直流充電樁產線測試面臨的技術議題與建議
發布時間： 2024-08-02 瀏覽次數: 作者：卓定科技
隨著電動車的電池容量增加來提高續航里程，并要降低開車的里程焦慮，市場有更多安裝直流快充充電樁的需求。隨著安裝地點不同，充電樁會有不同充電介面與功率范圍的規劃。現行的直流充電標準包括歐美的CCS或NACS、日本的CHAdeMO、中國的GB/T，除了充電槍頭外觀有差異，采用的通訊協議也有所不同。內部組成包括AC-DC電源模組、充電控制器、通訊模組、人機介面、DC電表、斷路器、漏電監控器、安全保護線路等。充電樁的妥善率也常被提出討論，充電樁制造商要考慮在生產端提升產品品質，也要兼顧測試效率，就成為重要議題。
Chroma基于多年協助產業界的經驗，歸納出幾點生產端會遇到的技術議題與解決建議。
第一點 : 充電介面與通訊協議標準
當充電槍插上電動車的充電座之后，雙邊的接觸偵測與通訊協議就開始運作。當在充電預備、開始和結束的各狀態中，若充電設備通訊控制器(SECC)和電動車通訊控制器(EVCC)交握有任何異常(包含超時、資料格式辨識、異常處理、時序等)，充電運行就將會被迫中斷。所以自動化測試系統(ATS)必須具備模擬電動車通訊的功能，甚至可以故意設定異常動作，以驗證充電樁的中斷保護功能。另外ATS還需模擬電動車的充電座，規格必須能符合電氣測試之要求，且具備電子鎖、溫度監控、大功率斷路器以及散熱功能，可確保測試過程的安全性。測試系統建議采用模組化且可更換的EV模擬器與充電座，可快速更換避免產線因異常問題造成長時間測試中斷。另外好處是可彈性調整測試不同標準的產品，或未來需求而升級。
除此之外，建議EV模擬器搭配合適的電池模擬器與測試軟體，具有可載入充電功率曲線(如：圖二)的功能?？捎脕砟M實際對DC EVSE的即時充電電流變化要求，以驗證其響應速度與精準度。
為適應不同電動車采用的直流充電標準不同，目前充電樁廠商紛紛推出具有多個不同介面的直流充電槍的產品，例如適用CCS與CHAdeMO標準，甚至包括交流充電槍。這樣的充電樁產品在測試系統的配置上，就需多個不同標準的充電模擬器，使測試流程更加復雜。且若多槍產品采用輪流測試的方式，所需時間便會被拉長，也與實際同時多槍使用的情況不同。因此產線的自測試系統(ATS)需能多工模擬不同介面，并模擬多臺電動車在同時間充電之情境。如此，可測試充電樁于不同協議之電動車同步進行通訊交握，并檢測其輸出狀態。尤其可驗證驗證充電樁在多臺電動車同時發出充電電流需求下，內部的智能輸出功率分配功能，不致發生誤動作或保護。各槍的輸出也能同步檢測輸出電壓/電流/Wh的精準度規格，如此可縮短產線測試時間。
第三點 : 驗證安規標準與保護機制
各種保護機制是直流充電樁的重要功能，包含：輸出過電壓/過電流、接地與絕緣異常、緊急停止、過溫度以及入電異常等。測試系統需要具備各種情境模擬，確實測試每一臺充電樁的保護機制能正常動作。例如當進行充電樁絕緣監控測試時，可透過測試系統設定絕緣電阻箱，來模擬電池與車體間的阻抗變化。甚至于不同的通訊交握階段，將其搭接在輸出DC+或DC-到接地端回路上，檢測充電樁絕緣偵測功能是否正常。系統集成時必需選用合適的繼電器及電阻的耐電壓及耐電流規格，才不會容易損壞。另外若電池模擬器的內部Y電容過大，可能會影響到絕緣監測的功能測試，甚至誤報導致測試中斷，必須特別留意。
充電樁接受電動車的電流及電壓命令，由內部電源模組將電網的交流電做轉換來對電池充電。測試系統需整合電池模擬器，可設定在定電壓或定電流模式，來驗證充電樁的充電輸出參數的規格精準度。因為其輸出功率范圍從20kW到400kW，會建議使用具有能源回收功能的設備。將充電能量回饋到電網循環使用，這樣可以節省充電測試時的電能消耗，同時有利于控制工廠環境溫度。另外，建議選擇雙向的電池模擬器，可以被充電及放電，以因應未來充電樁必須具備V-to-G的功能。充電樁輸入由電網模擬電源來供電，需驗證在電壓及頻率的規格范圍內，仍能正常運作。更重要的是模擬電網的異常變動，舉例SAE-J1772和UL2231-2要求，建議進行電壓驟降(Voltage Dip)、電壓中斷(Voltage Interruption)、變動測試(Voltage Variation Test)與諧波失真波形免疫力測試(Harmonic Distortion Immunity Test)，來測試充電樁不會損壞，或能順利進入保護模式。
充電樁還需測試待機耗電、功率因素以及充電效率的規格，測試系統(ATS)的功率表要符合高量測精度(<0.2%)外，甚至mW等級的功率解析度。同時建議要具備不同的量測模式(功率積分模式-Power Integration)與智慧檔位(Smart Range)功能，才能更彈性的應用。隨著充電樁功率有增大的趨勢，測試系統建議需具備功率設備的可擴充性。并也需考量到未來通訊協議的升級需求，便可降低后續產線測試系統擴增的建置成本。
在產線EOL的測試系統需要整合各領域不同的技術，還要累積相關經驗才能順利開發出來。希望此篇文章中提到5點技術議題及建議，可提供充電樁業者在產線測試規畫時參考。能有助提高測試覆蓋率，確保產品的安全與品質，也提升使用者滿意度。并能運用多工的技術加速自動測試流程，提高工廠的產出。 Chroma已提供電動車充電樁、車載充電器、驅動器及電池包的測試方案。
針對直流充電樁的自動測試系統（Automatic Test System, ATS）
應用在產線EOL（End Of Line）測試
Chroma基于多年協助產業界的經驗，歸納出幾點生產端會遇到的技術議題與解決建議。
第一點 : 充電介面與通訊協議標準
當充電槍插上電動車的充電座之后，雙邊的接觸偵測與通訊協議就開始運作。當在充電預備、開始和結束的各狀態中，若充電設備通訊控制器(SECC)和電動車通訊控制器(EVCC)交握有任何異常(包含超時、資料格式辨識、異常處理、時序等)，充電運行就將會被迫中斷。所以自動化測試系統(ATS)必須具備模擬電動車通訊的功能，甚至可以故意設定異常動作，以驗證充電樁的中斷保護功能。另外ATS還需模擬電動車的充電座，規格必須能符合電氣測試之要求，且具備電子鎖、溫度監控、大功率斷路器以及散熱功能，可確保測試過程的安全性。測試系統建議采用模組化且可更換的EV模擬器與充電座，可快速更換避免產線因異常問題造成長時間測試中斷。另外好處是可彈性調整測試不同標準的產品，或未來需求而升級。
▲ 圖一 測試情境示意圖
除此之外，建議EV模擬器搭配合適的電池模擬器與測試軟體，具有可載入充電功率曲線(如：圖二)的功能?？捎脕砟M實際對DC EVSE的即時充電電流變化要求，以驗證其響應速度與精準度。
▲ 圖二 充電功率曲線示意圖
為適應不同電動車采用的直流充電標準不同，目前充電樁廠商紛紛推出具有多個不同介面的直流充電槍的產品，例如適用CCS與CHAdeMO標準，甚至包括交流充電槍。這樣的充電樁產品在測試系統的配置上，就需多個不同標準的充電模擬器，使測試流程更加復雜。且若多槍產品采用輪流測試的方式，所需時間便會被拉長，也與實際同時多槍使用的情況不同。因此產線的自測試系統(ATS)需能多工模擬不同介面，并模擬多臺電動車在同時間充電之情境。如此，可測試充電樁于不同協議之電動車同步進行通訊交握，并檢測其輸出狀態。尤其可驗證驗證充電樁在多臺電動車同時發出充電電流需求下，內部的智能輸出功率分配功能，不致發生誤動作或保護。各槍的輸出也能同步檢測輸出電壓/電流/Wh的精準度規格，如此可縮短產線測試時間。
第三點 : 驗證安規標準與保護機制
各種保護機制是直流充電樁的重要功能，包含：輸出過電壓/過電流、接地與絕緣異常、緊急停止、過溫度以及入電異常等。測試系統需要具備各種情境模擬，確實測試每一臺充電樁的保護機制能正常動作。例如當進行充電樁絕緣監控測試時，可透過測試系統設定絕緣電阻箱，來模擬電池與車體間的阻抗變化。甚至于不同的通訊交握階段，將其搭接在輸出DC+或DC-到接地端回路上，檢測充電樁絕緣偵測功能是否正常。系統集成時必需選用合適的繼電器及電阻的耐電壓及耐電流規格，才不會容易損壞。另外若電池模擬器的內部Y電容過大，可能會影響到絕緣監測的功能測試，甚至誤報導致測試中斷，必須特別留意。
▲ 圖三 絕緣阻抗測試示意圖
充電樁接受電動車的電流及電壓命令，由內部電源模組將電網的交流電做轉換來對電池充電。測試系統需整合電池模擬器，可設定在定電壓或定電流模式，來驗證充電樁的充電輸出參數的規格精準度。因為其輸出功率范圍從20kW到400kW，會建議使用具有能源回收功能的設備。將充電能量回饋到電網循環使用，這樣可以節省充電測試時的電能消耗，同時有利于控制工廠環境溫度。另外，建議選擇雙向的電池模擬器，可以被充電及放電，以因應未來充電樁必須具備V-to-G的功能。充電樁輸入由電網模擬電源來供電，需驗證在電壓及頻率的規格范圍內，仍能正常運作。更重要的是模擬電網的異常變動，舉例SAE-J1772和UL2231-2要求，建議進行電壓驟降(Voltage Dip)、電壓中斷(Voltage Interruption)、變動測試(Voltage Variation Test)與諧波失真波形免疫力測試(Harmonic Distortion Immunity Test)，來測試充電樁不會損壞，或能順利進入保護模式。
▲ 圖四 可程控電網模擬器產生的各式波形示意圖
充電樁還需測試待機耗電、功率因素以及充電效率的規格，測試系統(ATS)的功率表要符合高量測精度(<0.2%)外，甚至mW等級的功率解析度。同時建議要具備不同的量測模式(功率積分模式-Power Integration)與智慧檔位(Smart Range)功能，才能更彈性的應用。隨著充電樁功率有增大的趨勢，測試系統建議需具備功率設備的可擴充性。并也需考量到未來通訊協議的升級需求，便可降低后續產線測試系統擴增的建置成本。
▲ 圖五 DC充電椿測試系統可擴充性示意圖
第五點 : 跨足不同領域的整合工作
充電樁產線EOL測試站也需要與自動線的PLC(Programmable Logic Controller)交握, 以確定待測物是否已到站定位，并能透過PLC交握確認工廠運作安全狀況與消防等級。并需與MES(Manufacturing Execution System)確認前一站的測試狀況與結果，來決定是否開始進行測試。為了提升生產效率與測試報告匯整，透過產品序號上傳MES做控管，產生生產履歷所需要的測試結果與數據做分析。甚至能自動下載對應的測項程序(TP)，做產線彈性生產不同型號的測試控管，避免可能的人為錯誤。最后須注意PLC、MES和ATS之間的程序交握，并清楚定義分責表，明確不同單位的責任歸屬。在產線EOL的測試系統需要整合各領域不同的技術，還要累積相關經驗才能順利開發出來。希望此篇文章中提到5點技術議題及建議，可提供充電樁業者在產線測試規畫時參考。能有助提高測試覆蓋率，確保產品的安全與品質，也提升使用者滿意度。并能運用多工的技術加速自動測試流程，提高工廠的產出。 Chroma已提供電動車充電樁、車載充電器、驅動器及電池包的測試方案。