CN113629830A - 一种电动汽车充电设施安全保护方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电动汽车充电设施安全保护方法，主要研究了漏电保护、输入过/欠压保护、输入短路及过载保护、输出过压保护等，并在此基础上提出了交直流充电设备电气安全保护改进方案，并通过研究交、直流充电设备电气安全故障清单，构建了基于故障树的交、直流充电设备故障失效模型。根据交直流充电设备电气安全故障清单，研究了面向互联互通的高安全交流充电设备、面向互联互通的高安全直流充电设备和宽环境适应范围的液冷直流充电设备电气安全保护合格率测试方法，给出了电气安全保护测试数据处理和判定方法。本发明为电动汽车充电设施安全保护提供参考。

Description

一种电动汽车充电设施安全保护方法
技术领域
本发明涉及一种电动汽车充电设施安全保护方法，属于电动汽车充电设施建设技术领域。
背景技术
当今世界正面临全球性的能源危机与日益严峻的环境保护压力，交通运输领域作为世界经济的命脉，正经受着高能源消耗与高环境污染的双重挑战。针对此问题，世界各国均发布并实施了各自的电动汽车战略。对于我国而言，大力发展和推广电动汽车是我国实现能源战略和可持续发展战略的重要途径。随着我国经济持续快速发展和城镇化进程加速推进，今后较长一段时期汽车需求量仍将保持增长势头。加快培育和发展电动汽车，既是有效缓解能源和环境压力，推动汽车产业可持续发展的紧迫任务，也是加快汽车产业转型升级、培育新的经济增长点和国际竞争优势的战略举措。
目前，我国以电动汽车为代表的新能源汽车产业正在处于爆发式增长阶段。中国汽车工业协会数据表明，2017年11月新能源汽车产销12.2万辆和11.9万辆，同比增长69.4％和83.1％；2017年1-11月，新能源汽车产销63.3万辆和60.5万辆，同比增长50.4％和52.8％。其中，纯电动汽车累计销量占新能源汽车累计销量比重大83.0％。以交流充电桩和直流充电机为代表的充电设施建设是电动汽车产业健康发展的前提和基础，各级政府部门也对充电设施建设给予了大量的政策和资金支持。《电动汽车充电基础设施发展指南(2015-2020)》(发改能源〔2015〕1454号)提出，到2020年我国将新增集中式充换电站超过1.2万座，分散式充电桩超过480万个，以满足全国500万辆电动汽车充电需求。根据中国充电联盟统计，截止2017年12月全国公共充电桩和私人充电桩保有量之和已达到44万个。其中，公共充电桩保有量已达到21.4万个，比2016年净增约7万个，月均新增约6000个，也处于爆发式增长阶段。
随着我国电动汽车及充电设施的普及应用，一系列问题逐渐暴露，如交直流充电设备电气安全保护措施不完善，造成多起人员受伤和充电设备及电动汽车受损事故；充电设备智能化程度低，充电成功率低，影响了用户体验，增加了充电设施运行维护成本；充电过程中只考虑动力电池的充电需求，未能全面考虑充电设备本身健康状态和电网状态，造成各种安全隐患等。总之，充电安全性、可靠性、便捷性等已成为充电设施产业规模化发展亟待解决的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种电动汽车充电设施安全保护方法，为实现电动汽车充电设施的安全发展，充分发挥其作为能量型负载的潜力，提高充电设施的优化运行能力，以确保电动汽车充电的安全性。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种电动汽车充电设施安全保护方法，具体实施步骤如下：
步骤1，提出交、直流充电设备电气安全保护方法，包括：通过对交、直流充电设备的电气安全保护分析，主要有漏电保护，过载保护，短路保护，输入/输出电压异常保护，设计一种交、直流充电设备电气安全保护实时性改进方案以及车辆后备保护方案；
步骤2，提出交、直流充电设备高可靠通信方法，包括：通过对交、直流充电设备通讯方式及原理进行分析，设计直流充电机与BMS***高可靠通讯方案；
步骤3，建立交、直流充电设备电气安全故障失效模型，包括：通过对交、直流充电设备电气安全故障分析，总结出安全故障清单，基于此，建立交、直流充电设备电气安全故障失效模型；
步骤4，提出交、直流充电设备电气安全保护合格率测试方法，包括：针对面向互联互通的高安全交流充电设备电气安全保护需求，基于互联互通平台进行测试，从电气安全保护的完备性、准确性、实时性等几个方面构建高安全交流充电设备电气安全保护合格率测试方法，并对结果进行判定。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
本发明实现电动汽车充电设施的健康安全发展，充分发挥其作为能量型负载的潜力，提高充电设施的优化运行能力，以确保电动汽车充电的安全性。
附图说明
图1是电动汽车充电设施安全保护方法流程图；
图2是保护控制流程图；
图3是剩余电流动作保护器工作原理图；
图4是输入短路保护原理图；
图5是输入过/欠压保护原理图；
图6是输出过载保护原理图；
图7是输出过压保护原理图；
图8是充电机检测电压不等于BCP报文当前电池电压保护流程图；
图9是BMS需求电压超过动力电池最高允许充电电压保护流程图；
图10是交流充电桩通讯结构图；
图11是直流充电桩通讯结构图；
图12是屏蔽双绞线电场耦合示意图；
图13是CAN收发器级冗余硬件电路原理框图；
图14是CAN控制器级冗余硬件电路原理框图；
图15是CPU级冗余硬件电路原理框图；
图16是告警状态故障失效模型图；
图17是故障状态失效模型图；
图18是面向互联互通的高安全交流充电设备电气安全保护合格率测试环境示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
如图1所示，一种电动汽车充电设施安全保护方法，包括：
1.交、直流充电设备电气安全保护方法：
(1)交、直流充电设备常规电气安全保护
交、直流充电设备的电气安全保护主要有漏电保护，过载保护，短路保护，输入/输出电压异常保护等，保护控制的软件流程图如图2所示。
1)漏电保护
剩余电流保护器是针对低压***接地故障的一种保护电器，又称为漏电保护器。剩余电流保护器的核心部分为剩余电流检测元件，三相不平衡漏电流的检测方法如图3所示。
图3中，RCD是剩余电流动作保护器，YA是电磁脱扣器，TAN是零序电流互感器，SB是分闸试验按钮。从断路器引出的三相线路及中性线均穿过零序电流互感器，当三相电流平衡时，三相电流之和为零；而当三相电流不平衡时，三相电流之和与零线电流大小相等而方向相反，即
Figure BDA0003259114400000031
将三相电缆和零线电缆同时都穿过零序电流互感器，此时零序电流互感器的二次绕组电流为
Figure BDA0003259114400000032
Figure BDA0003259114400000033
在式(2)中，
Figure BDA0003259114400000034
就是线路或者电器设备对地的漏电流，也被称为剩余电流。
当线路正常工作时
Figure BDA0003259114400000035
所以正常工作下***的剩余电流约等于零；当线路中发生漏电时，
Figure BDA0003259114400000041
则从零序电流互感器中就能测量出剩余电流。
2)输入短路保护
直流充电机的输入侧是三相交流电源，当输入侧发生短路时，巨大的短路电流通过导体，短时间产生很大热量，形成高温，极易造成设备过热而损坏，故直流充电机交流侧需要安装短路保护设备。交流侧短路保护采用瞬时短路保护，保护设备采用塑壳短路器。交流侧短路保护原理图如图4所示。
在图4中，塑壳断路器中的电流互感器采集交流侧输入电流，当交流侧输入电流超过动作电流
Figure BDA0003259114400000042
后，比较环节KA有输出。在某些特殊情况下，需要设置闭锁跳闸回路，设置闭锁环节，闭锁环节在不需要保护时输出为1，在保护需要闭锁时输出为0。当比较环节KA有输出并且不被闭锁时，与门有输出，发出跳闸命令使断路器跳闸，与此同时，启动信号回路的信号继电器KS，将遥信变化传给控制器，液晶显示屏显示交流侧短路故障。
3)输入过/欠压保护
交流侧过/欠压保护原理图如图5所示。充电模块采集三相交流电压U1，与整定值Uset比较，当交流侧输入电压大于整定电压Uset1后，比较环节KV有输出。在某些特殊情况下，需要设置闭锁跳闸回路，设置闭锁环节，闭锁环节在不需要保护时输出为1，在保护需要闭锁时输出为0。当比较环节KV有输出并且不被闭锁时，与门有输出，经过时间继电器KT的延时后，充电模块发出停机命令，启动中间继电器KM使充电模块停机。与此同时，充电模块通过CAN通讯将交流输入过压信息传给直流充电机控制器，直流充电机控制器发出跳闸命令使交流接触器跳闸，并且启动信号回路的信号继电器KS，将遥信变化传给控制器，液晶显示屏显示交流侧过压告警。欠压保护的原理和过压保护的原理相似，主要是电压整定值Uset不一样，当交流侧输入电压小于整定值Uset2时，欠压保护装置动作。
4)输出过载保护
直流充电机输出过载保护采用反时限过电流保护，输出过载保护原理图如图6所示。直流充电机通过分流器采集直流侧输出电流，当直流侧输出电流超过整定电流Iset3后，比较环节KA有输出。当比较环节KA有输出并且不被闭锁时，与门有输出，时间继电器KT的延时与电流的大小有关，电流越大，延时时间越少(即反时限延时)，经过KT延时后，充电机发出停止充电命令，启动中间继电器KM使直流接触器K1，K2断开。与此同时，充电桩控制器通过CAN通讯使充电模块停机，液晶显示屏显示输出过载告警故障。
5)输出过压保护
直流侧过压保护原理图如图7所示。充电机通过电阻分压的方法采集直流侧输出电压U2，与整定值Uset3比较，当直流侧输出电压大于整定电压Uset3后，比较环节KV有输出。在某些特殊情况下，需要设置闭锁跳闸回路，设置闭锁环节，闭锁环节在不需要保护时输出为1，在保护需要闭锁时输出为0。当比较环节KV有输出并且不被闭锁时，与门有输出，经过时间继电器KT的延时后，充电机发出停止充电命令，启动中间继电器KM使直流接触器K1，K2断开。与此同时，充电桩控制器通过CAN通讯使充电模块停机，液晶显示屏显示输出过压告警。
(2)交、直流充电设备电气安全保护实时性改进方案
交、直流充电设备电气保护的实时性是指尽可能快速切除故障，以减少充电设备在大短路电流、低电压及非正常状态下的运行时间，降低设备的损坏程度，提高充电设备运行的安全性。
本发明专利主要从四个方面来提高交、直流充电设备电气安全保护的实时性，分别是：CPU晶振由72MHz提高到150MHz；将多个单核CPU升级为单个多核CPU；采样电路选用高速光耦；采样电路采用DMA模块。晶振是时钟电路中最重要的部件，它的作用是给芯片提供基准频率，提高晶振频率可以提高CPU处理速度从而提高电气安全保护的实时性。以前充电机控制器采用多个单核CPU，CPU之间的信息交互需要一定的时间，影响了控制***的实时性；现在将多个单核的CPU升级为单个多核CPU，减少了CPU之间信息交换的时间，从而提高控制***的实时性。高速光耦模块可以快速的采集交、直流充电设备的电压和电流信息，使得充电桩控制器可以及时的获得充电设备的故障信息，从而使得充电设备快速准确的动作。数据通讯的传输一般都是数据量大、速度快，如果每次存储都通过CPU，一定程度上会影响CPU的工作效率；而DMA模块可以将内存或外设之间的数据进行移动，减少CPU处理数据的时间，从而提高CPU的工作效率，进而提高充电设备电气安全保护的实时性。
采用上述电气安全保护实时性改进方案后，交、直流充电设备电气安全保护的实时性获得了大幅度提高，交、直流充电设备电气安全保护实时性的改进结果分别如表1和表2所示。
表1交流充电桩电气安全保护实时性改进结果
Figure BDA0003259114400000061
从表1中可知，GB/T 18487.1-2015、NB/T 33008等标准规定了各个故障的动作时间，并对各个故障进行了说明。本发明根据上述标准的要求，对交流充电桩充电过程中故障的动作时间进行改进，使各个故障的实际动作时间基本接近标准规定动作时间的1/3，从而大幅度提高交流充电桩电气安全保护的实时性。
表2直流充电机电气安全保护实时性改进结果
Figure BDA0003259114400000071
Figure BDA0003259114400000081
从表2中可知，GB/T 18487.1-2015、NB/T 33008等标准规定了直流充电机各个故障的动作时间，并对各个故障进行了说明。本发明根据上述标准的要求，对直流充电机充电过程中故障的动作时间进行改进，其中急停故障、PE断线故障、门限位开关告警、控制导引故障、开关S断开故障、停止充电过压故障及输出电压超过车辆BMS最高允许电压故障的实际动作时间约为标准规定动作时间的1/2和1/3，充电过程中失电故障和充电过程中各种通信故障的实际动作时间约为标准规定动作时间的1/8，所以本发明的改进方案大幅度提高了直流充电机电气安全保护的实时性。
(3)车辆后备保护
1)充电机检测电压不等于BCP报文当前电池电压保护
车辆充电准备就绪后，车辆控制装置闭合车辆接触器，使充电回路导通。直流充电机检测车辆电池端电压是否正常(确定电池电压大于充电机最小输出电压且小于充电机最高输出电压)，如果电池电压在正常范围内，还要判断充电机检测到的电池电压是否等于BCP报文(电池充电参数报文)中的动力电池电压，如果二者相等，则充电机输出预充电压后闭合直流接触器，使直流供电回路导通。若充电机检测的电压与BCP报文中当前电池电压相差超过充电机最高输出电压的5％，则说明BMS***出现了故障，此时充电机应停止充电。
设直流充电机最大输出电压为Umax，电池端电压为U，充电机检测电压为U'，充电机检测电压不等于BCP报文当前电池电压保护流程图如图8所示。由图8可知，直流充电机首先判断充电机检测的电压与BCP报文中当前电池电压的差值是否超过充电机最高输出电压的5％，若|U-U'|>0.05U_max，则充电机向BMS发送充电终止报文(CTS)，并且停止充电；当充电机检测到输出电流小于5A时，直流接触器断开，同理，当BMS检测到充电电流小于5A时，车辆接触器断开；当直流接触器断开后，泄放继电器闭合，使充电模块输出电压在1S内降到60V以下，然后再断开辅助电源继电器，并且将电子解锁；辅助电源继电器断开后，BMS***进入休眠状态。
2)BMS需求电压超过动力电池最高允许充电电压保护
充电参数配置阶段BMS会给充电机发送动力电池充电参数报文(即BCP报文)，BCP报文中有动力电池的最高允许电压，故充电机在充电过程中的最大充电电压应小于动力电池的最高允许电压，
在充电过程中，设BMS需求的充电电压为U，动力电池的最高允许充电总电压为UBmax，当U>UBmax时，说明车辆BMS***出现了故障，此时充电机应停止充电。BMS需求电压超过动力电池最高允许充电电压保护流程图如图9所示。由图9可知，充电机首先判断BMS需求电压是否大于动力电池最高允许充电电压，若U>UBmax，则充电机向BMS发送充电终止报文(CTS)，并且停止充电；当充电机检测到输出电流小于5A时，直流接触器断开，同理，当BMS检测到充电电流小于5A时，车辆接触器断开；当直流接触器断开后，泄放继电器闭合，使充电模块输出电压在1S内降到60V以下，然后再断开辅助电源继电器，并且将电子解锁；辅助电源继电器断开后，BMS***进入休眠状态。
2.交、直流充电设备高可靠通信方法
(1)交、直流充电设备通讯方式及原理
通信是交、直流充电设备的一个重点和难点,区域不同、条件不同,可应用的通信方式也不同，其通信方式主要有有线方式和无线方式。有线方式有线以太网和工业串行总线两种。有线以太网主要优点是数据传输可靠、网络容量大,缺点是布线复杂、扩展性差、施工成本高、灵活性差。工业串行总线(RS-485、RS-232、CAN总线)的优点是数据传输可靠、设计简单,缺点是布网复杂、扩展性差、施工成本高、灵活性差、通信容量低。无线方式主要采用移动运营商的无线网络数据接入业务。无线方式的优点是成本低廉、建设工程周期短、适应性强、扩展性好、维护方便、扩展容易。缺点是受电磁环境影响比较大，传输信号比较容易受到干扰，稳定性差，并且会产生大量的辐射，对人体健康有害。
对现有的交、直流设备的通讯***进行分析，其通讯结构图分别如图10和11所示。
由图10知，参与交流充电桩通讯的单元主要包括充电桩控制器、计量计费单元、互联互通平台(TCU)、电表、读卡器和电动汽车。以充电桩控制器为核心，充电桩控制器与各通讯单元间采取不同的通讯方式。充电桩控制器与计费单元采用CAN总线通讯，计费单元与电表和读卡器分别采用485总线和232总线通讯，互联互通平台和计量计费单元之间通过GPRS通讯，充电桩控制器和电动汽车之间通过PWM占空比来确定交流充电桩的最大供电电流。
由图11知，参与直流充电机通讯的单元主要包括充电桩控制器、车辆BMS、计费单元、互联互通平台、整流控制器、充电模块等几个部分。以充电桩控制器为核心，充电桩控制器与各通讯单元间采取不同的通讯方式。充电桩控制器与计费单元、与车辆BMS均采用CAN总线通讯，计费单元与电表采用485总线通讯。充电桩控制器与整流控制器采用485总线通讯，整流控制器分别采用CAN总线和485总线与充电模块和环境监测器通讯。计量计费单元和互联互通平台之间采用GPRS通讯。
目前交、直流充电设备的通讯问题主要存在两个方面：一、直流充电机与BMS***的通信可靠性问题；二交、直流充电设备与互联互通平台的通信可靠性问题。由于直流充电机与BMS***之间的通信采用CAN总线通信方式，交、直流充电设备与互联互通平台之间采用GPRS通信方式，故提高交、直流充电设备通信可靠性即提高CAN总线通信可靠性和GPRS通信可靠性。
(2)直流充电机与BMS***高可靠通讯方案
CAN总线是一种高性能、高可靠、易开发且成本低的串行通信现场总线，由于其优越的性能被广泛的应用于各个领域，其中直流充电机和汽车BMS***之间就采用CAN总线通讯，但CAN总线在可靠性和实时性方面仍然存在一些问题，下面将通过2个方面来提高CAN总线的通信可靠性，从而提高直流充电机和BMS***之间通信的可靠性。
1)CAN总线抗干扰设计
CAN总线通信介质有双绞线、同轴电缆和光纤，相比于同轴电缆和光纤，双绞线具有成本低和容易实现的优点，因此在工业和汽车上得到广泛应用。为了抑制电磁感应和静电感应干扰，选用屏蔽双绞线作为传输线，并将屏蔽层合理接地，可以提高CAN总线抗干扰能力。干扰源对双绞线的耦合主要体现在两个方面，分别为磁场耦合和电场耦合。
对于非屏蔽双绞线，干扰源上的电流变化会产生变化的磁场穿过双绞线，并在每个环中感应出电动势，由于双绞线的扭曲特性，相邻环内的感应电动势相互抵消，使其具有较强的抗磁场干扰能力。如果是屏蔽双绞线，屏蔽层不接地或单点接地时屏蔽层上面会有感应电压，但没有电流，不会产生磁场，因此屏蔽层对于磁场的耦合没有影响，这时屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线一样，不会对双绞线内部产生新的干扰。如果屏蔽层是双端接地，而且两端负载不同时，在屏蔽层和地回路之间会产生环流，对内部双绞线会产生新的干扰。
电场耦合又称为静电耦合，是通过电容耦合到其他线路的，因此双绞线对容性的电场耦合没有影响，等于单线接收导线的容性耦合。图12是一对平行非屏蔽导线所构成两回路的容性耦合，导线1是干扰发射导线，导线2是非屏蔽接收导线。
假设屏蔽接收导线2对地电阻足够大，且完全屏蔽，则屏蔽层上的干扰电压US为：
Figure BDA0003259114400000111
上式中，C1S为导线1和导线2屏蔽层之间的电容；CSG为导线2屏蔽层与地之间的电容。由于没有耦合电流通过C2S，所以完全屏蔽的导线2所获取的干扰电压为US。如果屏蔽层接地，即US＝0，则导线2上面的干扰电压为0。因此对于屏蔽双绞线，只要屏蔽层一端接地就能消除电场耦合。较好的屏蔽线应该带有2层屏蔽层，称为双层屏蔽线，其中内层屏蔽层与CAN_GND和CAN收发器的地连接，外层的屏蔽层与外壳大地相连。内层可以平衡信号地电位，抑制共模干扰，减少错误帧，但强干扰时收发器损坏率会提高，外层可以泄放电荷到大地，提高抗干扰能力。
综上所述，CAN总线采用屏蔽双绞线并且屏蔽层单点接地，可以减小电场和磁场的耦合干扰，从而提高CAN总线通信可靠性。
2)CAN总线冗余设计
CAN总线上节点冗余的等级直接影响CAN节点的可靠性，进而影响整个CAN冗余***的可靠性。下面通过可靠度建模来比较不同冗余等级下总线可靠度的差别。建模过程中保持CAN总线冗余***的冗余方式(热备份冗余)、冗余部件(简单的***冗余)、和冗余数量(双冗余)不变，从而对比不同冗余等级***的可靠性。
首先介绍一下可靠度函数。设备在指定的时间里、指定的条件下，完成指定功能的概率，称为设备的可靠度函数，用R(t)来表示。假设在一定的条件下对M个样品进行试验，在t时刻，仍能正常工作的样品的个数为N1(t)个,损坏的样品个数为N2(t)个，则可靠度函数R(t)为：
Figure BDA0003259114400000121
由式(4)可以得出：
Figure BDA0003259114400000122
设损坏率Y(t)是单位时间内损坏个数与正常工作个数的比值，即：
Figure BDA0003259114400000123
设样品损坏率为常数λ，则Y(t)＝λ,则由式(5)可得:
Figure BDA0003259114400000124
当t＝0时，R(t)＝1。对式(7)两边同时在0～t上积分可得：
R(t)＝e-λt (8)
根据前面的分析可知，CAN总线无冗余时的可靠度函数为：
R无冗余(t)＝EXP[-(Lλ1+λ2+λ3+λ4)t] (9)
式中，L表示CAN总线的长度；λ1表示单位长度CAN总线的损坏率；λ2表示CAN收发器的损坏率；λ3表示CAN控制器的损坏率；λ4表示CPU的损坏率。
CAN收发器级冗余的可靠度函数为：
R控制器(t)＝2EXP[-(Lλ1+λ2+λ3+λ4)t]-EXP[-(2Lλ1+2λ2+λ3+λ4)t] (10)
式中，L表示CAN总线的长度；λ1表示单位长度CAN总线的损坏率；λ2表示CAN收发器的损坏率；λ3表示CAN控制器的损坏率；λ4表示CPU的损坏率。
CAN控制器级冗余的可靠度函数为：
R控制器(t)＝2EXP[-(Lλ1+λ2+λ3+λ4)t]-EXP[-(2Lλ1+2λ2+2λ3+λ4)t] (11)
式中，L表示CAN总线的长度；λ1表示单位长度CAN总线的损坏率；λ2表示CAN收发器的损坏率；λ3表示CAN控制器的损坏率；λ4表示CPU的损坏率。
CPU级冗余的可靠度函数为：
RCPU(t)＝2EXP[-(Lλ1+λ2+λ3+λ4)t]-EXP[-(2Lλ1+2λ2+λ3+λ4)t] (12)
式中，L表示CAN总线的长度；λ1表示单位长度CAN总线的损坏率；λ2表示CAN收发器的损坏率；λ3表示CAN控制器的损坏率；λ4表示CPU的损坏率。比较式(9)、(10)、(11)和(12)可得：
R无冗余(t)＜R收发器(t)＜R控制器(t)＜RCPU(t)
通过数学分析可得，CPU级冗余的可靠性最高，CAN控制器级冗余的可靠性次之，CAN收发器级冗余的可靠性再次之，无冗余CAN总线的可靠性最低。
下面通过对不同冗余等级的硬件原理设计，更进一步对比他们之间的优劣。CAN收发器级冗余硬件电路原理图如图13所示。
从图13中可以看出，硬件电路的原理框图在结构图的基础上增加了逻辑选择电路，用来实现冗余切换功能。逻辑电路选用了4个与门和1个或门，若CPU端口1置1，端口2置0，在接收数据时，CAN收发器1可以通过与门1和或门把CAN总线1上的信息传给CAN控制器，而CAN收发器2不能把CAN总线2上的数据传给CAN控制器；同理，发送数据时，CAN控制器通过与门3把信息传给CAN收发器1。CPU工作时，其不断检测CAN控制器的状态，如果在一定时间内没有收到CAN控制器的数据，则认为CAN控制器1或CAN总线1处于异常状态，CPU就会将端口1置0，端口2置0，此时CAN收发器2和CAN总线2处于工作状态，CAN收发器1和CAN总线1处于备份状态。
CAN控制器级冗余电路设计思想和CAN收发器级冗余类似，其硬件原理框图如图14所示。
从图14中可以看出，CAN控制器级冗余的电路结构和CAN收发器级冗余的电路结构类似，只是把逻辑电路放在了CPU和CAN控制器之间。在CAN控制器1、CAN收发器1或CAN总线1出现故障并被检测到之后，CPU会立刻改变控制信号，使端口1置0，端口2置1，选择与门2和与门4输出，此时CAN收发器2、CAN控制器2和CAN总线2处于工作状态，CAN收发器1、CAN控制器1和CAN总线1处于备份状态。
CPU级冗余硬件电路原理框图如图15所示。
CPU级冗余不需要逻辑电路，工作模块和备份模块之间通过两个CPU的其他通信接口进行信息交互。工作模块和备份模块是两个独立的CAN节点，在CAN总线1工作的时候，CAN总线2中也会有数据传输，并且两个总线之间的数据传输应保持同步。对于CPU中集成了CAN控制器的情况，CPU级冗余和CAN控制器级冗余的电路结构是相同的。
结合之前通过建模得到的不同冗余等级CAN节点的可靠度，相比CAN收发器级冗余和CAN控制器级冗余，CPU级冗余在可靠性和实时性上都有明显的优势：
首先，CPU级冗余不需要逻辑电路，使数据直接通过CAN收发器到CAN控制器再到CPU，可以降低信号的延时，并且不容易失真，更适用于CAN总线的高速通讯。
其次，对于CAN收发器或CAN控制器级冗余来说，从发生故障到故障被检测出来再到完成切换这段时间，故障总线可能会丢失数据，而CPU级冗余就可以降低数据丢失的可能，因为CPU级冗余的两条总线同时传输数据，两个CPU之间完全可以通过其他数据接口进行信息交换，即使故障总线出现数据丢失，作为备份的总线也可以通过数据存储和对比等手法尽量减少数据的丢失。
最后，对CPU进行备份，可更大程度的提高抵抗故障的能力，之间建模分析只考虑CAN接口的三个元器件，如果将逻辑电路元器件寿命也考虑在内，CPU级冗余与CAN收发器级冗余和CAN控制器级冗余的可靠度差值会更大。
3.建立交、直流充电设备电气安全故障失效模型
交直流充电设备的故障原因存在于充电设备设计，运行，维修各阶段。所谓的故障清单是指导致充电设备不能安全可靠根据用户的充电需求完成电能补给的原因列表。通过分析可将其分别就交直流充电设备以不同的分类方式进行划分。
对于交流充电设备，故障清单如表3所示，划分依据如下：
1)充电设备器件类。充电桩由多个不同的器件组装而成，各器件之间相互配合完成充电设备安全可靠的电能输出。然而在设计前期，由于设计者的选型不合适或者单一器件的质量问题会导致充电失效。
2)充电设备运行类。在充电设备输出电能过程中，由于所处的环境变量以及使用人员的行为都在不断发生变化，因此这些都会导致充电失效。
3)充电设备通讯类。在充电设备使用过程中需要与车辆建立通信，以达到实时掌握电池信息进而可以调整充电功率。在此过程中，由于某些原因不能使充电设备与电动汽车建立可靠的通信会导致充电失效。
4)其他类型
表3充电桩故障清单
Figure BDA0003259114400000151
对于直流充电机，故障清单如表4所示，划分依据入下：
1)充电机器件类。与充电桩类似的，充电机各器件之间相互配合完成充电设备安全可靠的电能输出。然而在设计前期，由于设计者的选型不合适或者单一器件的质量问题会导致充电失效。
2)充电机输入/输出类。在充电机输入端与输出端，由于电压和电流存在偏大，偏小或缺相的问题，导致充电机在运行过程中会出现告警甚至中止运行。
3)充电机控制类。在充电机运行过程中需要控制导引电路对其每一个步骤进行监控，以确保前一步骤已顺利完成，再继续下个步骤。
4)充电机通讯类。充电机运行过程中，在设备本身各元器件之间、充电机与车辆BMS之间都存在着通讯，相互交互的信息可以确保充电机稳定的电能输出。
5)充电机液冷***类。充电机作为高功率输出设备，在充电过程中往往伴随着温度升高。为了降低温度过高带来的影响，通常需要进行冷却，为了弥补风冷式充电机散热效果差，又引进了液冷***进行散热。
6)其他类型
表4充电机故障清单
Figure BDA0003259114400000152
Figure BDA0003259114400000161
交流充电桩由多个器件组装而成，各器件之前互相配合保证了充电时电流的稳定输出。然而在实际中，各器件的质量问题或组装时的工艺问题导致交流充电桩运行失效。根据以往经验，将交流充电桩的失效表现形式、失效原因以及相应的处理措施总结表5所示。
表5充电桩典型失效模型
Figure BDA0003259114400000171
Figure BDA0003259114400000181
注：CAE(Computer Aided Engineering)指工程设计中的计算机辅助工程。
如上表所示，列出了交流充电桩失效表现形式，失效原因以及对应的处理措施。其中常见的是充电功能失效，该失效对应着七种不同的原因，包括器件结构问题、组装问题、电路焊接问题以及设计不符标准，上述原因相应的处理方式也不相同。对于使用者接触后易触电的问题需要格外注意，其引发原因包括器件滲水导致电路板短路以及漏电时无检测。因此经由组装分析后要再设置定位点或进行防水圈公差分析并且采用双漏电保护设计。
为描述影响直流充电设备充电异常原因间的逻辑关系，分析各失效基本原因及过程，在分析充电设备工作原理和结合专业人员经验的基础上，构造了故障树。
基于故障树分析法，结合充电机故障清单，构建直流充电机故障失效模型，其中告警状态故障失效模型如图16所示，图中ZA表示告警状态，ZA1表示充电机器件类告警，ZA2表示充电机输入/输出类告警，ZA3表示充电机控制类告警，ZA4表示充电机通讯类告警，ZA5表示充电机液冷***告警，ZA6表示其他类告警。各代码所表示的事件如故障清单表4所示。
本次对直流充电机，故障类型分为充电机器件类故障，充电机输入/输出故障、充电机控制类故障、充电机通讯类故障、充电机液冷***故障，其他类故障六大类，各代码所表示的事件如故障清单表4所示。用ZF表示故障状态，ZF1为充电机器件类故障，ZF2充电机输入/输出故障，ZF3充电机控制类故障，ZF4充电机通讯类故障，ZF5充电机液冷***故障，ZF6充电机其他类故障。ZF包含ZF1、ZF2、ZF3、ZF4、ZF5、ZF6六种类型，每种故障类型又可由多个小故障导致。因此构建直流充电机的故障状态失效模型如图17所示。
结构重要度分析是从故障树结构上入手分析各底事件的重要程度，描述了当其它底事件状态不变，某底事件发生而引起顶事件发生的可能性大小，因此，结构重要度越大的信息交互影响因素，其失效越容易导致信息交互失效。基于故障树结构重要度分析方法，计算充电机失效模型各底事件结构重要度。
利用概率重要度表征重要程度：
Ig(i)＝P(qi＝1,T)-P(qi＝0,T) (13)
其中，Ig(i)表示概率重要度系数，qi表示第i个底事件发生概率，P(qi＝1,T)、P(qi＝0,T)分别表示第i个底事件发生或不发生的时顶事件的发生概率。
告警状态和故障状态故障树底事件的重要度排序如表6和表7所示。
表6告警状态故障树底事件重要度排序
底事件 重要度排序
ZX12、ZX13、ZX14、ZX16、ZX17、ZX18 1
ZX23、ZX24、ZX27、ZX44 2
ZX6、ZX8、ZX9 3
ZX34、ZX35、ZX36、ZX37 4
ZX28、ZX29、ZX32 5
ZX40、ZX41 6
表7故障状态故障树底事件重要度排序
底事件 排序
ZX15、ZX19 1
ZX20、ZX21、ZX22、ZX25、ZX26、ZX45、ZX46 2
ZX1-ZX5、ZX7、ZX10、ZX11 3
Z38、ZX39 4
ZX30、ZX31、ZX33 5
ZX42、ZX43、ZX47、ZX48、ZX49 6
由表6和表7重要度分析结果可见，不同的失效原因对直流充电机的影响大小不同：(1)输入/输出类告警或故障对充电机失效影响最大；(2)充电机控制类告警或故障对充电机失效影响较大；(3)充电机器件类告警或故障对充电机失效影响次之；(4)充电机液冷***告警或故障对充电机失效影响较小；(5)充电机通讯类和其余告警或故障对充电机失效影响最小。
4.交、直流充电设备电气安全保护合格率测试方法
第三方测试机构从出厂的面向互联互通的高安全交流充电设备产品中，随机选择一台产品作为被测样品，按照第三方检测机构的要求运到指定测试场地并根据图18搭建面向互联互通的高安全交流充电设备电气安全保护合格率测试环境。
根据交流充电设备在电气安全方面的相关标准以及本项目高安全交流充电设备的研究成果，从电气安全保护的完备性、准确性、实时性等几个方面构建高安全交流充电设备电气安全保护合格率测试表，见表8(完备性和准确性)和表9(实时性)所示。测试人员根据表8并按照FA1-FA16的顺序依次开展3轮测试，每次测试交流充电设备能正确保护/报警、动作时间满足标准要求且互联互通平台能正常显示相关信息，则认为该项测试通过，测试结果对应项打“√”，否则打“X”。
表8面向互联互通的高安全交流充电设备电气安全保护合格率测试表1
Figure BDA0003259114400000201
Figure BDA0003259114400000211
表9面向互联互通的高安全交流充电设备电气安全保护合格率测试表2
Figure BDA0003259114400000212
Figure BDA0003259114400000221
基于表8，针对面向互联互通的高安全交流充电设备电气安全保护需求，调研统计南瑞、能瑞等项目参与单位以及国内相关充电设施生产厂家2010年以来投运的交流充电设备具有的电气安全保护功能和已发生的电气安全保护事件，根据每种电气安全保护事件发生的概率、重要性、维护成本(即因电气安全保护/报警失败造成相关设备维护需要的人力成本、材料成本等直接成本和间接成本)等相关因素，对每种因素进行量化处理后计算得到表8中16种测试项目对应的综合权重并记为WJ1、WJ2……WJ16，
Figure BDA0003259114400000222
根据表8的测试结果填写表10，每项测试通过则该项得分为1，否则为0，加权得分SPWJi-j(其中i表示第i轮测试，j表示第j次测试)为该科目权重WJi与得分之积。
表10高安全交流充电设备电气安全保护合格率测试数据表
Figure BDA0003259114400000223
根据表10，按照简单算术平均法得到高安全交流充电设备电气安全保护合格率Q交计算公式：
Figure BDA0003259114400000231
本发明研发的高安全交流充电桩电气安全保护合格率需达到100％，为简化分析，按照表8共开展16*3＝48次测试，所有测试项每轮次均一次性测试通过，则可认为项目研制的面向互联互通的高安全交流充电设备电气安全保护合格率达到100％。
以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种电动汽车充电设施安全保护方法，其特征在于，具体实施步骤如下：
步骤1，提出交、直流充电设备电气安全保护方法，包括：通过对交、直流充电设备的电气安全保护分析，主要有漏电保护，过载保护，短路保护，输入/输出电压异常保护，设计交、直流充电设备电气安全保护实时性改进方案以及车辆后备保护方案；
步骤2，提出交、直流充电设备高可靠通信方法，包括：通过对交、直流充电设备通讯方式及原理进行分析，设计直流充电机与BMS***高可靠通讯方案；
步骤3，建立交、直流充电设备电气安全故障失效模型，包括：通过对交、直流充电设备电气安全故障分析，总结出安全故障清单，基于此，建立交、直流充电设备电气安全故障失效模型；
步骤4，提出交、直流充电设备电气安全保护合格率测试方法，包括：针对面向互联互通的高安全交流充电设备电气安全保护需求，基于互联互通平台进行测试，从电气安全保护的完备性、准确性、实时性几个方面构建高安全交流充电设备电气安全保护合格率测试方法，并对结果进行判定。
2.根据权利要求1所述的一种电动汽车充电设施安全保护方法，其特征在于，步骤1中所述交、直流充电设备电气安全保护实时性改进方案具体包括：CPU晶振由72MHz提高到150MHz；将多个单核CPU升级为单个多核CPU；采样电路选用高速光耦；采样电路采用DMA模块。
3.根据权利要求1所述的一种电动汽车充电设施安全保护方法，其特征在于，步骤1中所述车辆后备保护方案具体包括：
1)充电机检测电压不等于动力电池充电参数报文即BCP报文当前电池电压保护
车辆充电准备就绪后，车辆控制装置闭合车辆接触器，使充电回路导通；直流充电机检测车辆电池端电压是否正常，如果电池电压在正常范围内，还要判断充电机检测到的电池电压是否等于BCP报文中的动力电池电压，如果二者相等，则充电机输出预充电压后闭合直流接触器，使直流供电回路导通；若充电机检测的电压与BCP报文中当前电池电压相差超过充电机最高输出电压的5％，则说明BMS***出现了故障，此时充电机应停止充电；
2)BMS需求电压超过动力电池最高允许充电电压保护
充电参数配置阶段BMS会给充电机发送BCP报文，BCP报文中有动力电池的最高允许电压，故充电机在充电过程中的最大充电电压应小于动力电池的最高允许电压。
4.根据权利要求1所述的一种电动汽车充电设施安全保护方法，其特征在于，步骤2所述直流充电机与BMS***高可靠通讯方案具体包括：
1)CAN总线抗干扰设计
CAN总线采用屏蔽双绞线并且屏蔽层单点接地；
2)CAN总线冗余设计
采用CPU级冗余硬件电路，工作模块和备份模块之间通过两个CPU的其他通信接口进行信息交互；工作模块和备份模块是两个独立的CAN节点，在CAN总线1工作的时候，CAN总线2中也会有数据传输，并且两个总线之间的数据传输应保持同步。
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