电动汽车交流充电导引电路的设计与实践

周晓俊

（南京康尼科技实业有限公司，江苏 南京 210000）

电动汽车交流充电导引电路的设计与实践

周晓俊

（南京康尼科技实业有限公司，江苏 南京 210000）

近年来，随着国家对节能减排项目的政策与扶持力度加大，汽车行业对纯电动汽车的研发脚步已明显加快，如何确保安全充电已经成为各主机厂尤为重视的课题。同时也是各个充电接口制造单位研发的重点。本文简要介绍了国内外交流充电的发展和现状。并结合中国电动汽车行业的实践现状，对其中的慢充方式如何确保安全充电的设计细节做了简要描述。

交流充电装置；安全；应用

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

前言

按照国家标准GB/T20234.1-2011《电动汽车传导充电用连接装置 第1部分 通用要求》的标准定义，电动汽车充电一般分为交流充电和直流充电两种。交流充电可分为三种充电模式，其中模式一充电方式的主要结构是三眼插头供电，并直接接入标准传导充电连接装置，对电动汽车进行供电；模式二充电方式的主要结构是在模式一的基础上，增加了安全保护装置，包括漏电、过载、过/欠电压、未接地检测等安全措施；前两种充电方式主要是针对供电侧使用了符合GB 2099.1标准家用型三眼插头供电与充电，而模式三充电方式主要是针对公共区域的交流充电桩供电与充电。本文主要针对充电模式二方式的供电与充电做电气安全设计与实践方面的介绍。

1、交流充电模式二充电装置的设计理念

真正意义上的电动汽车的发展与推广主要集中在近几年，而其配套的充电设施或基础建设并不健全，特别是公用交流充电装置，远不如象燃油汽车配套的加油站那样普及和覆盖，其中的主要原因是电动汽车的充电时间要比燃油汽车的加油时间长很多；供电充电桩与车载充电机之间的交互方式、通讯协议还没有统一或标准支撑，无法完成社会公共区域充电的计费与安全；中国家庭住宅的基础建设与供电配套也很不完善，造成具备计费功能的公用充电桩设施的普及性和完善还有很长一段路要走。

在这种基础设施不完善的背景下，各主机厂依然热情高涨的开发新能源汽车产业，充分说明国家和人们已经意识到燃油动力汽车对自然环境所造成的巨大影响和后果，那就必须大力推广新能源汽车，这也给如何制造适合家用的、安全可靠充电设施带来了巨大的契机。交流充电模式二充电装置是一款适合家用的，且具有高度安全保护功能的、但无需计费的交流充电设施，产品设计中充分考虑到电动汽车车载充电机在充电过程中的电流、电压、功率等电气特性，设置了包括漏电保护、过载保护、短路保护、接地检测等主要功能。交流充电模式二充电装置是电动汽车外部的关键零组件，为电动汽车运行的可靠运行和安全提供了保证。

作为家用型的电动汽车充电装置，其应用人群多为普通民众，而非专业人士操作，其安全性、可靠性是产品设计首要重视与考虑的因素。作为家用型的电动汽车模式二充电装置，必须设计漏电保护装置，防止因装置本身使用不当、或导体破损等非正常因素造成使用过程中存在的漏电现象对人体的伤害；电动汽车的充电过程往往在上班期间或夜间进行，一般不会有人值守，在充电过程可能存在电网波动、包括电压或电流的波动，因此也必须具备过载保护，防止长时间、过电流工作，国内使用的家用型交流插座能够承载的电流是有限的（一般为10A/16A两种）；不管是燃油汽车还是电动汽车，并没有真正的接地措施，其充电过程中的安全接地也是必不可少的设计要素。电动车若想与其它车辆并驾齐驱，安全充/放电是所有设计中必须考虑的首要任务。

2、交流充电模式二装置的导引电路设计与实践

根据GB/T20234《电动汽车传导充电用连接装置 第2部分 交流充电接口》中关于交流充电模式二的设计要求，并结合目前国内主机厂的电气安全、电磁兼容等性能要求，我司研制的交流充电模式二装置的控制电路包括：主控制回路及电源、漏电保护回路、过电流检测回路、接地检测、火零错相检测等部分组成。CPU选用美国MICROCHIP公司的PIC系列芯片。另外控制电源采用技术成熟的开关电源，并在电源的初级使用差模电感和共模滤波器来抑制和减缓电源电路中干扰和冲击。交流充电模式二的电气系统框图如图1：

以下就各组成部分做简要的设计分析。

2.1 主控制回路及电源

主回路主要由两只继电器及其驱动电路组成，电气原理图如图2，MCU输出控制信号YK_OUT，连接到 Q1和U14的驱动电路的输入端，分别驱动火线控制继电器K1和零线控制继电器K2。此两只继电器的线圈电压分别为±12V，其优点是可以使供电电源平衡输出。

2.2 漏电保护、过电流保护回路

分别通过两只电流互感器检测漏电流和过电流。漏电检测回路含有自检功能，在产品上电初期，先通过电阻模拟产生漏电电流，模拟漏电流信号传递到MCU，检验漏电流检测回路的硬件是否正常。正常工作时，若装置存在漏电流，则漏电流传感器将漏电流按比例输出，并通过R1电阻，转换为电压信号，再通过运放U1B将电压信号放大传送至MCU，由MCU对信号进行测量,并与漏电流动作整定阀值（设定为25±5mA）进行比较，如果超过动作整定值则单片机输出控制信号使主回路K1、K2切断供电，并在显示电路显示故障类型。电流检测电气原理图如图3。过电流检测回路原理同上，这里不在赘述。

在实际搭载试验中，我们也检测到了来自车端的车载充电机的高频信号，这与车载充电机使用了的变频技术不无关系，采用变频技术容易产生零相序干扰，这种干扰往往会造成充电装置的不稳定或误动作，因此在各种模拟量检测回路及运放电路中，均加入了低通滤波电路，本次设计结合实际状况，电流检测回路采用了RC滤波电路，如图3中的Rw、Cw和运放U1B构成了一阶低通滤波电路，在计算参数时，先设定低通截止频率fw，并根据频率与阻容的关系公式如下：

计算出相关阻容参数数值。

2.3 电压检测回路

目前，我国各地区电网的稳定性不尽一致，有些地区，特别是偏远地区的电网并非优质电网。过高或过低的电压对于车载充电机的输入可能造成较大的影响，因此在电气设计中增加了过/欠压保护功能，其电气原理图如图4：

上述电压检测、电流检测中均采用互感器采样，对于其采样精度控制，也是设计中重点考虑的。本次设计结合主机厂的要求及器件选用的经济性，选用的PIC系列芯片的AD分辨率为10位，而其基准电压为5V，则每单位的精度为5/210=5mV，可以满足可主机厂的精度要求。

2.4 接地检测与火零错相检测

电气原理图如图5。接地检测和火/零检测功能是采用电阻分压的方式，接地检测是检测火零对地之间的取样电压，并经过D1整流，DZ1稳压后送入CPU比较，若未接地，则YX0电压为悬浮电压，直接可以判定，从而控制主继电器K1、K2及故障指示的输出；若输入电源存在火零错相，YX1输出电压为零，从而判断出火零错相，并根据需要控制主回路输出。

2.5 PWM输出功能

PWM输出功能是GB/T20234.2中明确要求的功能，其作用是通过脉冲输出的方式与车载充电机建立握手通讯。即在其它条件满足的情况下，车载充电机一旦接受到来自充电装置的直流脉冲信号，即发出允许充电指令，并通过改变脉冲信号的有效电平，反馈到充电装置中，一旦充电装置接受到反馈回的有效脉冲电平，立即控制主继电器K1、K2接通，将电网电压输送到车载控制器的输入端。本次设计中，考虑到此脉冲频率较低，（1kHz），所设计的脉冲发生器由两只光电耦合器交替输出完成：即由MCU发出的PWM信号，控制外围电路中U7、U8光耦器件的翻转，从而输出脉冲信号。并将回采的脉冲信号返回到MCU中与基准脉冲信号进行比较与整定。PWM输出电路的电气原理图如图6：

3、展望

电动汽车交流充电模式二充电装置是新兴行业的新事物。经过理论设计与实践搭载之间的不断磨合与校验，我司研制与开发的交流充电模式二装置已经在国内几大主机厂的不同的纯电动或混合动力车型搭载成功，部分车厂已经进入量产交货阶段，还有部分车厂也进入了路试阶段。针对下一代产品的研发，我司已经导入新的构思雏形，将侧重终端用户的识别与体验。从外观造型、人机交互、温度监控、远程调试等方面，对该交流充电装置进行根本性的升级换代。并将秉承深入研究、持续改善的设计理念，与各大主机厂密切配合，齐心协力推动电动汽车零部件行业的的不断前进。

[1] 《PIC系列单片机开发实例精解》 孙安青 中国电力出版社2011.03.

[2] 《嵌入式硬件系统接口电路设计》魏伟等，化学工业出版社.

[3] GB/T20234.1-2011《电动汽车传导充电用连接装置 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

周晓俊，电气设计工程师，就职于南京康尼科技实业有限公司。