CN115571005A - 基于功率在环仿真的充电桩特征模拟系统及方法 - Google Patents

Abstract

本说明书实施例提供了一种基于功率在环仿真的充电桩特征模拟系统及方法，其中，系统包括：充电桩工况模拟设备，用于模拟真实电动汽车端的正常充电和异常充电工况下的充电信号；充电桩特征采集设备，用于自动采集充电桩的充电枪头信号，采集真实电动汽车端的正常充电和异常充电的工况下的充电信号，并模拟车端电池电压动态特性，实现充电控制特性采集、充电故障特征采集、电气性能采集和通信协议采集；充电桩特征建模主机，用于基于所述充电枪头信号进行充电桩的特征提取和模型搭建，生成多种类型的充电桩特征模拟模型；充电桩特征模拟装置，用于实现充电控制特性模拟、充电故障特征模拟、电气性能模拟和通信协议模拟。

Description

基于功率在环仿真的充电桩特征模拟系统及方法

技术领域

本文件涉及计算机技术领域，尤其涉及一种基于功率在环仿真的充电桩特征模拟系统及方法。

背景技术

电动汽车有高扭矩、零污染、低噪声等诸多优点，发展电动汽车有助于缓解能源与环境的双重压力，研究电动汽车与充电桩之间的兼容性具有重要现实意义。

新生产的电动汽车在投入市场之前已通过国家充电标准测试，但因均在标准测试案例下进行测试，电动汽车基于标准的测试案例验证并无法覆盖大部分的充电桩充电特性，车企一般会额外开展现地实桩实车的充电桩兼容性试验作为标准补充类验证试验，以解决标准中基于测试案例验证的局限性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于功率在环仿真的充电桩特征模拟系统及方法，旨在解决现有技术中的上述问题。

本发明提供一种基于功率在环仿真的充电桩特征模拟系统，包括：

充电桩工况模拟设备，与所述充电桩特征采集设备连接，用于模拟真实电动汽车端的正常充电和异常充电工况下的充电信号；

充电桩特征采集设备，与充电桩工况模拟设备和充电桩特征建模主机连接，用于自动采集充电桩的充电枪头信号，采集真实电动汽车端的正常充电和异常充电的工况下的充电信号，并模拟车端电池电压动态特性，实现充电控制特性采集、充电故障特征采集、电气性能采集和通信协议采集；

充电桩特征建模主机，与充电桩特征模拟装置连接，用于基于所述充电枪头信号进行充电桩的特征提取和模型搭建，生成多种类型的充电桩特征模拟模型；

充电桩特征模拟装置，与电动汽车连接，用于基于所述充电桩特征模拟模型，进行充电桩的充电和导引特性的实时模拟，模拟充电桩CC1、CC2、辅助电源、CAN报文、直流电压和电流的输出特性，实现充电控制特性模拟、充电故障特征模拟、电气性能模拟和通信协议模拟。

本发明提供一种基于功率在环仿真的充电桩特征模拟方法，用于上述基于功率在环仿真的充电桩特征模拟系统，该方法包括：

通过充电桩工况模拟设备模拟真实电动汽车端的正常充电和异常充电工况下的充电信号；

通过充电桩特征采集设备自动采集充电桩的充电枪头信号，采集真实电动汽车端的正常充电和异常充电的工况下的充电信号，并模拟车端电池电压动态特性，实现充电控制特性采集、充电故障特征采集、电气性能采集和通信协议采集；

通过充电桩特征建模主机基于所述充电枪头信号进行充电桩的特征提取和模型搭建，生成多种类型的充电桩特征模拟模型；

通过充电桩特征模拟装置基于所述充电桩特征模拟模型，进行充电桩的充电和导引特性的实时模拟，模拟充电桩CC1、CC2、辅助电源、CAN报文、直流电压和电流的输出特性，实现充电控制特性模拟、充电故障特征模拟、电气性能模拟和通信协议模拟。

采用本发明实施例，使用功率在环仿真，有利于缩短系统的开发周期。除了用数学模型描述客观事物外，还将部分实物硬件接入仿真系统，使仿真系统更逼近真实系统。一套完整的充电桩功率在环仿真系统具有节省开发成本、快速成型、状态可复现、全面仿真、安全性高等优点。在仿真主机中完成充电桩模型搭建，使用充电桩特征模拟装置与电动汽车对接即可复现各厂家充电桩输出特征。

附图说明

为了更清楚地说明本说明书一个或多个实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本说明书中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的基于功率在环仿真的充电桩特征模拟系统的示意图；

图2是本发明实施例的充电桩特征模型的示意图；

图3是本发明实施例的充电桩电气模型示意图；

图4是本发明实施例的充电桩通信模型的示意图；

图5是本发明实施例的基于功率在环仿真的充电桩特征模拟方法的流程图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本说明书一个或多个实施例中的技术方案，下面将结合本说明书一个或多个实施例中的附图，对本说明书一个或多个实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本说明书的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本说明书一个或多个实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本文件的保护范围。

系统实施例

根据本发明实施例，提供了一种基于功率在环仿真的充电桩特征模拟系统，图1是本发明实施例的基于功率在环仿真的充电桩特征模拟系统的示意图，如图1所示，根据本发明实施例的基于功率在环仿真的充电桩特征模拟系统具体包括：

充电桩工况模拟设备10，与所述充电桩特征采集设备连接，用于模拟真实电动汽车端的正常充电和异常充电工况下的充电信号；所述充电桩工况模拟设备10模拟的真实电动汽车端的异常充电工况具体包括：绝缘故障、通讯中断、充电接口断开、单体蓄电池电压异常、整车动力蓄电池SOC异常、动力蓄电池充电电流异常、动力蓄电池温度异常、动力蓄电池绝缘状态异常、动力蓄电池输出连接器连接状态异常、输出连接器过温故障。

充电桩特征采集设备12，与充电桩工况模拟设备和充电桩特征建模主机连接，用于自动采集充电桩的充电枪头信号，采集真实电动汽车端的正常充电和异常充电的工况下的充电信号，并模拟车端电池电压动态特性，实现充电控制特性采集、充电故障特征采集、电气性能采集和通信协议采集；其中，所述充电枪头信号至少包括以下之一：输出电压、输出电流、控制导引电压、通讯报文以及辅助电源信号。所述充电信号至少包括以下之一：功率特性、电气特性和BMS报文。

充电桩特征建模主机14，与充电桩特征模拟装置连接，用于基于所述充电枪头信号进行充电桩的特征提取和模型搭建，生成多种类型的充电桩特征模拟模型；所述充电桩特征模拟模型所模拟的充电桩的类型具体包括：国标充电桩、V2G充电桩以及大功率充电桩。所述充电桩特征建模主机14具体用于：

进行充电桩的充电数值仿真，生成充电桩电气模型、充电桩互操作性功能模型、充电桩通讯模型以及CAN通信故障模型，进行充电桩的硬件驱动仿真，其中，所述硬件驱动具体包括：AI板卡、AO板卡、DI板卡、DO板卡、以及CAN板卡。具体地，

将前级Vienna整流器使用三电平整流器，后级DC/DC使用Buck-Boost电路，基于Vienna整流器在dq坐标系下的数学模型，进行Vienna整流器的电流内环和电压外环的PI控制器设计，实现整流器系统的双闭环控制，采用电流内环加电压外环的双闭环PI控制进行Buck-Boost电路的控制，实现恒压和恒流输出功能，生成充电桩电气模型；

根据充电过程中非车载充电机与电池BMS之间进行CAN通信过程的四个阶段：握手辨识阶段、充电参数配置阶段、充电过程阶段、以及充电结束阶段，对整个通信流程进行监测和控制，在各个阶段使用状态机描述跳转分支，报文周期、内容、延时以及抖动，将其作为配置模型参数，生成充电桩通讯模型；

模拟导引信号CC1、CC2、低压辅源A+、A-的模拟以及高压开关K1、K2、低压辅源开关K3、K4通断，并模拟充电桩的充电控制状态、充电连接时序、充电异常状态，生成充电桩互操作性功能模型。

充电桩特征模拟装置16，与电动汽车连接，用于基于所述充电桩特征模拟模型，进行充电桩的充电和导引特性的实时模拟，模拟充电桩CC1、CC2、辅助电源、CAN报文、直流电压和电流的输出特性，实现充电控制特性模拟、充电故障特征模拟、电气性能模拟和通信协议模拟。所述充电桩特征模拟装置16具体用于：采用基于FPGA的细节模型小步长方案进行模型搭建，细节模拟V2G充电桩以及大功率充电桩的特性，并模拟故障或者特殊工况下的电磁暂态特性。

所述充电桩特征模拟装置16具体包括：

机箱、控制器以及多功能卡件，其中机箱包括背板控制组件，控制器及多功能卡件通过背板控制组件的控制信号总线和时钟信号总线进行通讯实现各种功能；控制器包括多核CPU构成，用于进行模型的解耦和高速运算；多功能卡件用于进行信号数模转换、各种物理量电气量的采集、多通道相互切换、故障注入的功能。

从上述描述可以看出，使用充电桩特征采集设备自动采集被测充电设备的输出电压、输出电流、控制导引电压、通讯报文、辅助电源信号等充电枪头全部信号，在充电桩特征建模主机中完成特征提取和模型搭建，使用直流充电桩特征模拟装置与电动汽车对接即可复现各设备输出特征。充电桩模型搭建主要包括：国标充电桩、V2G充电桩、大功率充电桩。模型搭建采用基于FPGA的细节模型小步长方案，能够细节模拟V2G充电桩、大功率充电桩等的特性，可模拟故障或者特殊工况下的电磁暂态特性。使用仿真软件进行直流充电桩模型的搭建，然后利用模型接口工具将离线模型转化为实时模型并下载到硬件上进行实时模拟。

功率在环仿真，它是系统开发设计的一个重要步骤，有利于缩短系统的开发周期。除了用数学模型描述客观事物外，还将部分实物硬件接入仿真系统，使仿真系统更逼近真实系统。一套完整的充电桩功率在环仿真系统具有节省开发成本、快速成型、状态可复现、全面仿真、安全性高等优点。

使用传统方式对电动汽车充电兼容性测试，需要匹配数量众多的主流厂家充电桩，效率低且时间长。本发明实施例的基于硬件在环仿真方式的充电桩特性模拟系统，在仿真主机中完成充电桩模型搭建，使用充电桩特征模拟装置与电动汽车对接即可复现各厂家充电桩输出特征。

以下结合附图，对本发明实施例的上述技术方案进行详细说明。

1、直流充电桩特征采集设备

直流充电桩特征采集设备包括模拟量输入调理模块、16通道模拟量录波模块。模拟量输入调理模块对电压和电流信号进行差分采样，并将幅值放大到±10V范围内；16通道模拟量录波模块对上级调理后的信号进行AD采样，并将采集数据通过并行总线上传到CPU中。在直流充电桩工况模拟设备的配合下，采集正常充电和异常充电等工况下的充电信号，并模拟车端电池电压动态特性。通过RS485与直流充电桩工况模拟设备通信。充电特征与采集内容见表1。

表1

2、直流充电桩工况模拟设备

直流充电桩工况模拟设备可模拟真实车端的正常充电和异常充电工况下的功率特性、电气特性和BMS报文。

直流异常充电工况的状态包括：绝缘故障、通讯中断、充电接口断开、单体蓄电池电压异常、整车动力蓄电池SOC异常、动力蓄电池充电电流异常、动力蓄电池温度异常、动力蓄电池绝缘状态异常、动力蓄电池输出连接器连接状态异常、输出连接器过温故障。

3、直流充电桩特征模拟设备

直流充电桩特征模拟装置对充电桩的充电和导引特性进行实时模拟，是PHIL模拟系统中的关键设备，其最大功率120kW，电压最高1000VDC。直流充电桩特征模拟装置包括互操作性模拟模块、电气性能模拟模块和通信协议模拟模块，可模拟充电桩桩CC1、CC2、辅助电源、CAN报文、直流电压和电流的输出特性。充电性能与特征模拟项目如表2所示。

表2

4、充电桩特征建模主机

充电桩特征建模主机主要包括以下几个重要部分：机箱、控制器、多功能卡件。其中机箱主要有背板控制组件，控制器及其多功能卡件通过背板的控制信号总线，和时钟信号总线进行通讯实现各种功能；控制器由多核CPU构成,主要进行模型的解耦和高速运算；多功能卡件主要负责信号数模转换、各种物理量电气量的采集、多通道相互切换、故障注入等功能的实现。

充电桩特征建模主机采用高速总线结构，模块化设计，背板采用标准高速通信接口，方便测试卡的升级和扩展。

充电桩建模方法：

充电桩特性功率在环仿真系统不仅针对导引电路和CAN通信报文的信号级测试，而且需要模拟充电桩在实桩环境下的工作状态，因此需要为充电桩构建一个实时仿真模型。仿真模型的精确度对于整个PHIL测试系统是至关重要的，它的合理性、准确性、功能性直接影响整个系统的使用。本文所建立的测试模型如图2所示。充电桩模型类型如表3所示。

表3

充电桩电气模型搭建：

充电桩电气模型的核心是功率模块建模。功率模块采用两级电路，前级Vienna整流器是三电平整流器，后级DC/DC部分使用Buck-Boost电路，整体电气模型如图3所示。

基于Vienna整流器在dq坐标系下的数学模型，进行Vienna整流器的电流内环和电压外环的PI控制器设计，从而实现整流器系统的双闭环控制，提高系统的工作稳定性，加快系统动态响应速度[3]。Buck-Boost电路的控制也采用电流内环加电压外环的双闭环PI控制，实现恒压和恒流输出功能。

充电桩通信模型搭建：

充电机在充电过程中，非车载充电机与电池BMS之间进行CAN通信，交互双方的充电状态和需求。通信过程可以分为四个阶段：握手辨识阶段、充电参数配置阶段、充电过程到充电结束阶段，对整个流程进行监测和控制。充电桩通信模型如图4所示，在各个阶段使用状态机描述跳转分支，报文周期、内容、延时、抖动均可配置模型参数。

充电桩互操作性功能模型搭建：

充电桩互操作性功能模型完成导引信号CC1、CC2、低压辅源A+、A-的模拟以及高压开关K1、K2、低压辅源开关K3、K4通断，用于模拟充电桩的充电控制状态、充电连接时序、充电异常状态等。

互操作性功能模型与电气模型和通信模型保持同步，共同构成充电桩的特征。

方法实施例

根据本发明实施例，提供了一种基于功率在环仿真的充电桩特征模拟方法，用于上述系统实施例中的基于功率在环仿真的充电桩特征模拟系统，图5是本发明实施例的基于功率在环仿真的充电桩特征模拟方法的流程图，如图5所示，根据本发明实施例的基于功率在环仿真的充电桩特征模拟方法具体包括：

步骤501，通过充电桩工况模拟设备模拟真实电动汽车端的正常充电和异常充电工况下的充电信号；

步骤502，通过充电桩特征采集设备自动采集充电桩的充电枪头信号，采集真实电动汽车端的正常充电和异常充电的工况下的充电信号，并模拟车端电池电压动态特性，实现充电控制特性采集、充电故障特征采集、电气性能采集和通信协议采集；

步骤503，通过充电桩特征建模主机基于所述充电枪头信号进行充电桩的特征提取和模型搭建，生成多种类型的充电桩特征模拟模型；

步骤504，通过充电桩特征模拟装置基于所述充电桩特征模拟模型，进行充电桩的充电和导引特性的实时模拟，模拟充电桩CC1、CC2、辅助电源、CAN报文、直流电压和电流的输出特性，实现充电控制特性模拟、充电故障特征模拟、电气性能模拟和通信协议模拟。

本发明实施例是与上述系统实施例对应的方法实施例，各个步骤的具体操作可以参照系统实施例的描述进行理解，在此不再赘述。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种基于功率在环仿真的充电桩特征模拟系统，其特征在于，包括：

充电桩工况模拟设备，与所述充电桩特征采集设备连接，用于模拟真实电动汽车端的正常充电和异常充电工况下的充电信号；

充电桩特征采集设备，与充电桩工况模拟设备和充电桩特征建模主机连接，用于自动采集充电桩的充电枪头信号，采集真实电动汽车端的正常充电和异常充电的工况下的充电信号，并模拟车端电池电压动态特性，实现充电控制特性采集、充电故障特征采集、电气性能采集和通信协议采集；

充电桩特征建模主机，与充电桩特征模拟装置连接，用于基于所述充电枪头信号进行充电桩的特征提取和模型搭建，生成多种类型的充电桩特征模拟模型；

充电桩特征模拟装置，与电动汽车连接，用于基于所述充电桩特征模拟模型，进行充电桩的充电和导引特性的实时模拟，模拟充电桩CC1、CC2、辅助电源、CAN报文、直流电压和电流的输出特性，实现充电控制特性模拟、充电故障特征模拟、电气性能模拟和通信协议模拟。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述充电枪头信号至少包括以下之一：输出电压、输出电流、控制导引电压、通讯报文以及辅助电源信号。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述充电信号至少包括以下之一：功率特性、电气特性和BMS报文。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述充电桩特征模拟模型所模拟的充电桩的类型具体包括：国标充电桩、V2G充电桩以及大功率充电桩。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述充电桩特征模拟装置具体用于：采用基于FPGA的细节模型小步长方案进行模型搭建，细节模拟V2G充电桩以及大功率充电桩的特性，并模拟故障或者特殊工况下的电磁暂态特性。

6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述充电桩特征模拟装置具体包括：

机箱、控制器以及多功能卡件，其中机箱包括背板控制组件，控制器及多功能卡件通过背板控制组件的控制信号总线和时钟信号总线进行通讯实现各种功能；控制器包括多核CPU构成，用于进行模型的解耦和高速运算；多功能卡件用于进行信号数模转换、各种物理量电气量的采集、多通道相互切换、故障注入的功能。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述充电桩特征建模主机具体用于：

进行充电桩的充电数值仿真，生成充电桩电气模型、充电桩互操作性功能模型、充电桩通讯模型以及CAN通信故障模型，进行充电桩的硬件驱动仿真，其中，所述硬件驱动具体包括：AI板卡、AO板卡、DI板卡、DO板卡、以及CAN板卡。

8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述充电桩特征建模主机具体用于：

将前级Vienna整流器使用三电平整流器，后级DC/DC使用Buck-Boost电路，基于Vienna整流器在dq坐标系下的数学模型，进行Vienna整流器的电流内环和电压外环的PI控制器设计，实现整流器系统的双闭环控制，采用电流内环加电压外环的双闭环PI控制进行Buck-Boost电路的控制，实现恒压和恒流输出功能，生成充电桩电气模型；

根据充电过程中非车载充电机与电池BMS之间进行CAN通信过程的四个阶段：握手辨识阶段、充电参数配置阶段、充电过程阶段、以及充电结束阶段，对整个通信流程进行监测和控制，在各个阶段使用状态机描述跳转分支，报文周期、内容、延时以及抖动，将其作为配置模型参数，生成充电桩通讯模型；

模拟导引信号CC1、CC2、低压辅源A+、A-的模拟以及高压开关K1、K2、低压辅源开关K3、K4通断，并模拟充电桩的充电控制状态、充电连接时序、充电异常状态，生成充电桩互操作性功能模型。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述充电桩工况模拟设备模拟的真实电动汽车端的异常充电工况具体包括：绝缘故障、通讯中断、充电接口断开、单体蓄电池电压异常、整车动力蓄电池SOC异常、动力蓄电池充电电流异常、动力蓄电池温度异常、动力蓄电池绝缘状态异常、动力蓄电池输出连接器连接状态异常、输出连接器过温故障。

10.一种基于功率在环仿真的充电桩特征模拟方法，其特征在于，用于权利要求1至9中任一项所述的基于功率在环仿真的充电桩特征模拟系统，所述方法具体包括：

通过充电桩工况模拟设备模拟真实电动汽车端的正常充电和异常充电工况下的充电信号；

通过充电桩特征采集设备自动采集充电桩的充电枪头信号，采集真实电动汽车端的正常充电和异常充电的工况下的充电信号，并模拟车端电池电压动态特性，实现充电控制特性采集、充电故障特征采集、电气性能采集和通信协议采集；

通过充电桩特征建模主机基于所述充电枪头信号进行充电桩的特征提取和模型搭建，生成多种类型的充电桩特征模拟模型；

通过充电桩特征模拟装置基于所述充电桩特征模拟模型，进行充电桩的充电和导引特性的实时模拟，模拟充电桩CC1、CC2、辅助电源、CAN报文、直流电压和电流的输出特性，实现充电控制特性模拟、充电故障特征模拟、电气性能模拟和通信协议模拟。

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