電動(dòng)汽車交流充電導(dǎo)引電路的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

周曉俊

（南京康尼科技實(shí)業(yè)有限公司，江蘇 南京 210000）

電動(dòng)汽車交流充電導(dǎo)引電路的設(shè)計(jì)與實(shí)踐

周曉俊

（南京康尼科技實(shí)業(yè)有限公司，江蘇 南京 210000）

近年來(lái)，隨著國(guó)家對(duì)節(jié)能減排項(xiàng)目的政策與扶持力度加大，汽車行業(yè)對(duì)純電動(dòng)汽車的研發(fā)腳步已明顯加快，如何確保安全充電已經(jīng)成為各主機(jī)廠尤為重視的課題。同時(shí)也是各個(gè)充電接口制造單位研發(fā)的重點(diǎn)。本文簡(jiǎn)要介紹了國(guó)內(nèi)外交流充電的發(fā)展和現(xiàn)狀。并結(jié)合中國(guó)電動(dòng)汽車行業(yè)的實(shí)踐現(xiàn)狀，對(duì)其中的慢充方式如何確保安全充電的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)做了簡(jiǎn)要描述。

交流充電裝置；安全；應(yīng)用

CLC NO.: U463.6 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)02-84-03

前言

按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T20234.1-2011《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置 第1部分 通用要求》的標(biāo)準(zhǔn)定義，電動(dòng)汽車充電一般分為交流充電和直流充電兩種。交流充電可分為三種充電模式，其中模式一充電方式的主要結(jié)構(gòu)是三眼插頭供電，并直接接入標(biāo)準(zhǔn)傳導(dǎo)充電連接裝置，對(duì)電動(dòng)汽車進(jìn)行供電；模式二充電方式的主要結(jié)構(gòu)是在模式一的基礎(chǔ)上，增加了安全保護(hù)裝置，包括漏電、過(guò)載、過(guò)/欠電壓、未接地檢測(cè)等安全措施；前兩種充電方式主要是針對(duì)供電側(cè)使用了符合GB 2099.1標(biāo)準(zhǔn)家用型三眼插頭供電與充電，而模式三充電方式主要是針對(duì)公共區(qū)域的交流充電樁供電與充電。本文主要針對(duì)充電模式二方式的供電與充電做電氣安全設(shè)計(jì)與實(shí)踐方面的介紹。

1、交流充電模式二充電裝置的設(shè)計(jì)理念

真正意義上的電動(dòng)汽車的發(fā)展與推廣主要集中在近幾年，而其配套的充電設(shè)施或基礎(chǔ)建設(shè)并不健全，特別是公用交流充電裝置，遠(yuǎn)不如象燃油汽車配套的加油站那樣普及和覆蓋，其中的主要原因是電動(dòng)汽車的充電時(shí)間要比燃油汽車的加油時(shí)間長(zhǎng)很多；供電充電樁與車載充電機(jī)之間的交互方式、通訊協(xié)議還沒有統(tǒng)一或標(biāo)準(zhǔn)支撐，無(wú)法完成社會(huì)公共區(qū)域充電的計(jì)費(fèi)與安全；中國(guó)家庭住宅的基礎(chǔ)建設(shè)與供電配套也很不完善，造成具備計(jì)費(fèi)功能的公用充電樁設(shè)施的普及性和完善還有很長(zhǎng)一段路要走。

在這種基礎(chǔ)設(shè)施不完善的背景下，各主機(jī)廠依然熱情高漲的開發(fā)新能源汽車產(chǎn)業(yè)，充分說(shuō)明國(guó)家和人們已經(jīng)意識(shí)到燃油動(dòng)力汽車對(duì)自然環(huán)境所造成的巨大影響和后果，那就必須大力推廣新能源汽車，這也給如何制造適合家用的、安全可靠充電設(shè)施帶來(lái)了巨大的契機(jī)。交流充電模式二充電裝置是一款適合家用的，且具有高度安全保護(hù)功能的、但無(wú)需計(jì)費(fèi)的交流充電設(shè)施，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中充分考慮到電動(dòng)汽車車載充電機(jī)在充電過(guò)程中的電流、電壓、功率等電氣特性，設(shè)置了包括漏電保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、短路保護(hù)、接地檢測(cè)等主要功能。交流充電模式二充電裝置是電動(dòng)汽車外部的關(guān)鍵零組件，為電動(dòng)汽車運(yùn)行的可靠運(yùn)行和安全提供了保證。

作為家用型的電動(dòng)汽車充電裝置，其應(yīng)用人群多為普通民眾，而非專業(yè)人士操作，其安全性、可靠性是產(chǎn)品設(shè)計(jì)首要重視與考慮的因素。作為家用型的電動(dòng)汽車模式二充電裝置，必須設(shè)計(jì)漏電保護(hù)裝置，防止因裝置本身使用不當(dāng)、或?qū)w破損等非正常因素造成使用過(guò)程中存在的漏電現(xiàn)象對(duì)人體的傷害；電動(dòng)汽車的充電過(guò)程往往在上班期間或夜間進(jìn)行，一般不會(huì)有人值守，在充電過(guò)程可能存在電網(wǎng)波動(dòng)、包括電壓或電流的波動(dòng)，因此也必須具備過(guò)載保護(hù)，防止長(zhǎng)時(shí)間、過(guò)電流工作，國(guó)內(nèi)使用的家用型交流插座能夠承載的電流是有限的（一般為10A/16A兩種）；不管是燃油汽車還是電動(dòng)汽車，并沒有真正的接地措施，其充電過(guò)程中的安全接地也是必不可少的設(shè)計(jì)要素。電動(dòng)車若想與其它車輛并駕齊驅(qū)，安全充/放電是所有設(shè)計(jì)中必須考慮的首要任務(wù)。

2、交流充電模式二裝置的導(dǎo)引電路設(shè)計(jì)與實(shí)踐

根據(jù)GB/T20234《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置 第2部分 交流充電接口》中關(guān)于交流充電模式二的設(shè)計(jì)要求，并結(jié)合目前國(guó)內(nèi)主機(jī)廠的電氣安全、電磁兼容等性能要求，我司研制的交流充電模式二裝置的控制電路包括：主控制回路及電源、漏電保護(hù)回路、過(guò)電流檢測(cè)回路、接地檢測(cè)、火零錯(cuò)相檢測(cè)等部分組成。CPU選用美國(guó)MICROCHIP公司的PIC系列芯片。另外控制電源采用技術(shù)成熟的開關(guān)電源，并在電源的初級(jí)使用差模電感和共模濾波器來(lái)抑制和減緩電源電路中干擾和沖擊。交流充電模式二的電氣系統(tǒng)框圖如圖1：

以下就各組成部分做簡(jiǎn)要的設(shè)計(jì)分析。

2.1 主控制回路及電源

主回路主要由兩只繼電器及其驅(qū)動(dòng)電路組成，電氣原理圖如圖2，MCU輸出控制信號(hào)YK_OUT，連接到 Q1和U14的驅(qū)動(dòng)電路的輸入端，分別驅(qū)動(dòng)火線控制繼電器K1和零線控制繼電器K2。此兩只繼電器的線圈電壓分別為±12V，其優(yōu)點(diǎn)是可以使供電電源平衡輸出。

2.2 漏電保護(hù)、過(guò)電流保護(hù)回路

分別通過(guò)兩只電流互感器檢測(cè)漏電流和過(guò)電流。漏電檢測(cè)回路含有自檢功能，在產(chǎn)品上電初期，先通過(guò)電阻模擬產(chǎn)生漏電電流，模擬漏電流信號(hào)傳遞到MCU，檢驗(yàn)漏電流檢測(cè)回路的硬件是否正常。正常工作時(shí)，若裝置存在漏電流，則漏電流傳感器將漏電流按比例輸出，并通過(guò)R1電阻，轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，再通過(guò)運(yùn)放U1B將電壓信號(hào)放大傳送至MCU，由MCU對(duì)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量,并與漏電流動(dòng)作整定閥值（設(shè)定為25±5mA）進(jìn)行比較，如果超過(guò)動(dòng)作整定值則單片機(jī)輸出控制信號(hào)使主回路K1、K2切斷供電，并在顯示電路顯示故障類型。電流檢測(cè)電氣原理圖如圖3。過(guò)電流檢測(cè)回路原理同上，這里不在贅述。

在實(shí)際搭載試驗(yàn)中，我們也檢測(cè)到了來(lái)自車端的車載充電機(jī)的高頻信號(hào)，這與車載充電機(jī)使用了的變頻技術(shù)不無(wú)關(guān)系，采用變頻技術(shù)容易產(chǎn)生零相序干擾，這種干擾往往會(huì)造成充電裝置的不穩(wěn)定或誤動(dòng)作，因此在各種模擬量檢測(cè)回路及運(yùn)放電路中，均加入了低通濾波電路，本次設(shè)計(jì)結(jié)合實(shí)際狀況，電流檢測(cè)回路采用了RC濾波電路，如圖3中的Rw、Cw和運(yùn)放U1B構(gòu)成了一階低通濾波電路，在計(jì)算參數(shù)時(shí)，先設(shè)定低通截止頻率fw，并根據(jù)頻率與阻容的關(guān)系公式如下：

計(jì)算出相關(guān)阻容參數(shù)數(shù)值。

2.3 電壓檢測(cè)回路

目前，我國(guó)各地區(qū)電網(wǎng)的穩(wěn)定性不盡一致，有些地區(qū)，特別是偏遠(yuǎn)地區(qū)的電網(wǎng)并非優(yōu)質(zhì)電網(wǎng)。過(guò)高或過(guò)低的電壓對(duì)于車載充電機(jī)的輸入可能造成較大的影響，因此在電氣設(shè)計(jì)中增加了過(guò)/欠壓保護(hù)功能，其電氣原理圖如圖4：

上述電壓檢測(cè)、電流檢測(cè)中均采用互感器采樣，對(duì)于其采樣精度控制，也是設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮的。本次設(shè)計(jì)結(jié)合主機(jī)廠的要求及器件選用的經(jīng)濟(jì)性，選用的PIC系列芯片的AD分辨率為10位，而其基準(zhǔn)電壓為5V，則每單位的精度為5/210=5mV，可以滿足可主機(jī)廠的精度要求。

2.4 接地檢測(cè)與火零錯(cuò)相檢測(cè)

電氣原理圖如圖5。接地檢測(cè)和火/零檢測(cè)功能是采用電阻分壓的方式，接地檢測(cè)是檢測(cè)火零對(duì)地之間的取樣電壓，并經(jīng)過(guò)D1整流，DZ1穩(wěn)壓后送入CPU比較，若未接地，則YX0電壓為懸浮電壓，直接可以判定，從而控制主繼電器K1、K2及故障指示的輸出；若輸入電源存在火零錯(cuò)相，YX1輸出電壓為零，從而判斷出火零錯(cuò)相，并根據(jù)需要控制主回路輸出。

2.5 PWM輸出功能

PWM輸出功能是GB/T20234.2中明確要求的功能，其作用是通過(guò)脈沖輸出的方式與車載充電機(jī)建立握手通訊。即在其它條件滿足的情況下，車載充電機(jī)一旦接受到來(lái)自充電裝置的直流脈沖信號(hào)，即發(fā)出允許充電指令，并通過(guò)改變脈沖信號(hào)的有效電平，反饋到充電裝置中，一旦充電裝置接受到反饋回的有效脈沖電平，立即控制主繼電器K1、K2接通，將電網(wǎng)電壓輸送到車載控制器的輸入端。本次設(shè)計(jì)中，考慮到此脈沖頻率較低，（1kHz），所設(shè)計(jì)的脈沖發(fā)生器由兩只光電耦合器交替輸出完成：即由MCU發(fā)出的PWM信號(hào)，控制外圍電路中U7、U8光耦器件的翻轉(zhuǎn)，從而輸出脈沖信號(hào)。并將回采的脈沖信號(hào)返回到MCU中與基準(zhǔn)脈沖信號(hào)進(jìn)行比較與整定。PWM輸出電路的電氣原理圖如圖6：

3、展望

電動(dòng)汽車交流充電模式二充電裝置是新興行業(yè)的新事物。經(jīng)過(guò)理論設(shè)計(jì)與實(shí)踐搭載之間的不斷磨合與校驗(yàn)，我司研制與開發(fā)的交流充電模式二裝置已經(jīng)在國(guó)內(nèi)幾大主機(jī)廠的不同的純電動(dòng)或混合動(dòng)力車型搭載成功，部分車廠已經(jīng)進(jìn)入量產(chǎn)交貨階段，還有部分車廠也進(jìn)入了路試階段。針對(duì)下一代產(chǎn)品的研發(fā)，我司已經(jīng)導(dǎo)入新的構(gòu)思雛形，將側(cè)重終端用戶的識(shí)別與體驗(yàn)。從外觀造型、人機(jī)交互、溫度監(jiān)控、遠(yuǎn)程調(diào)試等方面，對(duì)該交流充電裝置進(jìn)行根本性的升級(jí)換代。并將秉承深入研究、持續(xù)改善的設(shè)計(jì)理念，與各大主機(jī)廠密切配合，齊心協(xié)力推動(dòng)電動(dòng)汽車零部件行業(yè)的的不斷前進(jìn)。

[1] 《PIC系列單片機(jī)開發(fā)實(shí)例精解》 孫安青 中國(guó)電力出版社2011.03.

[2] 《嵌入式硬件系統(tǒng)接口電路設(shè)計(jì)》魏偉等，化學(xué)工業(yè)出版社.

[3] GB/T20234.1-2011《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置 第2部分 交流接口》.

Electric vehicle AC charging guide the design and practice of circuit

Zhou Xiaojun
（Nanjing Kangni Technology Industry Co., Ltd., Jiangsu Nanjing 21000）

In recent years, with the national policy of energy saving and emission reduction projects and support efforts to increase, the automobile industry of the pure electric vehicle research and development pace has accelerated noticeably,how to ensure the safety of charging has become the host plant is particularlyimportant topic. Is also the focus of each charging interface manufacturing R & D unit. This paper briefly introduces the development and present situation ofdomestic and foreign exchange charge. Combined with the practice situationChinese electric car industry, on the slow filling one of the ways to how to ensure the safety of charging is briefly described.

AC charging device; Safety; Application

U463.6

A

1671-7988(2015)02-84-03

周曉俊，電氣設(shè)計(jì)工程師，就職于南京康尼科技實(shí)業(yè)有限公司。