利用电力硬件在环技术对电动汽车充电站进行测试

核心要点

• 直流快充设备只有在满足了车辆和电网的全部工况条件下，才能被证明是可靠的，而基于功率的仿真正是实现这一目标的切实可行方法。
• 台架测试应首先排除设计缺陷，因此现场试验仅用于检测只有在实际安装现场才能发现的问题。
• 通过维护一个包含车辆和电网案例的库，可以将每次固件发布和现场故障转化为可重复的回归测试。

通过采用电力硬件在环测试方法对电动汽车充电站进行测试，可在第一台设备运往现场之前，验证直流快充设备能否适应其将遇到的各种车辆和电网状况。

大功率充电的发展速度之快，已超出任何实验室在物理层面上所能跟上的程度。2024年，全球额定功率为150千瓦及以上的超快充设备总量增长了50%以上，而每台设备都必须与设计师从未见过的电池组配合使用。你所能测试的，仅限于能借到的车辆，且只能使用你所在大楼恰好提供的电源。

功率级测试台从源头上解决了覆盖率问题。一个仿真车辆和一个仿真电网分别位于真实充电器的两侧，两者均进行实际功率交换，且均由您可在数秒内调整的模型控制。最强大的充电器程序将仿真视为主要的测试手段。随后，通过实车和现场试验来验证测试台已得出的结果。

“硬件在环”对快速充电器意味着什么

功率硬件在环（PHIL）技术通过功率放大器将真实的充电器连接到模拟环境中。实时仿真器对电网和车载电池的模型进行求解，放大器在充电器端子上重现这些电压和电流，而测量数据则反馈到模型中。整个过程中，充电器始终传输着实际功率。

设想一个放置在实验台上的150 kW充电柜。其交流输入端连接到一个充当市电电源的放大器，直流输出端则连接到另一个充当电池组的放大器。当充电器逐渐增加电流时，模拟电池组的电压会像真实电池组一样上升，而模拟电网电压则会根据建模的线路阻抗发生下陷。

这一点很重要，因为仅针对控制器的测试仅止于信号层面。信号级硬件在环测试虽然能验证固件逻辑，却无法展示功率级、滤波器、接触器和保护电路在负载下的响应情况。您测试的正是驾驶员将来会接入的产品。

为何实体车辆会导致充电桩测试覆盖率存在缺口

实车测试仅涵盖您在特定当天能够安排的车辆、电量状态和温度条件。每款车型都有其特有的电池组电压、电流限制和通信时序，而没有任何一家实验室能同时具备所有这些条件。

“覆盖范围最终是由后勤因素而非工程风险决定的。”

试想一下，借一辆车进行一次测试能给你带来什么。电池组以40%的电量状态抵达，当时气温适中，测试顺利完成。你由此得知了一种可行的组合方案。但你并未遇到过这样的情况：在寒冷的早晨，当电池组电量仅剩5%时，其对电流的限制会非常严格；或者当电量接近满格时，它需要在高电压下进行长时间的电压递减。

故障情况则更为严重。没有人会允许你在他们的原型车内焊接接触器或破坏隔离屏障，因此这类故障只能等到驾驶员发现时才能处理。驾驶员确实会发现这些故障——根据2025年美国的一项研究，14%的电动汽车车主表示曾前往公共充电站但未能成功充电。

仿真车辆如何测试充电器的直流输出

仿真车辆是一个实时运行的电池模型，配有一个吸收充电器输出的直流放大器，以及一个支持充电协议的通信接口。它可以向充电器提供您定义的任何电池组电压、电量状态和电流限制。

电压等级就是一个显而易见的例子。以一个通用的示例来说，向800 V电池组充电150 kW时，电流约为188 A；而向400 V电池组充电相同功率时，电流则约为375 A。在上述两个工作点下，充电器的功率模块、电缆额定值和控制回路的表现截然不同。借助仿真电池组，您可以在几分钟内在这两个工作点之间进行扫频测试。

通信同样值得重视。一次充电过程是一个经过协商的流程，涵盖握手、线缆检测、预充电、电流输送和关机等步骤，而每辆车对这些步骤的处理时间各不相同。模拟车辆可能会将响应时间拖延到允许超时限度的边缘，发送电流请求时突然跳变，或者在充电过程中中断连接。您将看到充电器的状态机是如何应对这些情况的。

故障注入正是仿真技术展现其价值的领域。模型可在带载状态下打开模拟接触器、报告隔离故障或保持静默，而唯一可能受到影响的只是测试脚本。

“在故障注入方面，仿真技术真正体现出了其价值。”

仿真电网揭示了充电器的交流前端哪些信息

仿真电网是一种在充电器输入端驱动交流放大器的网络模型。它能够再现任意连接点的电压、频率、阻抗和失真，从而展示充电器的整流级及其控制系统在比实验室供电更弱或噪声更大的电源条件下的工作表现。

以一条长乡村馈线末端的高速公路站点为例。当多台充电桩同时升压时，连接点的电压会下陷，而每台充电桩的前端必须在保持直流母线电压稳定的同时，确保其谐波和功率因数均在限定范围内。在实验台上，您可以在模型中设定馈线阻抗，启动升压过程，并观察各部件之间的相互作用。

干扰现象也遵循同样的逻辑。电压在几百毫秒内骤降至额定值的80%、频率偏离或相位不平衡，这些情况都可以被编写成脚本，并在每个固件版本上进行模拟重现。电力公司不会应要求提供这些市场活动 ，这就是为什么许多充电器直到投入使用后才首次遇到这些情况。

在现场调试前，哪些测试用例应纳入测试计划？

应由测试台处理的测试案例，是指现场无法安全或可重复地进行的测试。这包括电池组电压和荷电状态的极端情况、通信边缘时序、电网扰动以及各种保护性关机情况。一套实用的初始测试集应包含5个组。

• 在低、中、高电量状态下，覆盖整个输出电压范围的满电充电过程。
• 将每次握手、线缆检测和预充电步骤都推至极限的协议时序测试。
• 当前的请求阶数和衰减率，这些因素会对输出控制环路造成负担。
• 电网在额定功率下出现电压下陷、电压升高、频率偏移以及馈线状态不佳的情况。
• 针对接触器、隔离、过温和通信中断故障的保护措施。

尽早以较低功率运行保护测试用例，以便在将输出提升至额定值之前，先验证测试台本身的安全性。将所有通过的测试用例自动化，因为针对每次固件发布在夜间运行的回归测试套件，是该测试台带来的长期回报。

在充电器验证方面，台架测试结果与现场试验结果的对比

台架测试与现场试验的主要区别在于可控性。使用 PHIL 台架，您可以选择车辆和电网状态，精确重复测试过程并测量所有参数；而现场试验则能如实呈现实际安装现场的情况，包括电缆布线、天气条件以及驾驶员行为等，这些因素是任何模型都无法完全捕捉的。

这一对比揭示了一套流程：台架试验可消除设计缺陷，从而使现场试验能够专注于只有在实际现场才能揭示的问题。这正是我们在OPAL-RT支持的各项PHIL项目中遵循的模式。OP1430 PHIL Prime台架在功率方面同时模拟了车辆和电网，因此充电站的控制系统能够应对传统台架无法再现的工况。

一套严谨的充电器测试方案如何在长期内带来回报

一套规范的充电桩测试方案在每次产品变更时都能发挥作用。产品发布后的数年间，固件更新、新车型和新站点类型层出不穷，而配备了经过维护的车辆和电网案例库的测试平台，能将这些变更快速转化为一夜之间完成的回归测试。

做得好的团队会将每次现场故障视为一个缺失的测试用例，在实验室中重新构建该用例，并将其永久保留在测试套件中。经过几个发布周期后，该库便成为充电器曾遇到过的所有问题的记录，正是它能防止旧问题悄然卷土重来。

驾驶员们根本看不到这些工作。他们看到的只是一个充电桩——它能一次点火成功，却从未与实际车辆进行过物理测试，且连接的馈线是工厂里无人踏足过的。这一结果源于工程师们坚持不让车辆的可用性决定测试内容。这与我们在OPAL-RT打造的PHIL测试台背后的理念如出一辙：车辆和电网直接接入您的终端，从而让各种棘手的情况首先在您的实验室中出现。