電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁控制導(dǎo)引電路優(yōu)化策略

董 磊，陳 賀，高勝?lài)?guó)，郭 佳

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電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁控制導(dǎo)引電路優(yōu)化策略

董 磊，陳 賀，高勝?lài)?guó)，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(dòng)汽車(chē)不能相互識(shí)別及惡劣環(huán)境下互聯(lián)互通性差的問(wèn)題，首先對(duì)目前常用交流充電樁控制導(dǎo)引電路存在的問(wèn)題進(jìn)行分析，針對(duì)存在的問(wèn)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(hù)策略。通過(guò)優(yōu)化策略能有效提高控制導(dǎo)引電路信號(hào)上升/下降時(shí)間、占空比公差、檢測(cè)點(diǎn)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(chē)不能可靠互聯(lián)充電。提出的控制導(dǎo)引優(yōu)化策略對(duì)控制導(dǎo)引電路參數(shù)有很大的改善，具有較好的實(shí)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(hù)

0 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)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(lèi)未來(lái)發(fā)展面臨的首要問(wèn)題[1]。為了提高能源利用率、降低環(huán)境污染，我國(guó)加大電動(dòng)汽車(chē)的推廣力度，2016年底，我國(guó)新能源汽車(chē)的產(chǎn)量突破50萬(wàn)輛，保有量超過(guò)100萬(wàn)輛，在全球的占比達(dá)到了百分之五十[2]。充電樁作為電動(dòng)汽車(chē)配套充電設(shè)施，2016年全國(guó)充電樁擁有量已達(dá)到近20萬(wàn)臺(tái)，其中私人乘用車(chē)充電樁安裝比例已提高到80%以上，為配合電動(dòng)汽車(chē)的推廣，2017年我國(guó)將力爭(zhēng)新增充電樁數(shù)量達(dá)到80萬(wàn)臺(tái)，其中專(zhuān)用樁70萬(wàn)臺(tái)，公共樁10萬(wàn)臺(tái)[3]。其中交流充電樁體積小、安裝靈活、對(duì)供電系統(tǒng)要求低，適用于家庭乘用車(chē)，裝機(jī)量比較大。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 18487.1-2015電動(dòng)汽車(chē)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(shí)現(xiàn)車(chē)與樁信息交互的唯一途徑，充電樁通過(guò)控制導(dǎo)引獲取充電接口的連接狀態(tài)和汽車(chē)給出的啟/停信號(hào)，電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)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(hào)，在整個(gè)充電周期內(nèi)控制導(dǎo)引時(shí)刻保證車(chē)和樁信息互通[4-5]。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(hào)上升/下降時(shí)間、R1等效電阻、檢測(cè)點(diǎn)1電壓是車(chē)與樁能否可靠互聯(lián)的關(guān)鍵參數(shù)。

目前市場(chǎng)上車(chē)與樁不能相互識(shí)別及互聯(lián)互通性差的問(wèn)題比較突出，主要原因是控制導(dǎo)引電路的設(shè)計(jì)存在缺陷，在惡劣環(huán)境下長(zhǎng)期運(yùn)行控制導(dǎo)引電路性能下降加之外界干擾導(dǎo)致車(chē)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(duì)充電樁與電動(dòng)汽車(chē)互聯(lián)互通以及安全可靠充電具有一定的現(xiàn)實(shí)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(dòng)充電及充滿(mǎn)停止的流程如下[6-7]。

Step1：供電接口CC連接確認(rèn)。充電樁檢測(cè)到檢測(cè)點(diǎn)4的電壓為1=0 V，說(shuō)明供電接口CC連接正常。

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

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

電動(dòng)汽車(chē)啟動(dòng)充電應(yīng)答信號(hào)：電動(dòng)汽車(chē)收到啟動(dòng)充電信號(hào)后閉合S2，充電樁檢測(cè)到檢測(cè)點(diǎn)1的PWM峰值電壓2=cc×((2//3)/(1+(2//3)))，閉合接觸器K1和K2開(kāi)始充電。

Step4：電動(dòng)汽車(chē)充滿(mǎn)信號(hào)。電動(dòng)汽車(chē)充滿(mǎn)時(shí)斷開(kāi)S2。

充電樁充滿(mǎn)應(yīng)答信號(hào)：充電樁檢測(cè)到測(cè)量點(diǎn)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(shí)斷開(kāi)接觸器K1和K2停止充電。

Step5：供電接口CP斷開(kāi)確認(rèn)。充電樁檢測(cè)到檢測(cè)點(diǎn)1的電壓為2=cc，說(shuō)明供電接口CP已斷開(kāi)，其中cc為+12V直流。

Step6：供電接口CC斷開(kāi)確認(rèn)。充電樁檢測(cè)到檢測(cè)點(diǎn)4的電壓為1=cc，說(shuō)明供電接口CC已斷開(kāi)，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(dòng)汽車(chē)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(hào)上升時(shí)間，信號(hào)下降時(shí)間，R1等效電阻，狀態(tài)1、2、3監(jiān)測(cè)點(diǎn)1電壓是車(chē)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(shí)；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(cè)到；狀態(tài)3是充電過(guò)程中S2閉合。

2 控制導(dǎo)引電路問(wèn)題分析

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20234.2-2011電動(dòng)汽車(chē)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(lái)，電動(dòng)汽車(chē)交流充電樁經(jīng)過(guò)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(chǎng)仍普遍存在樁與車(chē)不能可靠互聯(lián)充電的問(wèn)題。大致分為3種情況：1.新充電樁能夠正常充電，運(yùn)行一段時(shí)間后不能正常互聯(lián)；2.部分車(chē)型可以正常充電，有些車(chē)型不能正常互聯(lián)；3.充電過(guò)程中異常停止。樁與車(chē)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(jì)不合理，在惡劣環(huán)境下或存在干擾時(shí)不能滿(mǎn)足控制導(dǎo)引參數(shù)要求，導(dǎo)致車(chē)與樁不能相互識(shí)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(guò)±12 V PWM來(lái)驅(qū)動(dòng)由MOS管Q1和Q2構(gòu)成的推挽電路，最后通過(guò)等效內(nèi)阻R4輸出CP信號(hào)。該電路的優(yōu)點(diǎn)：比較器輸出PWM信號(hào)失真小，Q1和Q2柵極PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)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(hào)上升/下降時(shí)間參數(shù)性能完全能滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)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(gè)缺點(diǎn)：1.非電氣隔離會(huì)將電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)的高頻干擾或靜電通過(guò)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(shí)，漏極和源極會(huì)有0.7 V左右的壓差，CP輸出電壓為±11.3 V左右，該值在標(biāo)準(zhǔn)要求的臨界，在高溫/低溫或器件性能下降、批次不同時(shí)會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)點(diǎn)1電壓不能滿(mǎn)足要求的情況，導(dǎo)致車(chē)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(guò)±12 V PWM來(lái)驅(qū)動(dòng)由晶體管Q1和Q2構(gòu)成的推挽電路，最后通過(guò)等效內(nèi)阻R3輸出CP信號(hào)。該電路的優(yōu)點(diǎn)：采用光電隔離方式將CPU弱電區(qū)與電動(dòng)汽車(chē)進(jìn)行電氣隔離，有效降低充電時(shí)產(chǎn)生的耦合干擾，提高充電安全可靠性。

該電路存在3個(gè)缺點(diǎn)：1.光耦隔離PWM信號(hào)會(huì)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(shí)間長(zhǎng)。光耦在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)由于光電特性會(huì)產(chǎn)生延遲，高速光耦輸出信號(hào)上升延時(shí)和下降延時(shí)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。控制導(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(shí)會(huì)增加，并且在不同溫度下光耦的電流傳輸比CTR會(huì)發(fā)生變化，也會(huì)引起信號(hào)上升/下降延時(shí)增大，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的2 μs。信號(hào)上升/下降的延時(shí)會(huì)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(shí)，集電極和發(fā)射極會(huì)有0.7 V左右的壓差，CP輸出電壓為±11.3 V左右，該值在標(biāo)準(zhǔn)要求的臨界，在高溫/低溫或器件性能下降、批次不同時(shí)會(huì)出現(xiàn)檢測(cè)點(diǎn)1電壓不能滿(mǎn)足要求的情況，導(dǎo)致車(chē)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(hào)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(duì)目前交流充電樁控制導(dǎo)引電路存在的問(wèn)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(guò)PWM波形矯正策略縮短上升沿和下降沿的時(shí)間，推挽電路優(yōu)化策略提高檢測(cè)點(diǎn)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(hù)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(qiáng)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(dá)到24 V時(shí)Q1剛剛飽和，這時(shí)A點(diǎn)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(diǎn)產(chǎn)生滿(mǎn)幅值的負(fù)電壓，并且晶體管導(dǎo)通速率很快，下降沿的延時(shí)很小。R4的作用是對(duì)I1進(jìn)行分流，防止I1電流太大使得Q1進(jìn)入深度飽和，進(jìn)入深度飽和Q1由導(dǎo)通到截止的時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)，上升沿的延時(shí)會(huì)增大。

增加光耦輸出矯正電路后，A點(diǎn)的PWM上升/下降延時(shí)明顯縮短，隨著上升/下降延時(shí)的縮小信號(hào)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(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)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(dá)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(huì)有電流通過(guò)Q2基極到達(dá)Q3基極，使兩個(gè)晶體管同時(shí)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(huì)加到Q2柵極和Q3柵極，使兩個(gè)MOS管同時(shí)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(shí)導(dǎo)通的問(wèn)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(jìn)入飽和導(dǎo)通，進(jìn)入飽和導(dǎo)通后會(huì)延長(zhǎng)Q2的截止時(shí)間。

增加推挽電路優(yōu)化電路后，B點(diǎn)的PWM峰值電壓沒(méi)有任何衰減，CP輸出電壓為±12 V，同時(shí)不影響上升/下降延時(shí)時(shí)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(biāo)稱(chēng)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(xiàn)上，這樣存在安全隱患，當(dāng)推挽電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)故障后，會(huì)使推挽電路的上下橋臂導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)沒(méi)有限流電阻，會(huì)燒壞上下橋臂的開(kāi)關(guān)管。本電路將等效電阻分成兩個(gè)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(huì)燒壞Q2和Q3。

3.4 電氣隔離EMC防護(hù)策略

圖4中的高速光耦U1，瞬態(tài)穩(wěn)壓管TV1和磁珠L(zhǎng)1構(gòu)成了控制導(dǎo)引電氣隔離EMC防護(hù)電路。光耦將CPU弱電區(qū)與電動(dòng)汽車(chē)隔離開(kāi)，防止電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)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(xiàn)上的靜電和高頻干擾，對(duì)推挽電路和光耦的光電接收管起到了有效的防護(hù)作用。

4 結(jié)論

本文針對(duì)現(xiàn)有交流充電樁控制導(dǎo)引電路存在的問(wèn)題進(jìn)行分析研究，提出了控制導(dǎo)引電路的優(yōu)化策略。通過(guò)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(hù)策略，有效提高了控制導(dǎo)引信號(hào)上升/下降時(shí)間、占空比公差、檢測(cè)點(diǎn)1電壓、以及等效內(nèi)阻等參數(shù)性能，不僅滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)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(duì)充電樁和電動(dòng)汽車(chē)互聯(lián)互通、安全可靠充電具有一定的現(xiàn)實(shí)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?yàn)殡妱?dòng)汽車(chē)充電技術(shù)；E-mail: donglei5141@163.com

陳 賀(1976—)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娮印⑼ㄓ嵓白詣?dòng)化控制；E-mail: chen_he_@126.com

高勝?lài)?guó)(1980—)，男，通信作者，本科，研究方向?yàn)殡?動(dòng)汽車(chē)充電技術(shù)。E-mail: 46005381@ qq.com