簡(jiǎn)述新能源汽車(chē)充電設(shè)備設(shè)計(jì)中的常見(jiàn)問(wèn)題

單位：浙江巨磁智能技術(shù)有限公司 作者：劉俊鵬

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，環(huán)保、能源等相關(guān)問(wèn)題越來(lái)越多，加速新能源等可再生能源技術(shù)的發(fā)展是當(dāng)下解決這些問(wèn)題的關(guān)鍵路徑。在這種大環(huán)境下，新能源汽車(chē)因其零排放、用車(chē)成本低等優(yōu)點(diǎn)而廣受客戶(hù)的好評(píng)，其發(fā)展十分迅猛，相應(yīng)地帶動(dòng)了新能源汽車(chē)隨車(chē)充電槍IC-CPD以及交流充電樁的發(fā)展。

安全性和可靠性是充電設(shè)備設(shè)計(jì)中的重中之重。如果設(shè)備的安全性設(shè)計(jì)沒(méi)有經(jīng)過(guò)考慮充分，風(fēng)險(xiǎn)性及失效分析不足，達(dá)不到相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)要求，就不能夠稱(chēng)的上是一款合格的產(chǎn)品，更不能投入到實(shí)際的生產(chǎn)與使用中。

在充電設(shè)備的研發(fā)中，研發(fā)工程師必須嚴(yán)格按照相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，如：GB/T 18487.1-2015《電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第1部分：通用要求》、NB/T 42077-2016充電的纜上控制與保護(hù)裝置（IC-CPD）、NB/T 33008GB/T18487.2-2017《電動(dòng)車(chē)輛傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第2部分：非車(chē)載傳導(dǎo)設(shè)備電磁兼容性要求》等，確保充電槍產(chǎn)品功能的穩(wěn)定性以及安全性。本文將分享一些在充電槍和充電樁設(shè)計(jì)過(guò)程中的問(wèn)題點(diǎn)，幫助大家了解充電設(shè)備需要滿(mǎn)足哪些與安全性相關(guān)的設(shè)計(jì)要求。

模擬車(chē)端二極管短路的檢測(cè)回路

在歐標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)：《IEC61851-1：2017 Electric vehicle conductive charging system-Part 1：General requirements》中要求確認(rèn)電動(dòng)汽車(chē)供電設(shè)備檢測(cè)到的系統(tǒng)狀態(tài)。交流充電控制導(dǎo)引電路的狀態(tài)主要分為4種，狀態(tài)1、狀態(tài)2、狀態(tài)3和狀態(tài)0。在狀態(tài)1時(shí)，CP信號(hào)檢測(cè)到的PWM波的電平為12V，表示設(shè)備已上電，未與電動(dòng)汽車(chē)連接。在狀態(tài)2時(shí)，CP信號(hào)檢測(cè)到的PWM波的電平為9V，表示設(shè)備與電動(dòng)汽車(chē)連接完成。在狀態(tài)3時(shí)，CP信號(hào)檢測(cè)到的PWM波的電平為6V，表示電動(dòng)汽車(chē)端準(zhǔn)備就緒，可以開(kāi)始充電。狀態(tài)0指CP信號(hào)檢測(cè)到非12V、9V、6V的電平，此時(shí)處于異常狀態(tài)，設(shè)備應(yīng)不允許充電。

圖1：IEC61851-1：2017 Table A.4中的要求

圖2：IEC61851-1：2017 A2.2典型的控制導(dǎo)引回路

結(jié)合圖1中標(biāo)準(zhǔn)的說(shuō)明，在閉合電動(dòng)汽車(chē)供電設(shè)備的開(kāi)關(guān)之前，至少要檢測(cè)一次PWM信號(hào)是否處于-12V時(shí)的狀態(tài)，確認(rèn)車(chē)端的二極管是否存在。所以需要對(duì)新能源汽車(chē)的車(chē)端二極管進(jìn)行檢測(cè)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，需要CP信號(hào)檢測(cè)能夠檢測(cè)到電壓的負(fù)半波，目的是為了確認(rèn)充電的負(fù)載是新能源汽車(chē)，新能源汽車(chē)負(fù)載是存在二極管的，所以可以通過(guò)檢測(cè)二極管狀態(tài)來(lái)確認(rèn)負(fù)載的類(lèi)型。若車(chē)端的二極管正常，檢測(cè)到的CP信號(hào)負(fù)半波為12V，若車(chē)端的二極管短路，正負(fù)半波是一樣的。充電槍插槍時(shí)，CP信號(hào)要能夠檢測(cè)到-12V的信號(hào)，二極管短路時(shí)，插槍檢測(cè)到的信號(hào)應(yīng)該是-9V。

一般采樣電路均為單端電路，采樣范圍僅包含正電壓，沒(méi)有辦法采樣負(fù)電壓。只能把負(fù)電壓轉(zhuǎn)換成正電壓才能夠進(jìn)行采集。一種負(fù)電壓采樣方法是用運(yùn)放搭建一個(gè)反相器，把負(fù)電壓進(jìn)行反轉(zhuǎn)之后再對(duì)它進(jìn)行采樣。

圖3：針對(duì)車(chē)端二極管檢測(cè)要求搭建的檢測(cè)回路（僅供參考）

目前，只有歐標(biāo)IEC61851的標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)車(chē)端二極管檢測(cè)有明確的要求，國(guó)標(biāo)目前還沒(méi)有對(duì)此有提出相關(guān)的要求，未來(lái)可能也會(huì)對(duì)此做出明確的要求，所以在設(shè)計(jì)歐標(biāo)的充電設(shè)備時(shí)，要特別注意，一定要有檢測(cè)車(chē)端二極管短路的功能。

漏電自檢功能

為了防止漏電流傳感器自身失效，所以漏電流傳感器必須具有自檢功能，自檢確認(rèn)器件本身能夠正常工作。目前，國(guó)標(biāo)和歐標(biāo)均對(duì)漏電流有自檢的功能要求。只有自檢通過(guò)，才可以觸發(fā)觸頭閉合。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)自檢的要求有：（1）在通電后，無(wú)論裝置處在充電狀態(tài)還是待充電狀態(tài)，在10分鐘之內(nèi)必須漏電自檢一次。（2）如果在過(guò)去的10分鐘之內(nèi)已經(jīng)進(jìn)行了自檢試驗(yàn)，則在上電或連接到車(chē)輛時(shí)，不需要另外再進(jìn)行自檢，即不要求每10min進(jìn)行一次自檢試驗(yàn)。

圖4：標(biāo)準(zhǔn) GB/T41589-2022中對(duì)漏電流自檢的要求

圖5：標(biāo)準(zhǔn)IEC62752中對(duì)漏電流自檢的要求

結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)中的要求，較為合理的漏電自檢功能的邏輯為：

（1）充電槍上電后自檢一次，每次插槍后再自檢一次，自檢成功后，再閉合繼電器。

（2）充電過(guò)程中不需要進(jìn)行自檢。

（3）自檢的時(shí)間可以超2s。

綜上，不管是設(shè)計(jì)國(guó)標(biāo)還是歐標(biāo)的充電設(shè)備產(chǎn)品時(shí)，都應(yīng)該滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)漏電流自檢功能的要求。

繼電器粘連檢測(cè)

新能源汽車(chē)隨車(chē)充和交流充電樁均要具備輸出繼電器觸點(diǎn)粘連檢測(cè)的功能。即充電設(shè)備給新能源汽車(chē)充電前，需要實(shí)時(shí)確認(rèn)輸出繼電器是否有觸點(diǎn)粘連的故障，如果有，則需要發(fā)出告警指示禁止設(shè)備給汽車(chē)充電，來(lái)確保用戶(hù)充電時(shí)的使用安全。

繼電器觸點(diǎn)粘連與繼電器動(dòng)作時(shí)的電弧故障有關(guān)。在上電或充電過(guò)程中過(guò)載或遇到?jīng)_擊負(fù)載的時(shí)候，電流會(huì)突然增大，達(dá)到甚至超過(guò)輸出繼電器的響應(yīng)整定值，會(huì)使繼電器進(jìn)行響應(yīng)，閉合其觸點(diǎn)，接通電路中的電磁執(zhí)行器件（繼電器線(xiàn)圈或脫扣線(xiàn)圈）。在脫扣線(xiàn)圈響應(yīng)斷電的一瞬間，由于電磁感應(yīng)作用，線(xiàn)圈會(huì)引起瞬間高電位，與電源電壓疊加在保護(hù)電路中的電器元件的觸點(diǎn)兩側(cè)，導(dǎo)致電弧拉弧，產(chǎn)生粘連的現(xiàn)象。繼電器粘連后，容易出現(xiàn)充電啟動(dòng)失敗或充電完成后拔槍時(shí)報(bào)故障的情況。

最新的IC-CPD標(biāo)準(zhǔn)GB/T 41589-2022中也增加了對(duì)觸點(diǎn)粘連檢測(cè)的要求：觸頭短接，應(yīng)使IC-CPD不能進(jìn)行充電，對(duì)任何觸頭都要能夠進(jìn)行檢測(cè)。

圖6：標(biāo)準(zhǔn)GB/T 41589-2022中對(duì)粘連檢測(cè)的要求。

標(biāo)準(zhǔn) NB/T 33008.2-2018中也有對(duì)交流充電樁觸點(diǎn)粘連檢測(cè)的要求，但并未對(duì)檢測(cè)方式有明確的要求。

圖7：NB/T 33008.2-2018中觸點(diǎn)粘連檢測(cè)的要求

為了解行業(yè)內(nèi)廠家對(duì)于繼電器觸點(diǎn)粘連檢測(cè)功能的設(shè)計(jì)情況，在此調(diào)研了市面上正在進(jìn)行銷(xiāo)售的國(guó)標(biāo)充電樁產(chǎn)品。這里主要選取了幾款主流充電樁品牌：摯*、聯(lián)*、奧*、極*、公*、華*。

圖8：各家充電樁的繼電器觸點(diǎn)粘連檢測(cè)統(tǒng)計(jì)

可以從上圖看出，華*和極*的充電樁選擇了安全系數(shù)更高、設(shè)計(jì)難度更大、硬件成本更高的單路繼電器粘連檢測(cè)方式，摯*、公*、奧*則選擇了雙路的繼電器粘連檢測(cè)方式。

通過(guò)和幾家不同的檢測(cè)機(jī)構(gòu)溝通了解到，目前對(duì)繼電器粘連檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)也有所不同。例如以國(guó)標(biāo)樁認(rèn)證為主的機(jī)構(gòu)認(rèn)為：繼電器粘連檢測(cè)，標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有明確規(guī)定一定要單路還是雙路檢測(cè)，這兩種設(shè)計(jì)都沒(méi)有問(wèn)題；而以歐標(biāo)出口樁為主的認(rèn)證機(jī)構(gòu)則認(rèn)為：標(biāo)準(zhǔn)中要求對(duì)單路和雙路兩種檢測(cè)方式都需要進(jìn)行測(cè)試，既要能對(duì)雙路觸點(diǎn)粘連進(jìn)行檢測(cè)，也要能對(duì)單路觸點(diǎn)粘連進(jìn)行檢測(cè)。

所以對(duì)繼電器觸點(diǎn)粘連檢測(cè)方案的選擇，要根據(jù)實(shí)際條件，結(jié)合方案設(shè)計(jì)及成本等多方面因素進(jìn)行考量。

四、CE傳導(dǎo)測(cè)試、CPT端口的騷擾電壓測(cè)量

充電設(shè)備自身的電磁兼容問(wèn)題也成為其安全性的重要部分之一。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，往往遇到問(wèn)題最多的是CE傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試及CPT端口的騷擾電壓測(cè)量，本文將結(jié)合《GB/T 18487.2電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電系統(tǒng)第2部分：非車(chē)載傳導(dǎo)供電設(shè)備電磁兼容要求》標(biāo)準(zhǔn)中的內(nèi)容，對(duì)充電設(shè)備的CE測(cè)試和CPT測(cè)試進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹。

CE：Conducted Emissions傳導(dǎo)發(fā)射，指一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體（電源線(xiàn)、信號(hào)線(xiàn)、控制線(xiàn)等）傳播電磁噪聲能量的過(guò)程。

CPT端口：Conductive Power Transferport傳導(dǎo)電能傳輸端口，由于傳導(dǎo)電能傳輸?shù)碾妱?dòng)汽車(chē)供電設(shè)備的電力輸出端口，該端口傳輸?shù)蛪夯蛑绷麟娔艿匠潆娤到y(tǒng)的次級(jí)裝置，并提供所需的信號(hào)/控制和通訊功能。

在GB/T 18487.2第2部分中，對(duì)CE和CPT測(cè)試的要求和條件規(guī)定如下。

圖9：CE傳導(dǎo)的峰值及平均值限制要求

圖10：GB/T18487.2中對(duì)CPT端口的騷擾電壓測(cè)量定義

圖11：輸出端CPT-電源端口傳導(dǎo)發(fā)射限值要求

在充電樁的設(shè)計(jì)中，最常出問(wèn)題的地方就是CE傳導(dǎo)發(fā)射測(cè)試。CE測(cè)試Fail的原因和很多地方都有關(guān)系，比如設(shè)計(jì)初期的PCB layout、變壓器的漏感產(chǎn)生的干擾、開(kāi)關(guān)電源部分產(chǎn)生的干擾等。下面結(jié)合實(shí)例，分享一下解決CE測(cè)試不過(guò)的心得和方法。

圖12：CE傳導(dǎo)測(cè)試不合格波形

圖13：CE傳導(dǎo)測(cè)試整改后波形

針對(duì)第一次CE測(cè)試的波形結(jié)果，基本可以定位在開(kāi)關(guān)電源部分的濾波回路上，主要是共模和差模的干擾。150kHz-1MHz，以差模為主，1MHz-5MHz，差模和共模共同起作用，5MHz以后基本上是共模。差模干擾分容性耦合和感性耦合。用一個(gè)電阻串個(gè)電容后再并到Y(jié)電容的引腳上，用示波器測(cè)電阻兩引腳的電壓可以估測(cè)共模干擾大小。

針對(duì)差模干擾的整改對(duì)策：

（1）增大X電容的容值。

（2）增大共模電感感量，利用其漏感，抑制差模噪聲。（共模電感有雙線(xiàn)并繞或雙線(xiàn)分開(kāi)繞制等幾種繞線(xiàn)方式。，不管哪種繞法，由于繞制不緊密、線(xiàn)長(zhǎng)差異等情況，肯定會(huì)出現(xiàn)漏磁現(xiàn)象，即一邊線(xiàn)圈產(chǎn)生的磁力線(xiàn)不能完全通過(guò)另一線(xiàn)圈，這使得L-N線(xiàn)之間有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，相當(dāng)于在L-N之間串聯(lián)了一個(gè)電感）

（3）將PWM線(xiàn)路中的元件的主頻調(diào)到60kHz左右。

針對(duì)共模干擾的整改對(duì)策：

（1）加大共模電感感量。

（2）調(diào)整L-GND，N-GND上的LC濾波器參數(shù)，濾掉共模噪聲。

（3）P板盡可能接地，減小對(duì)地阻抗，從而減小線(xiàn)纜與大地的寄生電容。

（4）可以用一塊銅皮緊貼在變壓器磁芯上。

所有的充電樁及隨車(chē)充設(shè)備都需要進(jìn)行EMC檢測(cè)。產(chǎn)品的EMC性能是設(shè)計(jì)階段賦予的。一般電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)如果不考慮EMC因素，就會(huì)很容易導(dǎo)致EMC測(cè)試失敗，以致不能通過(guò)相關(guān)EMC法規(guī)的測(cè)試或認(rèn)證，產(chǎn)品也無(wú)法量產(chǎn)上市進(jìn)行銷(xiāo)售。所以在設(shè)計(jì)初期一定要充分考慮到EMC測(cè)試的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)行規(guī)避，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)進(jìn)行評(píng)估及失效分析。

五、結(jié)語(yǔ)

MAGTRON公司推出的滿(mǎn)足最新IC-CPD漏電流檢測(cè)要求的產(chǎn)品，該系列產(chǎn)品為B型漏電流傳感器，基于MAGTRON自主研發(fā)的iFluxgate芯片，輸出脫扣信號(hào)，對(duì)于不同的漏電成分都能夠進(jìn)行檢測(cè)，能夠完全滿(mǎn)足IEC62752的漏電保護(hù)要求，產(chǎn)品可以完全覆蓋3.3kW、7kW單相IC-CPD和22kW三相IC-CPD的應(yīng)用場(chǎng)景，相比傳統(tǒng)的漏電流傳感器更可靠、更靈敏、更安全。

圖14 MAGTRON符合國(guó)標(biāo)、歐標(biāo)、美標(biāo)的漏電傳感器

參考文獻(xiàn)：

1.IEC 62752-2018 In-cable control and protection device for mode 2 charging of electric road vehicles (IC-CPD)。

2. GB/T 18487.1-2001《電動(dòng)車(chē)輛傳導(dǎo)充電系統(tǒng)一般要求》。

3. IEC 61851-1：2017《電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電系統(tǒng)》。

4.《EV charging - electrical installation design - ElectricalInstallation Guide》。

5.《GB/T 18487.2電動(dòng)汽車(chē)傳導(dǎo)充電系統(tǒng)第2部分：非車(chē)載傳導(dǎo)供電設(shè)備電磁兼容要求》

審核編輯 黃宇