隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科技的進(jìn)步，能源短缺和環(huán)境污染日益成為可持續(xù)發(fā)展的重要待解決問題。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)汽車以石油為動力，消耗了大量的資源，并因大量的尾氣排放，造成環(huán)境問題。發(fā)展以純電力為動力的電動汽車，是解決能源、環(huán)境問題的重要方向。充電樁作為為電動車補(bǔ)充電力、提供能源的基礎(chǔ)設(shè)施，大力發(fā)展充電樁行業(yè)，對電動車的普及應(yīng)用有重要意義。本文研究的線纜式交流充電控制盒，作為電動車隨車充電不可或缺的裝置，對推動電動汽車進(jìn)入千家萬戶有重大意義。
1、交流充電控制盒介紹
交流充電控制盒作為隨車攜帶的交流充電裝置，以家庭自主充電、隨用隨充為主。該裝置輸入接口為符合GB2099.1和GB1002的插頭，輸出接口為新國標(biāo)GB/T 20234.2-2015規(guī)定的慢充充電槍。使用市電220V（±15%）作為輸入電源，輸出10A/16A。具備過溫保護(hù)、過流保護(hù)、漏電流保護(hù)、故障緊急停機(jī)、充電電流選擇等功能。該裝置適用于普通純電動轎車的慢充充電，充滿預(yù)計(jì)6-8小時。
2、交流充電控制盒工作原理
依據(jù)GB/T 18487.1-2015，該裝置屬于充電模式二的連接方式B充電形式，采用纜上控制與保護(hù)裝置，使用控制導(dǎo)引電路來作為充電連接裝置的連接狀態(tài)判斷和充電電流參數(shù)的選擇。其典型的控制導(dǎo)引電路如圖一：
圖一：控制導(dǎo)引電路原理圖，依據(jù)GB/T 18487.1-2015
控制導(dǎo)引電路工作原理如下：
供電設(shè)備插頭和插座連接后，供電控制裝置通過測量檢測點(diǎn)1的電壓來判斷供電插頭與供電插座是否完全連接。
同時車輛控制裝置通過測量檢測點(diǎn)3與PE之間的電阻值來判斷車輛插頭與車輛插座是否完全連接。未連接時，S3處于閉合狀態(tài)，CC未連接，監(jiān)測點(diǎn)3與PE之間的電阻為無窮大；半連接時，S3處于斷開狀態(tài)，CC已連接，檢測點(diǎn)3與PE之間的電阻值為RC+R4；完全連接時，S3處于閉合狀態(tài)，CC已連接，監(jiān)測點(diǎn)3與PE之間的電阻值為RC。
如供電設(shè)備無故障，并且供電接口完全對接，則開關(guān)S1從+12V連接狀態(tài)切換至PWM連接狀態(tài)。在車載充電機(jī)自檢完成，且無故障的情況下，并且電池組處于可充電狀態(tài)時，車輛控制裝置閉合開關(guān)S2。供電控制裝置再次通過檢測點(diǎn)1的電壓值來判斷車輛是否準(zhǔn)備就緒。如滿足要求，則進(jìn)入充電電流設(shè)定及正常充電流程。
3、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方案
系統(tǒng)框圖如圖二：
圖二：交流充電控制盒系統(tǒng)方框圖
系統(tǒng)由主控單元、輸出控制電路、電壓、電流及CP采樣電路、CP產(chǎn)生電路及開關(guān)電源等組成。
開關(guān)電源提供控制盒單板供電電源，主控單元實(shí)現(xiàn)對充電槍連接辨識、充電過程的監(jiān)測、保護(hù)功能的實(shí)現(xiàn)、模擬采樣值的處理等。
CP產(chǎn)生電路產(chǎn)生占空比可控的CP方波，并經(jīng)充電槍線輸出，和車載充電機(jī)進(jìn)行充電槍連接確認(rèn)、充電辨識等。CP采樣電路采集車輛控制裝置中“S2”導(dǎo)通前及導(dǎo)通后的CP信號幅值，采樣值進(jìn)主控單元AD口，參與充電邏輯控制。
RS485電路是實(shí)現(xiàn)控制盒和觸摸屏的通訊接口電路，此功能為預(yù)留設(shè)計(jì)。
4、控制系統(tǒng)單元電路
4.1、主控制器的選擇
主控芯片采用ST的STM32F103RCT6微處理器，該系列使用ARM® 32-bit Cortex®-M3 CPU內(nèi)核，工作頻率為72MHZ，包含3路12位的AD，51路通用GPIO口，5路USART，1路CAN，4個多用定時器，3路SPI，滿足本方案的功能需求。
4.2、通訊接口電路
交流充電控制盒以家用為主，需重點(diǎn)考慮經(jīng)濟(jì)性及維護(hù)便利。從后期維護(hù)的角度出發(fā)，我們預(yù)留了一路RS485通訊電路，作為外接顯示屏的通訊接口。
電路原理圖如圖三：
圖三：RS485通訊電路
電路采用非隔離方案，外圍器件少，成本低。RS485芯片采用市場應(yīng)用成熟的MAX485。在輸入信號RX及TX上增加對地濾波電容，總線增加上下拉以及鉗位雙向TVS管，確保電路通訊的穩(wěn)定性。
4.3、控制導(dǎo)引實(shí)現(xiàn)電路
控制導(dǎo)引電路完成充電前控制盒與電動汽車的連接確認(rèn)，以及充電過程中可充電電流的設(shè)置、充電過程的監(jiān)測、車輛控制裝置發(fā)送充電停止信號等。
電路實(shí)現(xiàn)原理如圖四：
圖四：控制導(dǎo)引電路
主控單元I/O口輸出“PWM”信號，經(jīng)高速光耦隔離后，控制NPN及PNP三極管的導(dǎo)通及關(guān)斷。當(dāng)“PWM”為高電平時，T1導(dǎo)通，CP信號為上拉+12.5V，當(dāng)“PWM”為低電平時， T1關(guān)斷T2導(dǎo)通，將CP信號下拉至-12.5V。原邊若為1KHZ的方波，則CP輸出頻率為1KHZ，上下電平各為+12.5V，-12.5V的方波。
為避免三極管的Vce的管壓降影響CP信號幅值，將開關(guān)電源的輸出設(shè)置為±12.5V。
4.4、電壓電流采集電路
為實(shí)現(xiàn)充電過程中實(shí)時監(jiān)控充電電壓及充電電流，并實(shí)現(xiàn)漏電流保護(hù)、過流保護(hù)功能等，充電控制盒需采集充電電壓、充電電流及漏電流。
電壓采集電路采用非隔離方式，使用阻抗分壓及雙路差分運(yùn)算放大電路。為防止采集信號超過主控AD口工作電平，在輸出端進(jìn)行0V-3.3V的鉗位。電壓采樣為交流信號，AD口工作范圍是0V-3.3V，需在輸出做3.3V上拉，確保進(jìn)入主控AD口電平始終為0V以上。
電流采用濟(jì)南圣宏的SCT2021A型PCB式霍爾電流傳感器，變比為2000:1，原邊額定電流為20A時，副邊額定輸出為10mA。霍爾采集原邊電流后，后級使用反向運(yùn)放放大器實(shí)現(xiàn)采樣值的濾波、放大、鉗位，送入主控AD口。
漏電流使用零序電流互感器實(shí)現(xiàn)，其監(jiān)控L和N之間的電流差，當(dāng)L和N之間出現(xiàn)電流差時，零序電流互感器采集此差值，并經(jīng)運(yùn)放采集電路放大、濾波、鉗位后，送入主控AD口，由主控進(jìn)行相應(yīng)保護(hù)、故障、報(bào)警等判斷。該零序電流互感器原邊最大采集值為30mA。
5、功率電路
5.1、開關(guān)電源電路
充電控制盒的供電電源采用板載式電源實(shí)現(xiàn)，使用反激式電源拓?fù)洌撏負(fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，外部元器件少，適合低成本應(yīng)用。電源方案使用上海昂寶的OB233F，該芯片內(nèi)部集成MOS，適合應(yīng)用于空間緊湊場合使用。電源電路原理圖如圖五：
圖五：電源電路圖
在電源的設(shè)計(jì)中，我們采用±12.5V輸出，給運(yùn)放、主控單元、繼電器等負(fù)載供電。將+12.5V作為主輸出，反饋由TL431電壓基準(zhǔn)及隔離光耦組成。
5.2、輸出控制
控制盒采用繼電器控制輸出，額定參數(shù)為35V/250VAC，線圈電壓為12V。繼電器驅(qū)動采用光耦隔離，驅(qū)動電路采用NPN三極管推動，實(shí)現(xiàn)方式如圖六：
圖六：繼電器驅(qū)動及急停保護(hù)電路
上圖中，開關(guān)“K3”為安全防護(hù)電路中的急停按鈕設(shè)置，上圖中的狀態(tài)為急停按下，K3斷開的狀態(tài)。正常狀態(tài)下，急停按鈕處于釋放狀態(tài)，K3閉合，繼電器RY1線圈供電通路導(dǎo)通，主控單元控制繼電器吸合，實(shí)現(xiàn)充電電流的輸出。
若出現(xiàn)異常，按下急停按鈕，K3斷開，繼電器RY1線圈供電通路斷開，切斷充電電流。實(shí)現(xiàn)故障下快速停機(jī)。
6、軟件設(shè)計(jì)
6.1、主控程序
主控程序的充電流程，需符合國標(biāo)GB/T18487.1-2015。程序流程圖如下：
圖七：主控程序充電流程
控制盒通過CP信號幅值及頻率與車載充電機(jī)完成物理連接辨識、充電參數(shù)設(shè)置等。并在充電過程中接收外部故障報(bào)警信息，包括插頭過溫、過壓過流等，收到報(bào)警信息后，中斷充電并下發(fā)充電終止給車載充電機(jī)。
7、實(shí)驗(yàn)
為了驗(yàn)證方案的正確性，制作了一臺線纜式交流充電控制盒。并實(shí)際給江淮IEV5電動車進(jìn)行充電實(shí)驗(yàn)。實(shí)測證明，控制盒可以和車載充電機(jī)進(jìn)行連接確認(rèn)及充電識別，可正常充電。充電電流為16A。充電電壓及充電電流波形如下：
圖八：充電電壓及充電電流波形
8、結(jié)語
本文分析了基于國標(biāo)GB/T18487.1-2015中充電模式2下連接方式B要求的交流充電控制盒的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，實(shí)際充電效果較好，可作為隨車充電裝置使用。
參考文獻(xiàn)：
[1] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn). 電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第1部分：通用要求
GB/T 18487.1-2015.2016.1.1
[2] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn).電動汽車傳導(dǎo)充電用連接裝置 第2部分：交流充電接口
GB/T 20234.2-2015. 2016.1.1.
[3] 千濤．電動汽車充電樁的控制系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)l-J]．湖北電力.2011.35(1)：11-12．
[4] 周航慈，吳文廣．基于嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)技術(shù)［Ｍ］．北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006
[5] 胡超，張華，羅偉明，等．電動汽車直流充電系統(tǒng)研究［Ｊ］．華東電力，
2009,37（10）：1483-1486
[6] 畢恩興．純電動汽車實(shí)驗(yàn)臺架用直流電源穩(wěn)壓控制器設(shè)計(jì)［Ｊ］．電子設(shè)計(jì)工程，2011（20）：188-192
本文是中國充電樁協(xié)會會員（武漢合康智能電氣有限公司）投稿，《現(xiàn)在充電樁》雜志整理編輯。轉(zhuǎn)載請注明來源！
