充电 vs 加油动态竞争
为了比较汽油车的加油与电动车的充电，我们先详细了解一下这两个方案中的能量流动情况：对于一个普通汽油泵，其输送速率预计为 35 升/分钟。由于汽油具有能量密度高的特点，这相当于大约 20 MW 的电力输出。即便是一个效率相对较低的汽油发动机，燃油效率降至 30% 以下，仍然可以产生 6000 kW 的充电功率。因此不难发现，即使是快速充电站（假设充电功率为 150 kW），其为电动车充电所需的时间也是加油供能的40倍。这意味着，如果说汽油的加注数值为每100公里约13秒，那么对于相同的距离，快速充电站需要大约8分钟。
事实数据：
加油 ：每100 km约13秒
充电 ：每100 km约8分钟
便利的交流和直流充电
无论是个人还是公共部门，都可以方便地接入交流（AC）电网，因此在常规情况下，电动汽车会配备交流充电端口。但是，车辆蓄电池需要调谐至特定充电状态的直流电 (DC)，因此我们需要变流器。为确保变流器对车辆蓄电池发挥最大作用，我们将它直接安装在车辆中。这就是车载充电器 (OBC) 的由来。在德国，家用电源插座一般都有 16 安培的保险丝。加上 230V 的电源电压，最大输出功率不到 4 kW。一些房屋装有三相插头，但这些插头通常也配备了 16 安培的保险丝。在这种情况下，输出功率为 11 kW。如今的大多数车载充电器都限制在该数值范围之内，因为较大的车载充电器会占用太多安装空间，产生多余热量，并且会增加车身重量。大多数家用壁式插座专用于11 kW的功率。特定的充电站（如高速公路充电站）会直接使用直流电。在这种情况下，交流电在车辆外部转换为直流电，因此可以提供高得多的充电功率，最高可达 350 kW。
不断提高的充电电压
根据物理学知识，我们知道电功率是电压和电流的乘积 (P = V * I)。目前，大多数电动汽车的电压在 400 V 左右。典型的Combined Charging System (CCS) 连接器的最大电流为 200 A，这意味着它最多可以提供 80kW 的功率。电缆和连接器必须用水冷却，以提供 150 kW 的功率，否则会因高电流而过热。如果需要将电压提高一倍至800V，那么使用标准连接器和电缆也可以提供高功率。为了赶超化石燃料的供能速度，我们需要使充电功率达到兆瓦级范围。适用的连接器系统正在测试当中。这一功率范围可能首先应用于交通运输行业。
The various communication standards (CHAdeMO, GB/T, CCS) feature completely different connector systems, transmission methods,
and transmission protocols.
通信确保安全
在充电站，车辆的高功率组件与充电基础设施交互。这需要在理想条件下执行，从而确保安全充电。由于存在不同的国际标准和特定的供应商的系统，车辆和充电站必须进行握手交互，并且自我监测最佳的充电条件。这需要通过充电插头中的特殊导线和插头连接器进行双向通信。这对于直流充电是必需的，对于交流充电来说，也变得越来越重要。对于交流充电，这一点尤其适用于智能家居系统以及家电设备。此外，随着电动汽车在市场中的比重不断增加，我们有必要与网络提供商进行协调沟通，以确保电网稳定性。
国际充电标准
目前全球不同地区有三种不同的通信标准（CHAdeMO、GB/T、CCS）：美国和欧洲的 CCS、中国国标 GB/T，以及日本标准 CHAdeMO。针对这些不同市场进行车辆研发的制造商必须考虑相关标准进行相应的测试。
通信方式
亚洲主要使用CAN 通信。这是一种在汽车行业久经考验的通信方式。几十年来，CAN 总线一直是汽车的成熟组件。在中国，常见的 SAE J1939 协议也被用于商用车领域，因此，我们能通过 CAN 传输大数据包。美国和欧洲正在推进Combined Charging System (CCS)，并选择了两级通信架构，
- 其基本通信方式基于占空比和电压水平的脉宽调制 (PWM)，频率为 1kHz
- 高级通信方式是在 PWM 信号上调制的电力线通信 (PLC)。它基于 HomePlug Green 物理层 (PHY) 规范。该规范是供电行业和汽车制造商之间达成的共识。通过数据链路，我们能在车辆和充电站之间进行 TCP/IP 通信。
The Smart Charging Station Emulator simulates freely configurable charging stations in full and supports charging processes with up to 1,000 V.
CCS 充电的挑战
由于通信导线与电源封装在同一根电缆中，而且直流并不总是完全恒定，因此通信的抗干扰性至关重要。我们必须对 PLC 信号质量严格把控。PLC 在硬件和软件层面给汽车制造商和充电站开发商带来了新的挑战。当然，也有一些标准非常明确地规定了必须遵守的参数。遗憾的是，在实施过程中车辆和充电站之间很可能不兼容。此类错误可分为电气错误和协议错误，涉及以下几个方面：
- 电气：电压电平、频率、转换速率、衰减、终端电阻和电磁兼容性
- 协议：对报文的响应时间、报文收发中的编码数据、参数化、使用可选参数、协议版本等。
仅在兼容情况下充电
充电时，电动汽车和充电基础设施相互协调，两者都会考虑对方的限制条件。这一过程称为“智能充电”。如果存在不兼容，通常会导致车辆无法充电。这无疑是非常令人头疼的，应该不惜一切代价避免。
The charging process can be monitored closely with the Smart Charging Solution, together with the voltage, current, and state of charge.
dSPACE 的 Smart Charging Solution 系列
世界各地的供应商和汽车制造商都在采用 dSPACE 系统来开发和测试控制应用程序。这些系统通常是电动汽车领域开发和测试的基础。Smart Charging Solution 插件能够充分体现充电过程的关键之处。它具有以下功能：
- 轻松集成到现有的测试环境中
- 针对通信和功率级别的所有相关标准提供全面的测试选项
- 轻松对系统进行自动化和参数化
- 高度透明的工作流程和测试库选项（白盒测试）
Smart Charging Solution 的应用领域
Smart Charging Solution 拥有极大的灵活性，可用于各种应用，包括充电站的仿真以及车载充电设备的仿真、测试和开发。因此，它可以帮助电动汽车制造商和充电站制造商开发和测试智能充电技术。它还能对传输的所有时间元素、消息内容和衰减属性进行完整配置。如果上电进行通信测试，则还可以对电压、电流信号进行操作。
Smart Charging Station Emulator
该解决方案具有特殊配置，其配备了一个可仿真充电站电气和通信行为的系统。因此，我们能在实验室中仿真自由配置的充电站。它符合所有国际标准，设计灵活，可承受高达1,000 V的电压。此外，Smart Charging Station Emulator还可以根据需要配备多个直流电源，可以在400 V和800 V的电平下提供85 kW的充电功率。在客户项目中，其可以对配置进行扩展，以连接更多电源并实现更高的功率水平。为测试交流充电过程，dSPACE 实时系统提供了多种接口来控制电网仿真器，从而可以仿真不同目标市场的电网规格或者进行诸如相位失真等模拟。
标准化测试库
标准化委员会已探讨了如何确保充电站和车辆之间的互操作性。为此，创建了包含数百个测试的测试库。它们的确提供了良好的基础，但一般来说还不足以评估所有可能发生的情况。然而，dSPACE 解决方案可集成到任何测试中，因此从市场中脱颖而出。所有测试均作为透明的测试脚本实现，以便对结果进行更深入的解读。首次一致性测试计划于 2021 年夏季进行。测试库将由工程服务提供商 KPIT 实现。KPIT 在执行测试方面具有丰富经验，受到了广大客户的欢迎。
自动支付
自动支付方式开启了充电领域的新篇章。与信用卡支付类似，自动支付也使用加密和证书，并且必须进行验证以确保正确交易。为此，dSPACE 正在与后端提供商合作，以实现无缝验证链，并在市场上快速推出解决方案，为组件和集成测试以及车辆验证提供支持。
通过软件仿真进行前期验证
当然，充电技术也可以通过软件在环 (SIL) 测试进行早期验证。dSPACE 工具多年来一直对根据 AUTOSAR 标准开发的虚拟 ECU 进行测试。此测试目前也正在智能充电中试用，以便在开发过程的早期阶段就能够验证与其它软件组件的通信和交互。因此，即使没有电动汽车通信控制器 (EVCC) 硬件，也可以执行互操作性测试。这具有重要意义，因为越早检测到错误，就越容易解决它。
《dSPACE杂志》，2021年5月出版
