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是德科技KEYSIGHT充電技術(shù)測(cè)試

2020-04-02 15:42:31·  來(lái)源:是德科技KEYSIGHT  
 
本期新能源板塊的微信頭條,首先為大家介紹KEYSIGHT充電技術(shù)測(cè)試,暨針對(duì)整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施(通常指充電樁和充電箱)所提供的測(cè)試解決方案。
小K最近買(mǎi)了一輛新能源汽車(chē),可充電的問(wèn)題一直讓他很苦惱。
充電樁的規(guī)格五花八門(mén),其間的差異不僅體現(xiàn)在電氣接口上,就連充電的通信協(xié)議也各不相同。
上個(gè)月還能輕輕松松跑個(gè)600km,怎么這才一個(gè)月的工夫就連580km也跑不完了?新能源汽車(chē)自入市以來(lái),電池壽命一直飽受消費(fèi)者的詬病,過(guò)充是其中一個(gè)很重要的原因。
如何安全地為電動(dòng)車(chē)進(jìn)行充電,充電過(guò)程中的異常監(jiān)測(cè),例如:地線(xiàn)斷裂,就顯得非常重要。
 
圖1 新能源汽車(chē)相關(guān)的測(cè)試技術(shù)
 
和新能源汽車(chē)相關(guān)的三電測(cè)試技術(shù)包含電池儲(chǔ)能測(cè)試、逆變器測(cè)試、充電測(cè)試、BMS測(cè)試等,如圖1所示。本期新能源板塊的微信頭條,首先為大家介紹KEYSIGHT充電技術(shù)測(cè)試,暨針對(duì)整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施(通常指充電樁和充電箱)所提供的測(cè)試解決方案。
 
摘要:
  • 汽車(chē)元器件獨(dú)立測(cè)試的概念與模型
  • 汽車(chē)充電設(shè)備測(cè)試技術(shù)和方案
第一部分:汽車(chē)元器件獨(dú)立測(cè)試的概念與模型
首先,以「逆變器」為例,先給大家介紹汽車(chē)中元器件獨(dú)立測(cè)試的概念。然后,再來(lái)介紹為整個(gè)電動(dòng)汽車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)備生態(tài)系統(tǒng)而打造的測(cè)試解決方案。假設(shè)現(xiàn)在準(zhǔn)備開(kāi)發(fā)一個(gè)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的元器件,并且接下來(lái)要對(duì)它進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試,這就會(huì)面臨某些挑戰(zhàn)。比如:“如何確保這個(gè)元器件能夠滿(mǎn)足復(fù)雜系統(tǒng)的要求?”這里的“復(fù)雜”是指這些元器件不僅要連接高壓電源,還要連接低壓通信。如何執(zhí)行這類(lèi)測(cè)試?
圖2 圖片來(lái)自于寶馬 i3
 
絕大多數(shù)人一定希望立即測(cè)試自己的逆變器,而不是等到其他元器件都備齊后再開(kāi)始。為了減少開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本,研發(fā)人員通常不會(huì)等到電機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)完成之后再來(lái)做這項(xiàng)測(cè)試。此外,同樣重要的是:“如何確保元器件在發(fā)生故障時(shí)也能正常工作?怎樣對(duì)元器件的故障進(jìn)行測(cè)試?” 比如,連接的元器件有可能出現(xiàn)了故障,要怎樣進(jìn)行測(cè)試?這些都是在進(jìn)行元器件獨(dú)立測(cè)試時(shí)將會(huì)遇到的主要挑戰(zhàn)。
 
以電動(dòng)汽車(chē)寶馬i3為例來(lái)說(shuō)明,在這輛車(chē)?yán)?,有不同的元器件,有些元器件是連在一起的。例如,這個(gè)逆變器位于后側(cè),在它下方則是電機(jī),因此逆變器與電機(jī)靠得非常近。假設(shè)在沒(méi)有電機(jī)和電池包的情況下,對(duì)逆變器進(jìn)行測(cè)試,并且只測(cè)試逆變器本身。要測(cè)試逆變器,必須用所謂的電機(jī)模擬器(Machine Emulator)來(lái)替代電機(jī)。而旁邊的電池也必須用這個(gè)電池模擬器來(lái)替代,如圖所示,它被稱(chēng)作「動(dòng)態(tài)直流電池模擬器」(Dynamic DC Emulator)。同樣,在低壓方面,必須對(duì)汽車(chē)中信號(hào)進(jìn)行仿真。對(duì)于有現(xiàn)有的模型,無(wú)論是 Matlab Simulink 模型還是其他模型,都可以用它來(lái)仿真道路場(chǎng)景或仿真循環(huán)駕駛的路況,等等。
圖3 汽車(chē)元器件測(cè)試 V-Model
 
使用 Power HiL 系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行車(chē)輛仿真?!鸽姍C(jī)模擬器」可以仿真不同的電機(jī)??梢酝ㄟ^(guò)不同的參數(shù)設(shè)置來(lái)仿真同步電機(jī)、異步電機(jī)或是希望模擬的其他類(lèi)型的機(jī)器。電機(jī)可以是3相,也可以是6相或者是實(shí)驗(yàn)所需要的其他類(lèi)型。在DC(直流)端,「電池包模擬器」可以設(shè)置模擬器的內(nèi)阻配置電池的動(dòng)態(tài)特性,從而為逆變器兩端提供需要的信號(hào),這意味著仿真在汽車(chē)中真實(shí)連接的元器件。該方案希望能用模擬器來(lái)替代逆變器,以使車(chē)內(nèi)的逆變器和所有與之相連的器件都可以被仿真。
 
這個(gè)的示例很好地展示了這一點(diǎn),一切都可以通過(guò)參數(shù)來(lái)靈活配置,只需替換模擬器內(nèi)的模型即可。在開(kāi)發(fā)元器件時(shí),設(shè)計(jì)人員可能會(huì)根據(jù)「V-Model」來(lái)執(zhí)行這樣的操作。這意味著對(duì)于定制化的要求,并且最終到達(dá)系統(tǒng)驗(yàn)收測(cè)試這一步。在系統(tǒng)和元器件設(shè)計(jì)好之后,就需要對(duì)它們進(jìn)行測(cè)試了??梢赃x擇用「低壓 HiL」來(lái)進(jìn)行測(cè)試。也就是說(shuō),可以測(cè)試逆變器的通信部分,其中包括 CAN 通信、電源以及 I/O 信號(hào),還有安全信號(hào)。這使得執(zhí)行大量的故障測(cè)試成為可能。
 
第二部分:汽車(chē)充電設(shè)備測(cè)試技術(shù)和方案
電動(dòng)汽車(chē)和插電式混動(dòng)汽車(chē)(EV、PHEV)的發(fā)展和推廣取決于充電基礎(chǔ)設(shè)施(充電樁或者充電箱)的大范圍鋪設(shè)和使用。由于最近出臺(tái)的一些標(biāo)準(zhǔn)以及相關(guān)領(lǐng)域經(jīng)驗(yàn)的缺乏,EV和EVSE之間出現(xiàn)的交互故障頻繁發(fā)生。
圖4 KEYSIGHT Scienlab 充電測(cè)試系統(tǒng)
充電基礎(chǔ)設(shè)施與HEV或EV之間的充電過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的生態(tài)系統(tǒng),涉及眾多關(guān)聯(lián)方:汽車(chē)制造商(OEM);第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu);充電基礎(chǔ)設(shè)施(如:充電樁或者充電箱)的制造商;運(yùn)營(yíng)商以及工廠。電動(dòng)汽車(chē)供電設(shè)備(EVSE)的互操作性對(duì)于確保服務(wù)提供商的運(yùn)營(yíng)和終端客戶(hù)的駕駛體驗(yàn)非常重要。充電設(shè)施在推向市場(chǎng)之前,必須滿(mǎn)足眾多要求。除了正確無(wú)誤的通信能力之外,功率是首要考慮因素。
圖5 CDS (Charging Discovery System) 能夠作為統(tǒng)一的驗(yàn)證平臺(tái)
其他挑戰(zhàn)還包括與各種 HEV、EV、充電接口、電網(wǎng)的兼容性,以及必須符合不同的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。此外,必須對(duì)這個(gè)復(fù)雜生態(tài)系統(tǒng)中的大量「充電元器件」進(jìn)行徹底的測(cè)試。這些元器件包括:
  • 充電電纜
  • 車(chē)載充電器和/或逆變器
  • HEV/EV 電池組
  • 相關(guān)的電池組管理系統(tǒng)
圖6顯示的是真實(shí)環(huán)境下的「車(chē)載充電器」。車(chē)載充電器通過(guò)充電電纜與充電樁(EVSE)連接。車(chē)載充電器與充電樁之間的通信線(xiàn)路相連。右側(cè)是是位于車(chē)內(nèi)的電池包。充電器本身處于特定的環(huán)境條件下,并且與冷卻系統(tǒng)相連。
圖6 車(chē)載充電器
  • 上方可以看到電源、與電子控制裝置之間的 CAN 通信以及一些安全 I/O,例如:安全斷開(kāi)信號(hào)。通過(guò)這些可以看出,必須用一個(gè)適當(dāng)?shù)南到y(tǒng)來(lái)替代充電樁(EVSE),不僅是功率流,還包括通信。
  • 右側(cè)的電池可以用「電池模擬器」來(lái)替代。前面提到過(guò),在仿真測(cè)試環(huán)境中,這里的電池已經(jīng)使用電池模擬器替代。它的直流線(xiàn)路會(huì)和車(chē)載充電器相連。車(chē)載充電器位于環(huán)境艙內(nèi)與調(diào)節(jié)裝置或冷卻器相連。
圖7 車(chē)載充電器測(cè)試環(huán)境
 
在交流側(cè),需要兩個(gè)元器件。其中一個(gè)元器件是「交流模擬器」,這個(gè)模擬器可以模擬全球范圍內(nèi)不同國(guó)家和地區(qū)的電網(wǎng),以滿(mǎn)足不同的應(yīng)用需求。CDS,即「充電測(cè)試系統(tǒng)」,還可以模擬不同的充電通信協(xié)議。
 
  • 中國(guó),CDS 能夠模擬GB/T 標(biāo)準(zhǔn)的充電通信協(xié)議,交流模擬器可以模擬中國(guó)的電網(wǎng)。(EVSE),不僅是功率流,還包括通信。
  • 日本,CDS可以模擬日本的電網(wǎng),直流模擬器可以仿真 CHAdeMO 標(biāo)準(zhǔn)。
  • 歐洲和美國(guó),交流零部件基本相同,采用的標(biāo)準(zhǔn)是 CCS,即組合充電系統(tǒng)。
圖8 兼容目前市場(chǎng)上主要的充電電氣接口及通信協(xié)議
 
這一切都將由HiL系統(tǒng)來(lái)控制。HiL系統(tǒng)會(huì)控制直流模擬器或交流模擬器以及充電測(cè)試系統(tǒng)。對(duì)于車(chē)載充電機(jī),它會(huì)處在不同的環(huán)境條件下。在這方面,該方案的優(yōu)勢(shì)在于只需要通過(guò)改變軟件的參數(shù)就可以改變車(chē)載充電器的邊界條件。這不僅適合具體的測(cè)試用例,而且對(duì)于車(chē)載充電器真正出現(xiàn)故障的情況來(lái)說(shuō),假如連接的是真正的電池和真正的充電樁,那么幾乎無(wú)法確認(rèn)故障來(lái)源,模擬起來(lái)也會(huì)很有難度。
圖9 HiL測(cè)試環(huán)境的組成部分
 
除了 HiL 系統(tǒng)以外,這套系統(tǒng)還具有可視化、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和自動(dòng)化功能,可以獲得可重復(fù)執(zhí)行的具體測(cè)試用例。無(wú)論在什么時(shí)候,都可以執(zhí)行同樣的測(cè)試。這意味著,如果發(fā)現(xiàn)車(chē)載充電器有問(wèn)題您可以進(jìn)行驗(yàn)證或者是更新軟件,然后可以執(zhí)行同一測(cè)試,看看車(chē)載充電器上的這個(gè)故障是否已被消除。
圖10 Charging Discovery系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
 
為了對(duì)充電接口進(jìn)行測(cè)試,還需要采用了兩個(gè)出色的部件,其中之一是充電測(cè)試系統(tǒng)(CDS)。這是一個(gè)靈活的通信接口,我們可以測(cè)試 EV(電動(dòng)車(chē))、EVSE (充電樁)也可以作為EV(電動(dòng)車(chē))、EVSE (充電樁)的“中間環(huán)節(jié)監(jiān)聽(tīng)者(man-in-the-middle)”。這里的“中間環(huán)節(jié)”意味著監(jiān)聽(tīng)正在測(cè)試的充電樁和汽車(chē)之間的通信。
該系統(tǒng)能夠支持所有標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議,即北美和歐洲采用的CCS,以及中國(guó)的 GB/T 和日本的 CHAdeMO。CDS和雙向電源(負(fù)載)(直流和交流)高性能結(jié)合起來(lái),可以測(cè)試充電接口時(shí)遇到的各種不同測(cè)試用例提供很大的靈活性。如果想要測(cè)試充電樁或電動(dòng)汽車(chē)測(cè)試人員不一定需要 HiL 系統(tǒng),只需使用我們的 CDS 和電源或負(fù)載即可完成測(cè)試。為此,這套方案中還提供了「Charging Discover」軟件。
圖11 Charging Discover 軟件界面
 
這款軟件可以在普通的 Windows PC 上運(yùn)行,因此測(cè)試人員可以編寫(xiě)不同的測(cè)試用例并進(jìn)行廣泛的測(cè)試,還可以在測(cè)試編輯器中創(chuàng)建自己的測(cè)試。同時(shí),該軟件也提供了成千上萬(wàn)種不同標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試用例,這些用例參照了世界各地的不同標(biāo)準(zhǔn)。
 
通過(guò)這個(gè)軟件,CDS 可以針對(duì)不同的應(yīng)用進(jìn)行配置,這意味著,這個(gè)測(cè)試方案可以仿真電動(dòng)汽車(chē)和充電樁EVSE 或者可以用作“中間環(huán)節(jié)”的監(jiān)聽(tīng)一旦擁有了所有這些系統(tǒng),就可以測(cè)試充電接口的通信協(xié)議??梢苑治?PMW 信號(hào),包括動(dòng)力線(xiàn)的連接可以測(cè)試動(dòng)力線(xiàn)的性能,包括功率流。也可以測(cè)試 EV 和 EVSE 之間的互操作性?;ゲ僮餍砸馕吨喝魏?EV 與任何 EVSE 之間都可以相互通信和充電。如果不希望對(duì)每臺(tái) EV 和 EVSE 進(jìn)行這樣的操作,系統(tǒng)還提供了已經(jīng)定義好的和標(biāo)準(zhǔn)化的測(cè)試用例。實(shí)際上,整個(gè)解決方案為此提供有幾千種不同的測(cè)試用例,以便能夠測(cè)試 EV 或 EVSE,只要已經(jīng)確認(rèn)了標(biāo)準(zhǔn)就可以測(cè)試了它們的互操作性。
圖12 模塊化、可擴(kuò)展的設(shè)計(jì)使得該系統(tǒng)支持實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和移動(dòng)測(cè)試
 
此外,由于該系統(tǒng)采用了模塊化的可升級(jí)結(jié)構(gòu),因此還可以進(jìn)行擴(kuò)展??梢詫DS用作移動(dòng)解決方案執(zhí)行外場(chǎng)分析任務(wù),也可以在實(shí)驗(yàn)室里執(zhí)行非常全面的測(cè)試程序。剛才是對(duì)系統(tǒng)靈活性的介紹。如圖片中所示,可以觀察到背景中的 EMC 暗室和暗室外的巨大電源。進(jìn)入暗室的功率高達(dá)幾兆瓦,這樣允許研發(fā)人員在對(duì)EV電動(dòng)車(chē)充電時(shí)進(jìn)行測(cè)試,從而在不使用充電樁的情況下來(lái)測(cè)量 EMC 特性。充電樁無(wú)需在 EMC 暗室內(nèi)放置。反過(guò)來(lái)操作也可以??梢允褂?CDS 和電子負(fù)載來(lái)仿真暗室外的汽車(chē)。在暗室內(nèi)部,會(huì)使用充電樁來(lái)觀察系統(tǒng)充電時(shí)充電樁的 EMC 特性。同樣地,將能夠?qū)υ骷鹨贿M(jìn)行測(cè)試。這對(duì)于測(cè)試用例來(lái)說(shuō)非常實(shí)用也非常有吸引力。
圖13 實(shí)際部署的CDS測(cè)試系統(tǒng),支持對(duì)EV電動(dòng)車(chē)充電時(shí)進(jìn)行測(cè)試
 
還可以看到前面講過(guò)的車(chē)載充電器測(cè)試。左邊可以看到中間環(huán)節(jié)監(jiān)聽(tīng)的情況。后面是充電樁??梢钥吹狡?chē)。在 CDS 之間,只需觀察充電樁與汽車(chē)之間的通信。 
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