表示电动汽车动力电池总能量(单位为kWh)。基于实际测试中所用充电费、服务费、停车费等计算测试充电机充满测试车辆所需费用。
  由于电费、停车费及车型不同的原因,充满车辆所需费用差异明显。本次测试中,江淮IEV5充满费用计算公式中Tmax1取值为1.5h、Emax1取值为23kWh,得15个充电机中所需费用小于40元的有9个,在40元到60元之间的有5个,超出60元的有1个;北汽EV200充满费用计算公式中Tmax2取值为1h、Emax取值为30.4kWh,得15个充电机中所需费用小于40元的有1个,在40元到60元之间的有11个,超出60元的有3个。结果如表4所示。
  3.2 功能性
  3.2.1 控制充电机启停
  15个非车载充电机均支持开始充电操作;其中1个不能手动停止,直到自动充满自动才可停止;有1个品牌在开始充电一分钟之内不能手动停止。   3.2.2 支持的充电模式
  15个充电机,均可以实现自动充满的功能,此外有“按时间”“按金额”“按电量”等功能设计的充电机占比47%(7/15);设计上述功能但并不能实现该功能的占比57%(4/7)。根据实际数据分析图如图4。
  3.2.3 支持操作方式
  充电机厂家不同,设计充电机支持的操作方式各异。其中,支持刷卡操作充电的包括直接刷卡、按键、触屏三种,直接刷卡充电的有2个,触屏操作的有9个,按键操作的有1个;手机操作包括微信公众号和手机App两种,手机App操作有3个,微信公众号操作有2个。数据统计图如图5中(a) 、(b)。
  3.2.4 信息是否匹配
  在充电过程中,充电机显示屏显示的SOC、电压、电流等数据与车端显示的数据不匹配。根据所测数据不同的车与桩显示数据分析如表5。
  3.3 可靠性
  3.3.1 超时错误处理
  按照GB/T 27930-2011标准,在充电过程中,充电机在100ms内未收到车端发送的需求报文,即为超时错误,充电机应立即结束充电。检测非车载充电机是否设置“超时错误”处理机制。在充电机未收到车端发送的需求数据时,有9个未按照标准要求立即停止充电,并有8个可以再次启用,1个不可再次启用。如果充电机未接收到车端发送的需求数据时,继续充电动作,则可能导致过度充电,造成安全事故。15个充电机异常恢复情况如图6。
  3.3.2 稳定性
  为考察充电机充电过程是否稳定不间断,以半小时为期测试充电机稳定性,在江淮车辆测试过程中,15个充电机中有1个出现充电中断;北汽车辆测试过程中,15个充电机中有2个出现充电中断。
  3.4 易用性
  3.4.1 自动充满模式操作步骤
  充电操作步骤存在差异,部分充电机操作流程复杂。依据操作简易程度,可分为四个层次,分别为S3步、38步,对应于操作复杂度的低、中、较高、高四个等级。15个充电机中,其中操作充电(自动充满模式)在S3步能够完成的共6个,复杂度为低;在38步完成的共1个,复杂度为高。如图7所示。
  3.4.2 插卡有无明显提示
  15个充电机中,有10个充电机需要插卡/刷卡购电,9个实现了插卡/刷卡结算提示。其中7个需要插卡购电的充电机,在正常启动充电后和结算后均未有“取卡”提示。
  3.5 协议一致性
  3.5.1 协议版本
  通过调研及现场测试,目前被测非车载充电机均使用的是GB/T 27930-2011版协议,未使用新版GB/T 27930-2015协议。
  3.5.2 充电阶段完整性
  依据通信协议的国家标准要求,充电机和BMS充电过程通信必须完整经历充电握手阶段、参数配置阶段、充电阶段、充电结束阶段四个阶段。江淮车辆测试过程中,15个充电机通信四阶段均完整;北汽车辆测试过程中,15个充电机通信四阶段均完整。
  3.5.3 协议类问题
  15个充电机中存在协议类问题的有7个,占47%。
  在测试过程中,检测到充电机发送的协议问题分析如下:
  15个充电机中,有1个充电机在配置阶段最大输出电流超出范围。依据GB/T 27930-2011中充电机最大输出能力报文规定的范围,若该不符合协议要求,则会影响剩余充电时间预估以及程序中其他
  与之相关的安全状态的判断,存在安全隐患。
  15个充电机中,有6个充电机在结束阶段发送的充电机编号SPN3613与充电机在握手阶段发送的充电机编号SPN2561不一致。依据GB/T 27930-2011中充电机辨识报文和充电机统计数据报文分析,若该不符合协议要求,则会影响充电机与BMS信息链路的确认,存在一定的安全隐患。
  15个充电机中,有2個充电机在结束阶段发送的充电机编号超出范围。依据GB/T 27930-2011充电机统计数据报文分析,若该不符合协议要求,则会影响电动汽车充电数据统计,不利于准确统计电动汽车实际充电情况。
  3.6 通信信号质量
  由于充电机与电动车充电过程伴随着高电压大电流的实际工况,因此在充电过程中CAN通信的信号质量就决定了充电过程的质量。此外,一般情况下充电机与电动汽车BMS生产厂家不同,因此CAN通信信号设置的一致性也是评价非车载充电机质量的关键指标。
  CAN的通信质量决定充电过程中非车载充电机和电动汽车的通信质量。依据标准SAE J1939-11:2006、SSAE J1939-21:2006、SAE J1939-73:2006等要求,CAN通信的位时间、信号幅值、干扰强度、采样点、位宽容忍度、通信成功率、总线利用率等指标综合反映CAN通信的质量[6-8]。若指标数值不在合理范围内,则会影响通信质量,是导致充电非正常中断的主要原因之一。信号质量测试包括物理层测试和链路层测试,主要包括如下测试项目:位时间、信号幅值、干扰强度、采样点、位宽容忍度、通信成功率、总线利用率。在非车载充电机充电稳定状态时,利用CAN总线分析仪监听总线数据,记录存储通信报文。存储内容包括时间、帧ID、数据长度、数据内容等。并使用CAN数据采集分析软件对通信信号质量指标进行分析,图8为CAN位时间和信号幅值分析示意图,图9为干扰强度分析示意图。
  分析两辆测试车测试的15个充电机通信信号质量指标,达标情况如图10,由图可见,两辆测试车的干扰强度达标率均比较低,干扰强度不达标率平均为50.3%。充电机在通信过程中信号质量不达标,易造成充电非正常中断,影响正常充电。   4 结论
  通过对非车载充电机的实地测评,根据实际数据诊断分析非车载充电机使用现状中存在的质量、安全和服务等方面的问题,本研究提出如下建议:一是统一标准,制定完善的充电机制造相关标准,使得充电机生产厂家有规范可依、有标准可循,使充电机的基本功能可以完整实现;二是建立我国电动汽车充电设施检测评价制度,完善充电机评价指标体系,建立充电机综合检测平台,设立独立的第三方测试机构根据相关标准执行全方位的测试和认证;三是加大监管力度,提高充电机进入市场的准入门槛,积极开展充电机检测,在充电机进入市场前进行严格的检测,保证投入使用充电机的质量,并在投入不间断的进行抽查,跟踪充电机使用过程中的情况。以此初步保障我国电动汽车充电设施行业安全、健康、可持续的发展。
  参考文献
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