交流充電樁PWM波形參數(shù)典型問題統(tǒng)計與分析*

孫遠，但富中，桑林，張萱

（國網(wǎng)電力科學研究院實驗驗證中心，南京210061）

0 引 言

2016年1月1號國家標準化管理委員會正式實施GB／T 18487.1《電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第一部分：通用要求》，該標準規(guī)定了交直流充電設(shè)施應(yīng)滿足的最新基本要求，其中附錄A部分對交流充電設(shè)施的充電控制作了明確規(guī)定。PWM信號作為充電控制的重要內(nèi)容之一，其特征參數(shù)包括占空比、幅值、上升下降時間及頻率，特征參數(shù)的精確程度將影響整個充電過程，因此必須對交流充電設(shè)施產(chǎn)生的PWM波形參數(shù)進行研究，以確保交流充電設(shè)施具有良好的兼容性并能與電動汽車進行安全可靠的充電。

在測試過程中，不同品牌交流充電樁的PWM波形參數(shù)問題普遍存在，統(tǒng)計了市場上二十個主流生產(chǎn)商的交流充電樁樣品，包括國電南瑞、南京能瑞、中恒電氣等。其中規(guī)格分布為：單相220 V／32 A計12臺，三相380 V／63 A計8臺。在型式試驗及互操作測試活動中，對在首次測試時發(fā)生的PWM信號問題按照表1進行了分類統(tǒng)計，得到交流充電樁PWM波形參數(shù)典型問題的分布比例。

表1 交流充電樁PWM信號典型問題分布表Tab.1 Distribution table of PWM signal problems

從表1中可以看出，占空比超限占據(jù)了41%的比例，是PWM信號發(fā)生問題的主要原因，設(shè)計人員對標準理解的欠缺是導(dǎo)致該問題發(fā)生的主要因素；其次為PWM信號的幅值超限問題，約占32%的比例，主要表現(xiàn)為－12V電壓幅值超限；再者是PWM信號的上升下降時間超限，約為18%的占比；最后是PWM波形失真問題，占9%的比例，內(nèi)部器件、電容參數(shù)設(shè)計不合理是造成PWM波形失真及上升下降時間超限的主要原因。

1 PWM占空比超限

依據(jù)測試統(tǒng)計，目前交流充電樁主控板一般采用意法、微芯、恩智浦及美信等廠商的MCU芯片，該類芯片具備PWM輸出模塊，利用定時器對寄存值進行合理的設(shè)定，即能輸出對應(yīng)頻率、占空比的PWM信號。GB／T 18487.1中對充電設(shè)施產(chǎn)生的PWM占空比與充電電流限值映射關(guān)系做了明確規(guī)定［1］，結(jié)合測試中遇到的市場上主流交流充電樁的規(guī)格，整理出常見充電電流與PWM占空比、頻率的對應(yīng)關(guān)系，并將設(shè)計與實測的偏差列于表2、表3中。

以某充電樁廠商采用的PIC16F887芯片為例，PWM占空比是通過對MCU芯片內(nèi)寄存器值的設(shè)置實現(xiàn)的。文獻［2］中對寄存器的設(shè)置原理及方法進行了詳細的闡述。PIC16F887芯片提供了三個Time時鐘，其中Timer0模塊是一個8位定時器／計數(shù)器，Timer1模塊是一個帶預(yù)分頻的16位定時器／計數(shù)器，Timer2模塊是一個可編程預(yù)分頻的8位定時器／計數(shù)器［3］。實現(xiàn)時采用 Time2及PWM模塊，Time2的工作框圖如圖1所示。

表2 PWM占空比偏差表Tab.2 Deviation table of PWM duty cycle

表3 PWM頻率偏差表Tab.3 Deviation table of PWM frequence

圖1 Time2工作框圖Fig.1 Block diagram of Time2

PWM頻率的設(shè)定是通過Timer2的PR2寄存器來實現(xiàn)的，其計算公式為：

芯片輸出PMW占空比依照式（2）進行計算，輸出端設(shè)計有高速光耦進行信號隔離及對PWM高低電平進行翻轉(zhuǎn)，因此充電樁實際輸出占空比為：

式中Fosc為內(nèi)部系統(tǒng)時鐘；PR2為Time2的PR2寄存器；CCPR1L為 CCPR1L寄存器；CCP1CON為CCP1CON寄存器。

該充電樁最大輸出電流為32 A，程序中分別對以上參數(shù)進行初始化設(shè)置：PR2＝0x7C；CCP1CON＝0x0C；CCPR1L＝58；利用式（1）～式（3）計算 PWM信號的頻率及占空比，并將計算結(jié)果填于表2、表3中?？梢钥闯觯嬎阒?、實測值與標準值存在偏差，但仍能滿足國標的偏差要求。實驗時由于未發(fā)現(xiàn)頻率偏差超限，因而表1中僅對占空比超限進行了統(tǒng)計。當實測占空比對比國標要求出現(xiàn)偏差超限時，調(diào)整CCPR1L寄存器的設(shè)置值，對不同廠商的芯片，該寄存器的名稱各異但功能相同，從而改變占空比偏差使其滿足國標要求。

2 PWM幅值超限

2.1 對PWM的－12V檢測

GB／T 18487.1中對PWM的幅值偏差作了明確要求，在測試過程中，PWM幅值超限主要集中在－12V超限。依照IEC標準［4］，在充電過程中，應(yīng)由充電樁至少發(fā)起一次對－12V的檢測，主要目的是驗證車端二極管是否存在。部分充電樁制造企業(yè)在設(shè)計時往往忽略－12V檢測的重要性，而不對其進行檢測。－12V一般由充電樁內(nèi)電源模塊產(chǎn)生，本文以某廠商采用的金升陽型號為A0512S-2WR2的電源為例，其應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2 采用5V轉(zhuǎn)±12V微功率電源的應(yīng)用電路圖Fig.2 Application circuit diagram of 5V turn to±12V usingmicro power supply

2.2 負值超限的解決方案

充電樁內(nèi)常用驅(qū)動電源的規(guī)格為5 V，12 V與24 V，12 V常見的設(shè)計方法主要有兩種，一種是通過220 V轉(zhuǎn)±12 V的單路或多路電源模塊產(chǎn)生，該類電源模塊的功率一般在幾十瓦至幾百瓦之間，體積較大，輸出具備可調(diào)節(jié)功能；一種是利用已有的5 V或24 V驅(qū)動電源，經(jīng)5 V或24 V轉(zhuǎn)±12 V的微功率電源模塊產(chǎn)生，該類微功率電源模塊一般用于對安裝空間要求比較嚴格的場合，例如在壁掛式交流充電樁中往往應(yīng)用較多，但該方式的12 V輸出不具備可調(diào)節(jié)功能；針對這兩種設(shè)計方式，常見的解決方法主要有以下幾種：

（1）對采用輸出為±12 V單路或多路電源模塊的充電樁，該類電源輸出具備一定范圍的線性調(diào)整功能，如某充電樁采用的明緯RD-35A開關(guān)電源，依照其產(chǎn)品手冊［5］，在12 V輸出時，具有±1.5%的線性調(diào)整率，輸出電壓在11.82 V～12.18 V之間連續(xù)可調(diào)，通過調(diào)節(jié)輸出即能滿足要求。

（2）對于采用經(jīng)5 V或24 V轉(zhuǎn)±12 V微功率電源的充電樁，如上文所提到采用某公司型號為A0512S-2WR2的DC／DC電源。一種解決方式是在輸出－12 V與GND引腳之間增加合適的電阻R0，如圖2所示，依照偏差情況拉低或抬高－12 V的幅值，使其符合偏差要求，表4列出了某充電樁在增加不同R0情況下－12 V的變化情況；另一種方式是改變輸入端Vin的幅值，在Vin與GND引腳之間串接合適的電阻R1，如圖2所示，降低電源的輸入電壓，依照該電源的輸出特性［6］，輸出電壓對應(yīng)改變。經(jīng)實際測試，該充電樁在Vin與GND之間串接4.2Ω的電阻后，－12 V電壓偏差得到明顯改善，表5列出了增加R1前后的－12 V電壓變化情況。

表4 R0阻值與－12 V變化對應(yīng)表Tab.4 Change table of－12 V with different R0

表5 R1阻值與－12 V變化對應(yīng)表Tab.5 Change table of－12 V with R1

3 PWM上升下降時間超限

PWM上升下降時間超標會導(dǎo)致PWM波形失真，GB／T 18487.1中對PWM上升下降時間提出了2μs的要求。針對采用連接方式B的交流充電樁，直接從PCB板件輸出端測量PWM上升下降時間，對采用連接方式C的充電樁，一般采用從槍頭測量的方式。

在測試過程中發(fā)現(xiàn)，對采用連接方式C的充電樁，受充電連接器電纜的影響（在圖4用C5表示電纜的電容效應(yīng)）。從充電槍接口處測量得到的PWM波形的上升下降時間并不能滿足2μs的要求。為此，對連接方式C的交流充電樁，采用與連接方式B相同的測試方式復(fù)測PWM波的上升下降時間，依據(jù)表1的統(tǒng)計，兩種常見的連接方式中仍有約18%的制造商不能滿足要求。

目前CP信號常見的發(fā)生電路主要分為兩類：方式一是MCU輸出后級接由比較器與運放組成電路的設(shè)計方式，如圖3所示，該設(shè)計模式下，對地電容C217對PWM波形的上升下降時間影響顯著，合理調(diào)整電容參數(shù)一般能夠滿足設(shè)計要求；方式二是MCU輸出后級接由三極管組成推挽電路的設(shè)計形式。圖4為方式二 PWM信號發(fā)生的局部原理圖［7－10］，MCU芯片輸出3.3 V PWM波，后級經(jīng)推挽放大電路產(chǎn)生CP信號。典型推挽電路的組成一般主要由圖4中虛線框1中的光耦、虛線框2中的三極管以及后端虛線框3中的電容組成，在CP輸出端，通過并接C4電容起到濾波的作用。經(jīng)實測，三者均會對PWM波的上升下降時間造成影響。針對問題發(fā)生原因，一般從以下幾個方面著手解決上升下降時間超限的問題：（1）光耦的選型、例如采用高速光耦替代普通光耦；（2）三極管的選型，例如提高三極管的開關(guān)響應(yīng)時間；（3）降低C4電容參數(shù)。經(jīng)測試，合理調(diào)整以上器件的相關(guān)參數(shù)后，能較好的解決方式二的PWM波形上升下降時間超限的問題。

圖3 采用放大器與運放的PWM信號原理圖Fig.3 Principle diagram of PWM using amplifiers

圖4 采用推挽電路的PWM信號原理圖Fig.4 Principle diagram of PWM using push-pull circuit

4 PWM波形失真

參照GB／T 18487.1附錄A.2-A.4的控制導(dǎo)引電路原理圖，交流充電樁通過充電連接器與電動汽車建立連接后，CP信號與車輛控制裝置建立連接。由于不同品牌電動汽車的內(nèi)部構(gòu)造存在差異，車輛控制裝置的接入對于PWM信號存在一定的影響。現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，部分國產(chǎn)車型內(nèi)部電氣隔離較差，例如動力電纜與控制信號之間未進行有效的電氣隔離，在PWM信號接入車端控制器后，對充電樁輸出的PWM信號產(chǎn)生較大干擾，造成PWM波形失真，典型的失真示例如圖5所示。

圖5 PWM波形失真Fig.5 Distortion of PWM wave

交流充電樁通過檢測檢測點1的電壓信號幅值判斷充電狀態(tài)，當PWM信號中夾雜著較大干擾信號時，充電樁采集計算得到的電壓值會存在比較大的偏差，容易造成狀態(tài)判斷錯誤?，F(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，部分廠家在軟硬件的設(shè)計中并未考慮外部干擾的影響，其PWM信號的抗干擾能力較差。針對這種情況，需要從軟件與硬件上進行改良，在硬件設(shè)計上，一方面在樁內(nèi)對PWM信號實現(xiàn)有效的電氣隔離，另一方面在充電樁內(nèi)部對進入A／D轉(zhuǎn)換器的PWM進行濾波處理；在程序設(shè)計上，例如采用加快采樣頻率的方式提高采樣的準確性，經(jīng)實測，通過以上方式的改進能有效降低干擾造成的影響。

5 結(jié)束語

文中對交流充電樁PWM波形參數(shù)的典型問題進行了分類統(tǒng)計，并從PWM產(chǎn)生的原理，分析了程序參數(shù)及硬件選型對PWM波形參數(shù)的影響。分析結(jié)果表明：

（1）PWM波形參數(shù)的典型問題中，占空比超限是主要原因，而造成占空比超限的原因是設(shè)計人員對標準理解的不到位，導(dǎo)致程序中相關(guān)寄存器的值設(shè)定不合理；

（2）部分充電樁設(shè)備商不會對PWM的－12 V進行檢測，因而無法判斷車端二極管是否存在。同時，－12 V幅值超限是PWM波形參數(shù)的次要問題，對通過220 V轉(zhuǎn)±12 V的單路或多路輸出電源，可通過調(diào)節(jié)輸出解決；對于通過5 V或24 V轉(zhuǎn)12 V的微功率電源模塊，可通過改變電源輸入或者在輸出端串接電阻實現(xiàn)－12 V的調(diào)整；

（3）PWM上升下降時間超限及波形失真問題與充電樁內(nèi)部硬件設(shè)計密切相關(guān)，尤其是CP信號電路中光耦的選型、三極管開關(guān)響應(yīng)時間的快慢，以及輸出電路濾波電容的大小。

常見的PWM信號問題包含但不限于PWM波形參數(shù)問題，本文僅對交流充電樁的PWM波形參數(shù)問題進行了匯總分析，PWM信號在充電過程中的應(yīng)用錯誤，如PWM波形缺乏連續(xù)性、發(fā)生及關(guān)斷時刻錯誤等將在后續(xù)進一步總結(jié)。