電動汽車交流充電導引電路的設計與實踐

周曉俊

（南京康尼科技實業有限公司，江蘇 南京 210000）

電動汽車交流充電導引電路的設計與實踐

周曉俊

（南京康尼科技實業有限公司，江蘇 南京 210000）

近年來，隨著國家對節能減排項目的政策與扶持力度加大，汽車行業對純電動汽車的研發腳步已明顯加快，如何確保安全充電已經成為各主機廠尤為重視的課題。同時也是各個充電接口制造單位研發的重點。本文簡要介紹了國內外交流充電的發展和現狀。并結合中國電動汽車行業的實踐現狀，對其中的慢充方式如何確保安全充電的設計細節做了簡要描述。

交流充電裝置；安全；應用

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

前言

按照國家標準GB/T20234.1-2011《電動汽車傳導充電用連接裝置 第1部分 通用要求》的標準定義，電動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構是三眼插頭供電，并直接接入標準傳導充電連接裝置，對電動汽車進行供電；模式二充電方式的主要結構是在模式一的基礎上，增加了安全保護裝置，包括漏電、過載、過/欠電壓、未接地檢測等安全措施；前兩種充電方式主要是針對供電側使用了符合GB 2099.1標準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公共區域的交流充電樁供電與充電。本文主要針對充電模式二方式的供電與充電做電氣安全設計與實踐方面的介紹。

1、交流充電模式二充電裝置的設計理念

真正意義上的電動汽車的發展與推廣主要集中在近幾年，而其配套的充電設施或基礎建設并不健全，特別是公用交流充電裝置，遠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汽車的充電時間要比燃油汽車的加油時間長很多；供電充電樁與車載充電機之間的交互方式、通訊協議還沒有統一或標準支撐，無法完成社會公共區域充電的計費與安全；中國家庭住宅的基礎建設與供電配套也很不完善，造成具備計費功能的公用充電樁設施的普及性和完善還有很長一段路要走。

在這種基礎設施不完善的背景下，各主機廠依然熱情高漲的開發新能源汽車產業，充分說明國家和人們已經意識到燃油動力汽車對自然環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、安全可靠充電設施帶來了巨大的契機。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功能的、但無需計費的交流充電設施，產品設計中充分考慮到電動汽車車載充電機在充電過程中的電流、電壓、功率等電氣特性，設置了包括漏電保護、過載保護、短路保護、接地檢測等主要功能。交流充電模式二充電裝置是電動汽車外部的關鍵零組件，為電動汽車運行的可靠運行和安全提供了保證。

作為家用型的電動汽車充電裝置，其應用人群多為普通民眾，而非專業人士操作，其安全性、可靠性是產品設計首要重視與考慮的因素。作為家用型的電動汽車模式二充電裝置，必須設計漏電保護裝置，防止因裝置本身使用不當、或導體破損等非正常因素造成使用過程中存在的漏電現象對人體的傷害；電動汽車的充電過程往往在上班期間或夜間進行，一般不會有人值守，在充電過程可能存在電網波動、包括電壓或電流的波動，因此也必須具備過載保護，防止長時間、過電流工作，國內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汽車，并沒有真正的接地措施，其充電過程中的安全接地也是必不可少的設計要素。電動車若想與其它車輛并駕齊驅，安全充/放電是所有設計中必須考慮的首要任務。

2、交流充電模式二裝置的導引電路設計與實踐

根據GB/T20234《電動汽車傳導充電用連接裝置 第2部分 交流充電接口》中關于交流充電模式二的設計要求，并結合目前國內主機廠的電氣安全、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、漏電保護回路、過電流檢測回路、接地檢測、火零錯相檢測等部分組成。CPU選用美國MICROCHIP公司的PIC系列芯片。另外控制電源采用技術成熟的開關電源，并在電源的初級使用差模電感和共模濾波器來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框圖如圖1：

以下就各組成部分做簡要的設計分析。

2.1 主控制回路及電源

主回路主要由兩只繼電器及其驅動電路組成，電氣原理圖如圖2，MCU輸出控制信號YK_OUT，連接到 Q1和U14的驅動電路的輸入端，分別驅動火線控制繼電器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，其優點是可以使供電電源平衡輸出。

2.2 漏電保護、過電流保護回路

分別通過兩只電流互感器檢測漏電流和過電流。漏電檢測回路含有自檢功能，在產品上電初期，先通過電阻模擬產生漏電電流，模擬漏電流信號傳遞到MCU，檢驗漏電流檢測回路的硬件是否正常。正常工作時，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R1電阻，轉換為電壓信號，再通過運放U1B將電壓信號放大傳送至MCU，由MCU對信號進行測量,并與漏電流動作整定閥值（設定為25±5mA）進行比較，如果超過動作整定值則單片機輸出控制信號使主回路K1、K2切斷供電，并在顯示電路顯示故障類型。電流檢測電氣原理圖如圖3。過電流檢測回路原理同上，這里不在贅述。

在實際搭載試驗中，我們也檢測到了來自車端的車載充電機的高頻信號，這與車載充電機使用了的變頻技術不無關系，采用變頻技術容易產生零相序干擾，這種干擾往往會造成充電裝置的不穩定或誤動作，因此在各種模擬量檢測回路及運放電路中，均加入了低通濾波電路，本次設計結合實際狀況，電流檢測回路采用了RC濾波電路，如圖3中的Rw、Cw和運放U1B構成了一階低通濾波電路，在計算參數時，先設定低通截止頻率fw，并根據頻率與阻容的關系公式如下：

計算出相關阻容參數數值。

2.3 電壓檢測回路

目前，我國各地區電網的穩定性不盡一致，有些地區，特別是偏遠地區的電網并非優質電網。過高或過低的電壓對于車載充電機的輸入可能造成較大的影響，因此在電氣設計中增加了過/欠壓保護功能，其電氣原理圖如圖4：

上述電壓檢測、電流檢測中均采用互感器采樣，對于其采樣精度控制，也是設計中重點考慮的。本次設計結合主機廠的要求及器件選用的經濟性，選用的PIC系列芯片的AD分辨率為10位，而其基準電壓為5V，則每單位的精度為5/210=5mV，可以滿足可主機廠的精度要求。

2.4 接地檢測與火零錯相檢測

電氣原理圖如圖5。接地檢測和火/零檢測功能是采用電阻分壓的方式，接地檢測是檢測火零對地之間的取樣電壓，并經過D1整流，DZ1穩壓后送入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相，YX1輸出電壓為零，從而判斷出火零錯相，并根據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，其作用是通過脈沖輸出的方式與車載充電機建立握手通訊。即在其它條件滿足的情況下，車載充電機一旦接受到來自充電裝置的直流脈沖信號，即發出允許充電指令，并通過改變脈沖信號的有效電平，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，將電網電壓輸送到車載控制器的輸入端。本次設計中，考慮到此脈沖頻率較低，（1kHz），所設計的脈沖發生器由兩只光電耦合器交替輸出完成：即由MCU發出的PWM信號，控制外圍電路中U7、U8光耦器件的翻轉，從而輸出脈沖信號。并將回采的脈沖信號返回到MCU中與基準脈沖信號進行比較與整定。PWM輸出電路的電氣原理圖如圖6：

3、展望

電動汽車交流充電模式二充電裝置是新興行業的新事物。經過理論設計與實踐搭載之間的不斷磨合與校驗，我司研制與開發的交流充電模式二裝置已經在國內幾大主機廠的不同的純電動或混合動力車型搭載成功，部分車廠已經進入量產交貨階段，還有部分車廠也進入了路試階段。針對下一代產品的研發，我司已經導入新的構思雛形，將側重終端用戶的識別與體驗。從外觀造型、人機交互、溫度監控、遠程調試等方面，對該交流充電裝置進行根本性的升級換代。并將秉承深入研究、持續改善的設計理念，與各大主機廠密切配合，齊心協力推動電動汽車零部件行業的的不斷前進。

[1] 《PIC系列單片機開發實例精解》 孫安青 中國電力出版社2011.03.

[2] 《嵌入式硬件系統接口電路設計》魏偉等，化學工業出版社.

[3] GB/T20234.1-2011《電動汽車傳導充電用連接裝置 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，電氣設計工程師，就職于南京康尼科技實業有限公司。