直流充电桩的自动测试系统产线测试面临的技术议题与建议
时间：2024-01-17 阅读：719
随着电动车的电池容量增加来提高续航里程，并要降低开车的里程焦虑，市场有更多安装直流快充充电桩的需求。随着安装地点不同，充电桩会有不同充电界面与功率范围的规划。现行的直流充电标准包括欧美的CCS或NACS、日本的CHAdeMO、中国的GB/T，除了充电枪头外观有差异，采用的通讯协议也有所不同。内部组成包括AC-DC电源模块、充电控制器、通讯模块、人机接口、DC电表、断路器、漏电监控器、安全保护线路等。充电桩的妥善率也常被提出讨论，充电桩制造商要考虑在生产端提升产品质量，也要兼顾测试效率，就成为重要议题。
针对直流充电桩的自动测试系统(Automatic Test System, ATS)应用在产线EOL(End Of Line)测试，Chroma基于多年协助产业界的经验，归纳出五大重点针对生产端会遇到的技术议题与解决建议。
充电介面与通讯协议标准
当充电枪插上电动车的充电座之后，双边的接触侦测与通讯协议就开始运作。当在充电预备、开始和结束的各状态中，若充电设备通讯控制器(SECC)和电动车通讯控制器(EVCC)交握有任何异常(包含超时、资料格式辨识、异常处理、时序等)，充电运行就将会被迫中断。所以自动化测试系统(ATS)必须具备模拟电动车通讯的功能，甚至可以故意设定异常动作，以验证充电桩的中断保护功能。另外ATS还需模拟电动车的充电座，规格必须能符合电气测试之要求，且具备电子锁、温度监控、大功率断路器以及散热功能，可确保测试过程的安全性。测试系统建议采用模组化且可更换的EV模拟器与充电座，可快速更换避免产线因异常问题造成长时间测试中断。另外好处是可弹性调整测试不同标准的产品，或未来需求而升级。
▲ 图一 测试情境示意图
除此之外，建议EV模拟器搭配合适的电池模拟器与测试软体，具有可载入充电功率曲线(如：图二)的功能。可用来模拟实际对DC EVSE的即时充电电流变化要求，以验证其响应速度与精准度。
▲ 图二 充电功率曲线示意图
(Source: P3 Charging Index – p3-group.com)
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提升对多枪充电桩的快速检测能力
为适应不同电动车采用的直流充电标准不同，目前充电桩厂商纷纷推出具有多个不同介面的直流充电枪的产品，例如适用CCS与CHAdeMO标准，甚至包括交流充电枪。这样的充电桩产品在测试系统的配置上，就需多个不同标准的充电模拟器，使测试流程更加复杂。且若多枪产品采用轮流测试的方式，所需时间便会被拉长，也与实际同时多枪使用的情况不同。因此产线的自测试系统(ATS)需能多工模拟不同介面，并模拟多台电动车在同时间充电之情境。如此，可测试充电桩于不同协议之电动车同步进行通讯交握，并检测其输出状态。尤其可验证验证充电桩在多台电动车同时发出充电电流需求下，内部的智能输出功率分配功能，不致发生误动作或保护。各枪的输出也能同步检测输出电压/电流/Wh的精准度规格，如此可缩短产线测试时间。
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验证安规标准与保护机制
各种保护机制是直流充电桩的重要功能，包含：输出过电压/过电流、接地与绝缘异常、紧急停止、过温度以及入电异常等。测试系统需要具备各种情境模拟，确实测试每一台充电桩的保护机制能正常动作。例如当进行充电桩绝缘监控测试时，可透过测试系统设定绝缘电阻箱，来模拟电池与车体间的阻抗变化。甚至于不同的通讯交握阶段，将其搭接在输出DC+或DC-到接地端回路上，检测充电桩绝缘侦测功能是否正常。系统集成时必需选用合适的继电器及电阻的耐电压及耐电流规格，才不会容易损坏。另外若电池模拟器的内部Y电容过大，可能会影响到绝缘监测的功能测试，甚至误报导致测试中断，必须特别留意。
▲ 图三 绝缘阻抗测试示意图
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验证电源模组
充电桩接受电动车的电流及电压命令，由内部电源模组将电网的交流电做转换来对电池充电。测试系统需整合电池模拟器，可设定在定电压或定电流模式，来验证充电桩的充电输出参数的规格精准度。因为其输出功率范围从20kW到400kW，会建议使用具有能源回收功能的设备。将充电能量回馈到电网循环使用，这样可以节省充电测试时的电能消耗，同时有利于控制工厂环境温度。另外，建议选择双向的电池模拟器，可以被充电及放电，以因应未来充电桩必须具备V-to-G的功能。充电桩输入由电网模拟电源来供电，需验证在电压及频率的规格范围内，仍能正常运作。更重要的是模拟电网的异常变动，举例SAE-J1772和UL2231-2要求，建议进行电压骤降(Voltage Dip)、电压中断(Voltage Interruption)、变动测试(Voltage Variation Test)与谐波失真波形免疫力测试(Harmonic Distortion Immunity Test)，来测试充电桩不会损坏，或能顺利进入保护模式。
▲ 图四 可程控电网模拟器产生的各式波形示意图
充电桩还需测试待机耗电、功率因素以及充电效率的规格，测试系统(ATS)的功率表要符合高量测精度(<0.2%)外，甚至mW等级的功率解析度。同时建议要具备不同的量测模式(功率积分模式-Power Integration)与智慧档位(Smart Range)功能，才能更弹性的应用。随着充电桩功率有增大的趋势，测试系统建议需具备功率设备的可扩充性。并也需考量到未来通讯协议的升级需求，便可降低后续产线测试系统扩增的建置成本。
▲ 图五 DC充电椿测试系统可扩充性示意图
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跨领域的整合工作
充电桩产线EOL测试站也需要与自动线的PLC(Programmable Logic Controller)交握, 以确定待测物是否已到站定位，并能透过PLC交握确认工厂运作安全状况与消防等级。并需与MES(Manufacturing Execution System)确认前一站的测试状况与结果，来决定是否开始进行测试。为了提升生产效率与测试报告汇整，透过产品序号上传MES做控管，产生生产履历所需要的测试结果与数据做分析。甚至能自动下载对应的测项程序(TP)，做产线弹性生产不同型号的测试控管，避免可能的人为错误。最后须注意PLC、MES和ATS之间的程序交握，并清楚定义分责表，明确不同单位的责任归属。
在产线EOL的测试系统需要整合各领域不同的技术，还要累积相关经验才能顺利开发出来。希望此篇文章中提到5点技术议题及建议，可提供充电桩业者在产线测试规画时参考。能有助提高测试覆盖率，确保产品的安全与品质，也提升使用者满意度。并能运用多工的技术加速自动测试流程，提高工厂的产出。Chroma已提供电动车充电桩、车载充电器、驱动器及电池包的测试方案。