交流充電樁PWM波形參數典型問題統計與分析*

孫遠，但富中，桑林，張萱

（國網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《電動汽車傳導充電系統 第一部分：通用要求》，該標準規定了交直流充電設施應滿足的最新基本要求，其中附錄A部分對交流充電設施的充電控制作了明確規定。PWM信號作為充電控制的重要內容之一，其特征參數包括占空比、幅值、上升下降時間及頻率，特征參數的精確程度將影響整個充電過程，因此必須對交流充電設施產生的PWM波形參數進行研究，以確保交流充電設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波形參數問題普遍存在，統計了市場上二十個主流生產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，對在首次測試時發生的PWM信號問題按照表1進行了分類統計，得到交流充電樁PWM波形參數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，占空比超限占據了41%的比例，是PWM信號發生問題的主要原因，設計人員對標準理解的欠缺是導致該問題發生的主要因素；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，內部器件、電容參數設計不合理是造成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

依據測試統計，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定，即能輸出對應頻率、占空比的PWM信號。GB／T 18487.1中對充電設施產生的PWM占空比與充電電流限值映射關系做了明確規定［1］，結合測試中遇到的市場上主流交流充電樁的規格，整理出常見充電電流與PWM占空比、頻率的對應關系，并將設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芯片內寄存器值的設置實現的。文獻［2］中對寄存器的設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／計數器，Timer1模塊是一個帶預分頻的16位定時器／計數器，Timer2模塊是一個可編程預分頻的8位定時器／計數器［3］。實現時采用 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頻率的設定是通過Timer2的PR2寄存器來實現的，其計算公式為：

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

式中Fosc為內部系統時鐘；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進行初始化設置：PR2＝0x7C；CCP1CON＝0x0C；CCPR1L＝58；利用式（1）～式（3）計算 PWM信號的頻率及占空比，并將計算結果填于表2、表3中。可以看出，計算值、實測值與標準值存在偏差，但仍能滿足國標的偏差要求。實驗時由于未發現頻率偏差超限，因而表1中僅對占空比超限進行了統計。當實測占空比對比國標要求出現偏差超限時，調整CCPR1L寄存器的設置值，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，應由充電樁至少發起一次對－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在設計時往往忽略－12V檢測的重要性，而不對其進行檢測。－12V一般由充電樁內電源模塊產生，本文以某廠商采用的金升陽型號為A0512S-2WR2的電源為例，其應用電路如圖2所示。

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

2.2 負值超限的解決方案

充電樁內常用驅動電源的規格為5 V，12 V與24 V，12 V常見的設計方法主要有兩種，一種是通過220 V轉±12 V的單路或多路電源模塊產生，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，輸出具備可調節功能；一種是利用已有的5 V或24 V驅動電源，經5 V或24 V轉±12 V的微功率電源模塊產生，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用較多，但該方式的12 V輸出不具備可調節功能；針對這兩種設計方式，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整功能，如某充電樁采用的明緯RD-35A開關電源，依照其產品手冊［5］，在12 V輸出時，具有±1.5%的線性調整率，輸出電壓在11.82 V～12.18 V之間連續可調，通過調節輸出即能滿足要求。

（2）對于采用經5 V或24 V轉±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］，輸出電壓對應改變。經實際測試，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變化對應表Tab.4 Change table of－12 V with different R0

表5 R1阻值與－12 V變化對應表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。

在測試過程中發現，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）。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相同的測試方式復測PWM波的上升下降時間，依據表1的統計，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計方式，如圖3所示，該設計模式下，對地電容C217對PWM波形的上升下降時間影響顯著，合理調整電容參數一般能夠滿足設計要求；方式二是MCU輸出后級接由三極管組成推挽電路的設計形式。圖4為方式二 PWM信號發生的局部原理圖［7－10］，MCU芯片輸出3.3 V PWM波，后級經推挽放大電路產生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響應時間；（3）降低C4電容參數。經測試，合理調整以上器件的相關參數后，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部構造存在差異，車輛控制裝置的接入對于PWM信號存在一定的影響。現場測試發現，部分國產車型內部電氣隔離較差，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，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，容易造成狀態判斷錯誤。現場測試發現，部分廠家在軟硬件的設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，在硬件設計上，一方面在樁內對PWM信號實現有效的電氣隔離，另一方面在充電樁內部對進入A／D轉換器的PWM進行濾波處理；在程序設計上，例如采用加快采樣頻率的方式提高采樣的準確性，經實測，通過以上方式的改進能有效降低干擾造成的影響。

5 結束語

文中對交流充電樁PWM波形參數的典型問題進行了分類統計，并從PWM產生的原理，分析了程序參數及硬件選型對PWM波形參數的影響。分析結果表明：

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

（2）部分充電樁設備商不會對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波形參數的次要問題，對通過220 V轉±12 V的單路或多路輸出電源，可通過調節輸出解決；對于通過5 V或24 V轉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－12 V的調整；

（3）PWM上升下降時間超限及波形失真問題與充電樁內部硬件設計密切相關，尤其是CP信號電路中光耦的選型、三極管開關響應時間的快慢，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波形參數問題，本文僅對交流充電樁的PWM波形參數問題進行了匯總分析，PWM信號在充電過程中的應用錯誤，如PWM波形缺乏連續性、發生及關斷時刻錯誤等將在后續進一步總結。