電動汽車交流充電樁控制導(dǎo)引電路優(yōu)化策略

董 磊，陳 賀，高勝國，郭 佳

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電動汽車交流充電樁控制導(dǎo)引電路優(yōu)化策略

董 磊，陳 賀，高勝國，郭 佳

(石家莊科林電氣股份有限公司，河北 石家莊 050222)

為了解決目前交流充電樁與電動汽車不能相互識別及惡劣環(huán)境下互聯(lián)互通性差的問題，首先對目前常用交流充電樁控制導(dǎo)引電路存在的問題進行分析，針對存在的問題提出了光耦輸出PWM波形矯正策略、推挽電路優(yōu)化策略、等效電阻優(yōu)化策略、電氣隔離EMC防護策略。通過優(yōu)化策略能有效提高控制導(dǎo)引電路信號上升/下降時間、占空比公差、檢測點1電壓以及等效內(nèi)阻等參數(shù)性能，防止因器件老化、環(huán)境變化、電磁干擾等原因引起的充電樁與汽車不能可靠互聯(lián)充電。提出的控制導(dǎo)引優(yōu)化策略對控制導(dǎo)引電路參數(shù)有很大的改善，具有較好的實用性。

交流充電樁；控制導(dǎo)引電路；光耦輸出PWM波形矯正；推挽電路優(yōu)化；等效電阻優(yōu)化；電氣隔離EMC防護

0 引言

隨著全球經(jīng)濟飛速發(fā)展，能源快速消耗、生態(tài)環(huán)境日益惡化，能源安全及可持續(xù)發(fā)展已經(jīng)成為人類未來發(fā)展面臨的首要問題[1]。為了提高能源利用率、降低環(huán)境污染，我國加大電動汽車的推廣力度，2016年底，我國新能源汽車的產(chǎn)量突破50萬輛，保有量超過100萬輛，在全球的占比達到了百分之五十[2]。充電樁作為電動汽車配套充電設(shè)施，2016年全國充電樁擁有量已達到近20萬臺，其中私人乘用車充電樁安裝比例已提高到80%以上，為配合電動汽車的推廣，2017年我國將力爭新增充電樁數(shù)量達到80萬臺，其中專用樁70萬臺，公共樁10萬臺[3]。其中交流充電樁體積小、安裝靈活、對供電系統(tǒng)要求低，適用于家庭乘用車，裝機量比較大。

根據(jù)國家標準GB/T 18487.1-2015電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)第一部分：通用要求，交流充電樁控制導(dǎo)引是實現(xiàn)車與樁信息交互的唯一途徑，充電樁通過控制導(dǎo)引獲取充電接口的連接狀態(tài)和汽車給出的啟/停信號，電動汽車通過控制導(dǎo)引獲取充電接口的連接狀態(tài)、充電樁輸出功率以及充電樁給出的啟/停信號，在整個充電周期內(nèi)控制導(dǎo)引時刻保證車和樁信息互通[4-5]。國家標準對控制導(dǎo)引電路參數(shù)做了具體要求，其中輸出PWM頻率、PWM占空比公差、信號上升/下降時間、R1等效電阻、檢測點1電壓是車與樁能否可靠互聯(lián)的關(guān)鍵參數(shù)。

目前市場上車與樁不能相互識別及互聯(lián)互通性差的問題比較突出，主要原因是控制導(dǎo)引電路的設(shè)計存在缺陷，在惡劣環(huán)境下長期運行控制導(dǎo)引電路性能下降加之外界干擾導(dǎo)致車和樁不能匹配充電。本文提出了交流充電樁控制導(dǎo)引電路的優(yōu)化策略，有效提高控制導(dǎo)引電路參數(shù)性能，增加抗干擾性，對充電樁與電動汽車互聯(lián)互通以及安全可靠充電具有一定的現(xiàn)實意義。

1 控制導(dǎo)引工作原理

交流充電模式3連接方式B的控制導(dǎo)引電路原理圖[4-5]如圖1所示。

圖1 控制導(dǎo)引電路原理圖

Fig. 1Control guide circuit schematic

1.1 控制導(dǎo)引充電流程

交流充電樁控制導(dǎo)引啟動充電及充滿停止的流程如下[6-7]。

Step1：供電接口CC連接確認。充電樁檢測到檢測點4的電壓為1=0 V，說明供電接口CC連接正常。

Step2：供電接口CP連接確認。充電樁檢測到檢測點1的電壓為2=cc×(3/(1+3))，說明供電接口CP連接正常，其中cc為+12 V直流。

Step3：充電樁啟動充電信號。充電樁將CP電源cc由+12 V直流切換至±12 V PWM。

電動汽車啟動充電應(yīng)答信號：電動汽車收到啟動充電信號后閉合S2，充電樁檢測到檢測點1的PWM峰值電壓2=cc×((2//3)/(1+(2//3)))，閉合接觸器K1和K2開始充電。

Step4：電動汽車充滿信號。電動汽車充滿時斷開S2。

充電樁充滿應(yīng)答信號：充電樁檢測到測量點1的PWM峰值電壓2=cc×3/(1+3))，將CP電源cc由±12 V PWM切換至+12 V直流，同時斷開接觸器K1和K2停止充電。

Step5：供電接口CP斷開確認。充電樁檢測到檢測點1的電壓為2=cc，說明供電接口CP已斷開，其中cc為+12V直流。

Step6：供電接口CC斷開確認。充電樁檢測到檢測點4的電壓為1=cc，說明供電接口CC已斷開，其中cc為+12V直流。

1.2 控制導(dǎo)引參數(shù)要求

控制導(dǎo)引電路參數(shù)直接影響充電樁與電動汽車互聯(lián)互通的兼容性，其中CP輸出PWM頻率，輸出占空比公差，信號上升時間，信號下降時間，R1等效電阻，狀態(tài)1、2、3監(jiān)測點1電壓是車與樁能否可靠互聯(lián)的關(guān)鍵參數(shù)。控制導(dǎo)引關(guān)鍵參數(shù)要求[4-5]如表1所示。

表1 控制導(dǎo)引關(guān)鍵參數(shù)要求

表1中，狀態(tài)1是充電接口未連接時；狀態(tài)2是充電接口連接，S1切換到PWM連接狀態(tài)，R3被檢測到；狀態(tài)3是充電過程中S2閉合。

2 控制導(dǎo)引電路問題分析

國家標準GB/T 20234.2-2011電動汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置第2部分：交流充電接口發(fā)布以來，電動汽車交流充電樁經(jīng)過了多年的技術(shù)研究，理論上已經(jīng)是成熟可靠的充電設(shè)備[8-9]，但是目前市場仍普遍存在樁與車不能可靠互聯(lián)充電的問題。大致分為3種情況：1.新充電樁能夠正常充電，運行一段時間后不能正常互聯(lián)；2.部分車型可以正常充電，有些車型不能正常互聯(lián)；3.充電過程中異常停止。樁與車不能互聯(lián)互通或異常停止充電的根本原因在于控制導(dǎo)引電路的設(shè)計不合理，在惡劣環(huán)境下或存在干擾時不能滿足控制導(dǎo)引參數(shù)要求，導(dǎo)致車與樁不能相互識別。

目前交流充電樁常用的控制導(dǎo)引電路分為非電氣隔離推挽輸出和電氣隔離推挽輸出兩種方式，如圖2、圖3所示[10-11]。

圖2是目前普遍使用的非電氣隔離推挽輸出控制導(dǎo)引電路[12-13]。該電路采用比較器將+3.3 V PWM轉(zhuǎn)換為±12 V PWM，通過±12 V PWM來驅(qū)動由MOS管Q1和Q2構(gòu)成的推挽電路，最后通過等效內(nèi)阻R4輸出CP信號。該電路的優(yōu)點：比較器輸出PWM信號失真小，Q1和Q2柵極PWM驅(qū)動信號上升沿和下降沿較陡，所以CP輸出PWM的頻率、占空比公差以及信號上升/下降時間參數(shù)性能完全能滿足標準要求。

圖2 非電氣隔離推挽輸出控制導(dǎo)引電路

圖3 電氣隔離推挽輸出控制導(dǎo)引電路

該電路存在兩個缺點：1.非電氣隔離會將電動汽車充電時的高頻干擾或靜電通過CP引入CPU弱電區(qū)，容易損壞CPU或其他IC器件；2.推挽電路的上橋臂Q1采用N溝道MOS管，下橋臂Q2采用P溝道MOS管，在Q1和Q2導(dǎo)通時，漏極和源極會有0.7 V左右的壓差，CP輸出電壓為±11.3 V左右，該值在標準要求的臨界，在高溫/低溫或器件性能下降、批次不同時會出現(xiàn)檢測點1電壓不能滿足要求的情況，導(dǎo)致車和樁不能互聯(lián)充電。

圖3是目前普遍使用的電氣隔離推挽輸出控制導(dǎo)引電路[14-15]。該電路采用高速光耦將+3.3 V PWM轉(zhuǎn)換為±12 V PWM，通過±12 V PWM來驅(qū)動由晶體管Q1和Q2構(gòu)成的推挽電路，最后通過等效內(nèi)阻R3輸出CP信號。該電路的優(yōu)點：采用光電隔離方式將CPU弱電區(qū)與電動汽車進行電氣隔離，有效降低充電時產(chǎn)生的耦合干擾，提高充電安全可靠性。

該電路存在3個缺點：1.光耦隔離PWM信號會產(chǎn)生失真，主要表現(xiàn)在頻率誤差大、占空比誤差大和上升沿/下降沿時間長。光耦在傳輸數(shù)據(jù)時由于光電特性會產(chǎn)生延遲，高速光耦輸出信號上升延時和下降延時最大為1 μs，此數(shù)據(jù)的前提條件是發(fā)光管電流I=16 mA，2=1.9 kΩ，輸出電壓擺幅最大為5 V，并且溫度在25℃的理想情況?？刂茖?dǎo)引電路要求光耦輸出電壓±12 V最大擺幅24 V，上升/下降延時會增加，并且在不同溫度下光耦的電流傳輸比CTR會發(fā)生變化，也會引起信號上升/下降延時增大，超過標準規(guī)范要求的2 μs。信號上升/下降的延時會直接影響頻率和占空比公差。2. 推挽電路的上橋臂Q1采用NPN晶體管，下橋臂Q2采用PNP晶體管，在Q1和Q2導(dǎo)通時，集電極和發(fā)射極會有0.7 V左右的壓差，CP輸出電壓為±11.3 V左右，該值在標準要求的臨界，在高溫/低溫或器件性能下降、批次不同時會出現(xiàn)檢測點1電壓不能滿足要求的情況，導(dǎo)致車和樁不能互聯(lián)充電。3.由于高速光耦的電流傳輸比較小，常用型號典型值為30%，最大值為50%。所以在R2阻值不變情況下，要使光耦的光電接收管飽和導(dǎo)通，需要更大的I，導(dǎo)致功耗增加。

3 控制導(dǎo)引電路優(yōu)化策略

針對目前交流充電樁控制導(dǎo)引電路存在的問題，提出了電氣隔離推挽輸出控制導(dǎo)引電路優(yōu)化策略。通過PWM波形矯正策略縮短上升沿和下降沿的時間，推挽電路優(yōu)化策略提高檢測點1電壓，等效內(nèi)阻優(yōu)化策略提高推挽電路的安全性，電氣隔離EMC防護策略提高了控制導(dǎo)引的抗干擾能力。電氣隔離推挽輸出控制導(dǎo)引優(yōu)化電路如圖4所示。

圖4 電氣隔離推挽輸出控制導(dǎo)引優(yōu)化電路

3.1 光耦輸出PWM波形矯正策略

圖4中的NPN晶體管Q1和電阻R3、R4構(gòu)成了光耦輸出波形矯正電路。由光耦的光電特性可知光電接收管將發(fā)光管光強轉(zhuǎn)換成電流，轉(zhuǎn)換公式：I=I×=I1+I4，其中CTR為光耦的電流傳輸比。Q1為電流控制NPN型晶體管，放大倍數(shù)很大，較小的電流I1產(chǎn)生較大的電流I3，當(dāng)I3×3電壓達到24 V時Q1剛剛飽和，這時A點電壓為-12 V。即使I較小，光電接收管不能飽和導(dǎo)通，但是Q1的放大作用也能在A點產(chǎn)生滿幅值的負電壓，并且晶體管導(dǎo)通速率很快，下降沿的延時很小。R4的作用是對I1進行分流，防止I1電流太大使得Q1進入深度飽和，進入深度飽和Q1由導(dǎo)通到截止的時間會延長，上升沿的延時會增大。

增加光耦輸出矯正電路后，A點的PWM上升/下降延時明顯縮短，隨著上升/下降延時的縮小信號失真變小，使得占空比的公差也減小，并且I減小，功耗降低。

3.2 推挽電路優(yōu)化策略

圖4中的PNP晶體管Q2，N溝道MOS管Q3以及電阻R4、R5構(gòu)成了推挽電路優(yōu)化電路。與傳統(tǒng)的推挽電路相比，本電路上橋臂采用PNP晶體管下橋臂采用N溝道MOS管的搭配。本電路優(yōu)化策略包括：1.不論是上橋臂導(dǎo)通還是下橋臂導(dǎo)通，Q2的發(fā)射極與集電極壓降和Q3的漏極與源極壓降幾乎為0 V，這樣能夠保證CP輸出電壓為±12 V，完全滿足國家標準要求，并且留有較大的降額空間，即使器件老化或溫度變化也能達到要求，提高充電可靠性。2.在降低管壓降的前提下，如果將Q2和Q3都使用晶體管，即Q2為PNP管，Q3為NPN管。由于兩者都為電流控制型晶體管，會有電流通過Q2基極到達Q3基極，使兩個晶體管同時導(dǎo)通；如果Q2和Q3都使用MOS管，即Q2為P溝道MOS管，Q3為N溝道MOS管。由于兩者都為電壓控制型MOS管，24 V電壓會加到Q2柵極和Q3柵極，使兩個MOS管同時導(dǎo)通。采用晶體管和MOS管搭配的方式有效避免了上下橋臂同時導(dǎo)通的問題。3.R4是Q2晶體管的基極限流電阻，防止基極電流太大燒壞晶體管。R5是Q2基極電流I的分流電阻，防止I很大使Q2進入飽和導(dǎo)通，進入飽和導(dǎo)通后會延長Q2的截止時間。

增加推挽電路優(yōu)化電路后，B點的PWM峰值電壓沒有任何衰減，CP輸出電壓為±12 V，同時不影響上升/下降延時時間。

3.3 等效內(nèi)阻優(yōu)化策略

圖4中R6和R7為控制導(dǎo)引CP輸出的等效內(nèi)阻，標稱阻值1 kΩ。與常用控制導(dǎo)引等效電阻位置不同，如圖2和圖3中等效內(nèi)阻串聯(lián)在CP線上，這樣存在安全隱患，當(dāng)推挽電路的驅(qū)動信號出現(xiàn)故障后，會使推挽電路的上下橋臂導(dǎo)通，開關(guān)管導(dǎo)通時沒有限流電阻，會燒壞上下橋臂的開關(guān)管。本電路將等效電阻分成兩個R6和R7，分別串在Q2的集電極和Q3的漏極，不僅充當(dāng)?shù)刃?nèi)阻還起到了限流電阻的作用，即使上下橋臂導(dǎo)通也不會燒壞Q2和Q3。

3.4 電氣隔離EMC防護策略

圖4中的高速光耦U1，瞬態(tài)穩(wěn)壓管TV1和磁珠L1構(gòu)成了控制導(dǎo)引電氣隔離EMC防護電路。光耦將CPU弱電區(qū)與電動汽車隔離開，防止電動汽車充電時產(chǎn)生的高頻干擾耦合到CPU弱電區(qū)，影響CPU和其他IC器件的正常工作。瞬態(tài)穩(wěn)壓管和磁珠能夠有效防止CP線上的靜電和高頻干擾，對推挽電路和光耦的光電接收管起到了有效的防護作用。

4 結(jié)論

本文針對現(xiàn)有交流充電樁控制導(dǎo)引電路存在的問題進行分析研究，提出了控制導(dǎo)引電路的優(yōu)化策略。通過光耦輸出PWM波形矯正策略、推挽電路優(yōu)化策略、等效電阻優(yōu)化策略、電氣隔離EMC防護策略，有效提高了控制導(dǎo)引信號上升/下降時間、占空比公差、檢測點1電壓、以及等效內(nèi)阻等參數(shù)性能，不僅滿足標準要求還留出降額空間，防止器件老化、環(huán)境變化、電磁干擾等引起參數(shù)變化不能匹配充電。對充電樁和電動汽車互聯(lián)互通、安全可靠充電具有一定的現(xiàn)實意義。

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The optimization strategies of control guide circuit in AC charging pile

Dong Lei, Chen He, Gao Shengguo, Guo Jia

(Shijiazhuang KeLin Electric Co.,Ltd, Shijiazhuang 050222, China)

In order to solve the problem of mutual recognition of AC charging piles and electric vehicles and poor interoperability in bad environment. Firstly, the existing problems in the control guide circuit of ac charging pile are analyzed. Based on the existing problems, the optical coupling output PWM waveform correction strategy, push-pull circuit optimization strategy, equivalent resistance optimization strategy and electrical isolation EMC protection strategy are presented. Through these optimization strategies can effectively improve the control guide circuit signal rise / fall time, duty cycle tolerance, check point 1 voltage, and the equivalent resistance, to prevent charging points and vehicles can not be interconnected reliably for the reason caused by the component aging, environmental changes, electromagnetic interference. The proposed optimization strategy provides a great improvement on the parameters of the control guide circuit and of good practicability.

AC charging pile; control guide circuit; optical coupling output PWM waveform correction; push-pull circuit optimization; equivalent resistance optimization; electrical isolation EMC protection

2017-08-20

董 磊(1987—)，男，碩士研究生，研究方向為電動汽車充電技術(shù)；E-mail: donglei5141@163.com

陳 賀(1976—)，男，碩士研究生，研究方向為電子、通訊及自動化控制；E-mail: chen_he_@126.com

高勝國(1980—)，男，通信作者，本科，研究方向為電 動汽車充電技術(shù)。E-mail: 46005381@ qq.com