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电动汽车智能充电系统的现实环境技术测试台和PEV-EVSE的互操作性评估
摘要——电动汽车的全球销售在2015年突破了10万台大关。这些电力电动汽车运营商为了获得可靠的运输，需要可靠地获得无缝交付电力给他们的车辆。电力公司和其他配电基础设施所有者/运营商要求使用其服务的电动车辆无损中断，投资收益合理。标准定义组织（SDO）委员会由主题专家组成，根据利益相关者的需要，正式确定各个标准主题的要求。标准的验证，组件系统符合标准以及标准间系统的互操作性需要测试。该测试可以是模拟或模型，以及组件和系统级评估。本文介绍了为EV-smartgrid互操作性评估构建现实世界测试平台的要求和挑战。交流，直流和无线充电方法以及电网影响，计量，资源调度和车辆基础设施通信等系统主题的平衡。
关键词——电动车，智能充电，技术测试台，电动汽车，交流充电，直流充电，无线充电，开放通信标准，互操作性验证，智能电网，V2G，V2B，电网感知/智能充电，NIST手册44，紧凑型计量， 测试工具，互操作性测试结果
I. 导言
设置（使用）标准的理由是直观明显的，去这样建立某个标准的设备或系统能够可靠地匹配其他设备或系统，甚至还内置了相同的标准。在上个世纪，有很多电动汽车和充电系统的标准界定都已经创建了相关的标准组织（SDO）。有些SDO是全球性的，有些区域包括IEEE，ANSI，SAE，OASIS，ISO，DIN，IEC，JARI，等等。某个标准的一个SDO并不表示或保证与同一主题的其他SDO标准的统一。虽然不断有人努力来更新工作中的SDO术语的统一及定义的使用标准，但随着时间的推移，标准文档与最佳实践的使用引用已成为一种常用方法。应当指出的是，尽管大多数标准委员会参与者会支付自己的费用，在标准的制定工作中，该标准过程的版权保护的文件部分通常是由收费的SDO发行（即开放标准并不意味着免费使用版权保护的文件）。购买标准与查看标准的具体细节要求有时会阻碍发布结果对这些标准的引用。
创建（开放）标准的理由直观显而易见，这是为了使得根据标准构建的设备或系统可以可靠地匹配同样标准的其他设备或系统。在过去一个世纪，制定了与电动汽车和充电系统有关的标准的组织（SDO）有许多标准。一些SDO是全球性的，一些区域性的，包括IEEE，ANSI，SAE，OASIS，ISO，DIN，IEC，JARI等等。一个SDO发布的标准的存在并不意味着或确保与其他SDO标准在同一主题上进行协调。尽管随着时间的推移，标准随着时间的推移不断努力更新与SDO之间的工作，包括统一使用术语和定义。使用标准文件作为最佳做法参考是一种常见的方法。应该指出的是，尽管大多数标准委员会参与者都承担了自己的标准工作费用，标准过程的版权保护文件部分通常可以通过SDO发布标准来获取（即开放标准并不意味着免费使用受版权保护的文件）。购买标准以查看标准的具体细节的要求有时候是发布引用这些标准的结果的障碍。
电动汽车/充电系统符合相关标准不能确保两个系统之间的互操作性。SAE J2953是一个标准，明确描述了要求和测试程序，以评估插电式电动车（PEV）和充电站之间的互操作性。目前发布的SAE J2953（v1）版本仅解决了PEV交流充电方法的互操作性。正在进行中的工作（版本2）草案将包括使用PEV和非车载直流充电站（也称为电动车辆供应设备-EVSE）之间的数字通信的直流充电。SAE J2953的未来版本预计将包括无线充电系统（在SAE J2954中描述）的互操作性和共存操作，其中可能在同一位置提供AC，DC和无线充电服务。
有时也被描述为系统的平衡或公用事业互动，EVSE向上游供应基础设施的互操作性是下图1所示的EV-智能电网互操作性中心阿贡国家实验室（ANL）的任务的一部分。
2011年通过美国和欧盟之间的国际协议，互操作性中心将与伊斯普拉意大利研究EV充电互操作性问题的联合研究中心（JRC）并行工作。
互操作性中心的室外部分被称为智能能源广场，在图2中的背景所示可以看出9kW光伏（PV）发电资源交流耦合到分配系统的固定角度，此试验台能从主建筑物分支供电（200A/240VAC）并且用于测试、各种组合的车辆的充电系统组件和灵活的软件平台。这里示出的是7个电动汽车通过异种EVSEs混合与网络进行不同水平、出功率和大小的连接。
图2中特定的一组EVSEs的一个常见功能是合规美国残疾人法案（ADA）。负责部署电动汽车充电基础设施的许多利益相关者都表示，他们低估了与ADA遵守相关条款的重要性和成本。如图2所示，每个EVSEs的显示屏都具有帘线处理系统，该系统保持了ADA要求的充电用的软线离地面的距离，以围绕正在充电的车辆。图2中的第一个的充电站是一个多输出改型EVSE，包括上文所说的车辆下面垫的无线充电。该发射极焊盘的帘线被路由到车辆区域中的掩埋导管，根据ADA规定，在不使用时也是如此。
交流配电盘和EVSE中的每个分支电路（在作为燃料的电力分配点）通过补充主交流电源室内电表的电子表来监测负载测量的更细粒度。在互操作性中心研究的系统方面的平衡之一是电气计量学，具体而言，是与电力作为燃料的商业配送相关的测量。
国家标准与技术研究所（NIST）与国家重量和度量会议（NCWM）合作，编制了商业交易相关的商品销售要求。NIST手册130（销售方法）和手册44（测量系统要求）已经出版了100年以上的各种液体燃料和其他商业销售项目。另外，还增加了HB44的3.40节，以明确规定配电作为燃料的要求。符合HB44-3.40的验证程序的大部分技术内容都是在ANL EV智能电网互操作中心开发的。
EVSE功能的最新趋势反映了每辆车服务净成本的降价压力的降低，这便是动态负载管理，有时也称为智能充电。测量和管理充电负载的能力是ANL智能能源广场的一个主要特点。 动态负载管理可以在今天以各种标准和专有方法实现。
由许多PEV充电行业利益相关者组成的开放式充电联盟（OCA）已经开发了开放充值点协议（OCPP）。提高结构化信息标准组织（OASIS）已经开始采用OCPP作为SDO标准的过程，允许更多的制造商将OCPP实施为标准，并相应地推销其产品。加利福尼亚参议院法案SB454制定了EV充电站开放获取法案，其中除了别的以外还要求公开充电站的开放访问，无需订阅或进行特殊访问。OCPP以及其他SDO标准活动正在努力使EVSE访问控制、计费系统和诸如动态负载控制（智能充电）等高级功能标准化（和简化）。
ANL的无线电动车辆充电评估可在射频屏蔽室（如图1所示）内，在受控条件的室内实验室空间（RF室前）或智能能源广场的户外区域测试部分进行。无干扰无线充电和其他无意辐射源的FCC符合要求则需要户外测试（OAT）。智能能源广场技术测试台可以用于相互操作的无线EV充电系统的组合的共存和/或干扰研究，或者与导电和无线充电EVSE的混合（图3）。
智能能源广场技术测试台的室外位置的现实性质补充了EV-智能电网互操作性中心的受控实验室条件。这部分测试台的其他功能将在本文后面更详细的描述。
II. 电动车充电标准的历史背景
A. 19世纪末期的电动车充电
许多人熟悉本世纪和十年发布的PEV，但是在100多年前，美国道路上的电动汽车比内燃（或蒸汽）动力车辆（1913年约为30000辆）多。那个时代的大多数车辆都是低速的，有48伏的铅酸或类似的淹没的电解质电池。充电安全技术以及当时可用的有限绝缘材料，对于基础设施开发商来说是对这些早期电动汽车进行充电的一个挑战。图4显示了上个世纪之交附近的一个典型的EV充电设施，其中旋钮管式绝缘子将从直流电源到电动汽车电池的阵列中的单个导体承载起来。
在左边可以看到伏特和安培米旁边的刀开关，将充电电力路由到每个相应的电动车辆被充电。 架空滑轮和手推车轨道将充电电缆从天花板悬挂到车辆。 可以看出这是为了安全起见，保持电线远离（通常）可能损坏电缆的固体车辆轮胎，部分是因为那个时代的电导体绝缘在相对不灵活的情况下是脆弱的（与今天的橡胶/聚合物护套线不同）。
鉴于最近的SAE / IEC标准开发150A直流电动汽车充电器的标准活动，许多读者可能会惊讶地发现，1913年大部分电动汽车使用了一个事实上的标准150A直流耦合器，后来这成为SAE标准，如图5。这种耦合器出现在SAE标准手册中，直到1939年。
许多SAE交易记录可追溯到1911年，电动车标准的国际合作需要增加，被联盟国家之间的战争和更密切的合作所掩盖。 车载连接器的互操作性的需要是在大约1912年的几个标准组织介绍的主题。
B. 电动车充电标准-1990
在20世纪90年代对更清洁，更高效的车辆的推动力导致了另一波电动汽车的诞生，并在同时更新了电动汽车充电器。图6显示了为这些车辆开发的导电和感应SAE充电耦合器标准。这些联轴器在福特Ranger EV（J1772-v0）和GM EV1（J1773）中着名使用。
III. 当代电动车充电标准及测试
A. 交流电动车充电——SAE J1772-v3
与许多标准一样，行业成员需要更低成本，更小的占地面积和相同或更高可靠性的更新的充电耦合器。图6显示了2010年发布的5针，圆形的43mm SAE J1772-v3耦合器。
该充电标准可容纳高达80安培的多个电源电压（级别1-120vac，级别2-208 / 240vac）。五个引脚连接电源，地线，导频和接近信号。当接近信号被解耦时，车辆使用接近信号来检测连接器何时物理地耦合到车辆并且经由释放卡扣上的开关。接近信号的目的是确认车辆被接入，从而在充电时禁用车辆的牵引驱动。它还允许车辆在连接器针脚将要物理分离之前禁止其侧面的充电电流，否则可能导致引脚损坏。
SAE J1772耦合器的导频信号为充电系统的模拟安全联锁提供多种功能，通过宽带电力线通信（PLC），将先进的EVSE数字通信叠加在导频信号之上。导频信号还用作车辆在车辆所允许的线路电流上的参考。导频信号在EVSE中生成为1kHz脉宽调制（PWM）方案，由车辆用于设置EVSE的最大负载电流。换句话说，导频信号占空比设置PEV可能在该位置绘制的最大电流通常由现有的电气基础设施决定。
依照SAE J2953程序、循环PEV-EVSE AC的互操作性测试由DOE资助并由参与的PEV / EVSE制造商支持。它评估了14个PEV和14个EVSE的矩阵，结果被匿名化以屏蔽没有通过一些测试的PEV或EVSE。该测试被认为是成功的，因其识别出了不可互操作性问题或用于迭代和改进适用的电动汽车充电标准的标准定义中的差异。该测试的AC互操作性测试软件和硬件工具都是在ANL开发的，Intertek-Plymouth MI担任了对它们的测试。图8显示的是工具和测试现场。
PEV-EVSE SAE J2953中定义的互操作性标准包括耦合器机械插拔力的测量和验证（不超过70N力）。图8所示的交流互联互通测试平台的目的是测量所有五个SAE J1772耦合器引脚上的信号，并记录标准中描述的各种测试用例的结果。自动测试报告在标准的每个测试部分的末尾生成。
B. 直流电动汽车充电——SAE J1772-CCS
与20世纪90年代初的SAE J1772-v0充电标准类似，更新的SAE J1772-v6耦合器具有将AC和DC充电功能组合在一个耦合器中的能力。这允许车辆只有一个入口，而不是两个用于AC和DC充电方法。J1772组合充电系统（CCS）规定三级电流; 1级DC（高达80A / 500vdc），2级DC（高达200A / 500vdc），3级DC（高达400A / 500vdc）。图9显示了各种充电水平的比较以及它们可以用作电动汽车充电基础设施的一部分。
直流充电互操作性测试被叫做与PEV和EVSE制造商合作进行的多天“Testivals”，第一届由ANL于2014年11月在互操作性中心主办。来自世界各地的80多位参加者参加了事件测试车辆，直流EVSE，控制器和评估测试工具/软件。图10显示了事件中的一些参与者。
直流充电互操作性的后续步骤还包括在德国波鸿的ScienLab制造的“金测试设备”中实施SAE J2953-v2草案直流测试用例。它是根据全球行业利益相关者的共识要求创建的。该工具将于2016年底发布，将成为ANL技术测试台的一部分。
C. AC / DC重载充电（SAE J3068，SAE J3105）
这里在ANL技术测试台功能的上下文中描述了两个最新的正在进行中的PEV充电标准。SAE J3068是车载重型插头的7针，3相480vac充电标准。它基于现有的IEC62196类型2耦合器，其中叠加有导频信号的数字控制信号，以及主动充电时的机械锁存器。具有先进的触点，可提供高达160A，或〜133kW。ANL具有这种类型的EVSE和测试平台开发耦合器的预规范（J3068标准草案）版本，如图11所示。
SAE J3105是一种使用中型和重型电动车辆的机械式架空联结器的直流导电输电系统。这是一项正在进行的工作，提出了高于1000v / 500A的评级（面向更大的电池/高压未来车辆）。现阶段正考虑与其他耦合系统互锁的互操作性，以利用现有的充电设备，扩大到更高的功率水平。
预计SAE J1772-v8将针对业界共识提出更高的“快速充电”（有时就称为充电）来提高电压和电流的额定值。成立于柏林，由汽车和EVSE制造商组成的充电接口计划（Charin e.V.）创建，以建立CCS作为直流充电的标准。他们所说的计划是起草现有电动汽车充电标准（更高功率）演进的要求，并制定制造商在其产品上使用的认证系统。这些术语没有正式表示，行业成员表示，150kW和350kW的充电水平是性能目标（1000v / 350A）。在
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