一种线缆式交流充电控制盒的设计实现

随着经济的发展和科技的进步，能源短缺和环境污染日益成为可持续发展的重要待解决问题。传统的内燃机汽车以石油为动力，消耗了大量的资源，并因大量的尾气排放，造成环境问题。发展以纯电力为动力的电动汽车，是解决能源、环境问题的重要方向。充电桩作为为电动车补充电力、提供能源的基础设施，大力发展充电桩行业，对电动车的普及应用有重要意义。本文研究的线缆式交流充电控制盒，作为电动车随车充电不可或缺的装置，对推动电动汽车进入千家万户有重大意义。

1、交流充电控制盒介绍

交流充电控制盒作为随车携带的交流充电装置，以家庭自主充电、随用随充为主。该装置输入接口为符合GB2099.1和GB1002的插头，输出接口为新国标GB/T 20234.2-2015规定的慢充充电枪。使用市电220V（±15%）作为输入电源，输出10A/16A。具备过温保护、过流保护、漏电流保护、故障紧急停机、充电电流选择等功能。该装置适用于普通纯电动轿车的慢充充电，充满预计6-8小时。

2、交流充电控制盒工作原理

依据GB/T 18487.1-2015，该装置属于充电模式二的连接方式B充电形式，采用缆上控制与保护装置，使用控制导引电路来作为充电连接装置的连接状态判断和充电电流参数的选择。其典型的控制导引电路如图一：

图一：控制导引电路原理图，依据GB/T 18487.1-2015

控制导引电路工作原理如下：

供电设备插头和插座连接后，供电控制装置通过测量检测点1的电压来判断供电插头与供电插座是否完全连接。

同时车辆控制装置通过测量检测点3与PE之间的电阻值来判断车辆插头与车辆插座是否完全连接。未连接时，S3处于闭合状态，CC未连接，监测点3与PE之间的电阻为无穷大；半连接时，S3处于断开状态，CC已连接，检测点3与PE之间的电阻值为RC+R4；完全连接时，S3处于闭合状态，CC已连接，监测点3与PE之间的电阻值为RC。

如供电设备无故障，并且供电接口完全对接，则开关S1从+12V连接状态切换至PWM连接状态。在车载充电机自检完成，且无故障的情况下，并且电池组处于可充电状态时，车辆控制装置闭合开关S2。供电控制装置再次通过检测点1的电压值来判断车辆是否准备就绪。如满足要求，则进入充电电流设定及正常充电流程。

3、系统实现方案

系统框图如图二：

图二：交流充电控制盒系统方框图

系统由主控单元、输出控制电路、电压、电流及CP采样电路、CP产生电路及开关电源等组成。

开关电源提供控制盒单板供电电源，主控单元实现对充电枪连接辨识、充电过程的监测、保护功能的实现、模拟采样值的处理等。

CP产生电路产生占空比可控的CP方波，并经充电枪线输出，和车载充电机进行充电枪连接确认、充电辨识等。CP采样电路采集车辆控制装置中“S2”导通前及导通后的CP信号幅值，采样值进主控单元AD口，参与充电逻辑控制。

RS485电路是实现控制盒和触摸屏的通讯接口电路，此功能为预留设计。

4、控制系统单元电路

4.1、主控制器的选择

主控芯片采用ST的STM32F103RCT6微处理器，该系列使用ARM® 32-bit Cortex®-M3 CPU内核，工作频率为72MHZ，包含3路12位的AD，51路通用GPIO口，5路USART，1路CAN，4个多用定时器，3路SPI，满足本方案的功能需求。

4.2、通讯接口电路

交流充电控制盒以家用为主，需重点考虑经济性及维护便利。从后期维护的角度出发，我们预留了一路RS485通讯电路，作为外接显示屏的通讯接口。

电路原理图如图三：

图三：RS485通讯电路

电路采用非隔离方案，外围器件少，成本低。RS485芯片采用市场应用成熟的MAX485。在输入信号RX及TX上增加对地滤波电容，总线增加上下拉以及钳位双向TVS管，确保电路通讯的稳定性。

4.3、控制导引实现电路

控制导引电路完成充电前控制盒与电动汽车的连接确认，以及充电过程中可充电电流的设置、充电过程的监测、车辆控制装置发送充电停止信号等。

电路实现原理如图四：

图四：控制导引电路

主控单元I/O口输出“PWM”信号，经高速光耦隔离后，控制NPN及PNP三极管的导通及关断。当“PWM”为高电平时，T1导通，CP信号为上拉+12.5V，当“PWM”为低电平时， T1关断T2导通，将CP信号下拉至-12.5V。原边若为1KHZ的方波，则CP输出频率为1KHZ，上下电平各为+12.5V，-12.5V的方波。

为避免三极管的Vce的管压降影响CP信号幅值，将开关电源的输出设置为±12.5V。

4.4、电压电流采集电路

为实现充电过程中实时监控充电电压及充电电流，并实现漏电流保护、过流保护功能等，充电控制盒需采集充电电压、充电电流及漏电流。

电压采集电路采用非隔离方式，使用阻抗分压及双路差分运算放大电路。为防止采集信号超过主控AD口工作电平，在输出端进行0V-3.3V的钳位。电压采样为交流信号，AD口工作范围是0V-3.3V，需在输出做3.3V上拉，确保进入主控AD口电平始终为0V以上。

电流采用济南圣宏的SCT2021A型PCB式霍尔电流传感器，变比为2000:1，原边额定电流为20A时，副边额定输出为10mA。霍尔采集原边电流后，后级使用反向运放放大器实现采样值的滤波、放大、钳位，送入主控AD口。

漏电流使用零序电流互感器实现，其监控L和N之间的电流差，当L和N之间出现电流差时，零序电流互感器采集此差值，并经运放采集电路放大、滤波、钳位后，送入主控AD口，由主控进行相应保护、故障、报警等判断。该零序电流互感器原边最大采集值为30mA。

5、功率电路

5.1、开关电源电路

充电控制盒的供电电源采用板载式电源实现，使用反激式电源拓扑，该拓扑结构简单，外部元器件少，适合低成本应用。电源方案使用上海昂宝的OB233F，该芯片内部集成MOS，适合应用于空间紧凑场合使用。电源电路原理图如图五：

图五：电源电路图

在电源的设计中，我们采用±12.5V输出，给运放、主控单元、继电器等负载供电。将+12.5V作为主输出，反馈由TL431电压基准及隔离光耦组成。

5.2、输出控制

控制盒采用继电器控制输出，额定参数为35V/250VAC，线圈电压为12V。继电器驱动采用光耦隔离，驱动电路采用NPN三极管推动，实现方式如图六：

图六：继电器驱动及急停保护电路

上图中，开关“K3”为安全防护电路中的急停按钮设置，上图中的状态为急停按下，K3断开的状态。正常状态下，急停按钮处于释放状态，K3闭合，继电器RY1线圈供电通路导通，主控单元控制继电器吸合，实现充电电流的输出。

若出现异常，按下急停按钮，K3断开，继电器RY1线圈供电通路断开，切断充电电流。实现故障下快速停机。

6、软件设计

6.1、主控程序

主控程序的充电流程，需符合国标GB/T18487.1-2015。程序流程图如下：

图七：主控程序充电流程

控制盒通过CP信号幅值及频率与车载充电机完成物理连接辨识、充电参数设置等。并在充电过程中接收外部故障报警信息，包括插头过温、过压过流等，收到报警信息后，中断充电并下发充电终止给车载充电机。

7、实验

为了验证方案的正确性，制作了一台线缆式交流充电控制盒。并实际给江淮IEV5电动车进行充电实验。实测证明，控制盒可以和车载充电机进行连接确认及充电识别，可正常充电。充电电流为16A。充电电压及充电电流波形如下：

图八：充电电压及充电电流波形

8、结语

本文分析了基于国标GB/T18487.1-2015中充电模式2下连接方式B要求的交流充电控制盒的技术实现，实际充电效果较好，可作为随车充电装置使用。

参考文献：

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本文是中国充电桩协会会员（武汉合康智能电气有限公司）投稿，《现在充电桩》杂志整理编辑。转载请注明来源！