（石家庄科林电气股份有限公司 河北石家庄 050222）
摘要：为了解决目前交流充电桩与电动汽车不能相互识别及恶劣环境下互联互通性差的问题，首先对目前常用交流充电桩控制导引电路存在的问题进行分析，针对存在的问题提出了光耦输出PWM波形矫正策略、推挽电路优化策略、等效电阻优化策略、电气隔离EMC防护策略。通过优化策略能有效提高了控制导引电路信号上升/下降时间、占空比公差、检测点1电压以及等效内阻等参数性能，防止因器件老化、环境变化、电磁干扰等原因引起的充电桩与汽车不能可靠互联充电。提出的控制导引优化策略对控制导引电路参数有很大的改善，具有较好的实用性。
关键词：交流充电桩；控制导引电路；光耦输出PWM波形矫正；推挽电路优化；等效电阻优化；电气隔离EMC防护
The optimization strategies of control guide circuit in AC charging pile
Dong Lei1，Chen He1，Gao Shengguo1，Guo Jia1
（1.Shijiazhuang KeLin Electric Co.，Ltd，Shijiazhuang 050222，China）
Abstract：In order to solve the problem of mutual recognition of AC charging pile and electric vehicle 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，prevent due to component aging，environmental changes，electromagnetic interference causes charging points and vehicles do not reliably interconnected.The proposed optimization strategy has a great improvement on the parameters of the control guide circuit and has good practicability.
Keywords：AC charging pile；control guide circuit；optical coupling output PWM waveform correction；push-pull circuit optimization；equivalent resistance optimization；electrical isolation EMC protection.
0 引言
随着全球经济飞速发展，能源快速消耗、生态环境日益恶化，能源安全及可持续发展已经成为人类未来发展面临的首要问题[7]。为了提高能源利用率、降低环境污染，我国加大电动汽车的推广力度，2016年底，我国新能源汽车的产量突破50万辆，保有量超过100万辆，在全球的占比达到了百分之五十[8]。充电桩作为电动汽车配套充电设施，2016年全国充电桩拥有量已达到近20万台，其中私人乘用车充电桩安装比例已提高到80%以上，为配合电动汽车的推广，2017年我国将力争新增充电桩数量达到80万台，其中专用桩70万台，公共桩10万台[9]。其中交流充电桩体积小、安装灵活、对供电系统要求低，适用于家庭乘用车，装机量比较大。
根据国家标准GB/T 18487.1-2015电动汽车传导充电系统第一部分：通用要求，交流充电桩控制导引是实现车与桩信息交互的唯一途径，充电桩通过控制导引获取充电接口的连接状态和汽车给出的启/停信号，电动汽车通过控制导引获取充电接口的连接状态、充电桩输出功率以及充电桩给出的启/停信号，在整个充电周期内控制导引时刻保证车和桩信息互通[2-3]。国家标准对控制导引电路参数做了具体要求，其中输出PWM频率、PWM占空比公差、信号上升/下降时间、R1等效电阻、检测点1电压是车与桩能否可靠互联的关键参数。
目前市场上车与桩不能相互识别及互联互通性差的问题比较突出，主要原因是控制导引电路的设计存在缺陷，在恶劣环境下长期运行控制导引电路性能下降加之外界干扰导致车和桩不能匹配充电。本文提出了交流充电桩控制导引电路的优化策略，有效提高控制导引电路参数性能，增加抗干扰性，对充电桩与电动汽车互联互通以及安全可靠充电具有一定的现实意义。
1 控制导引工作原理
交流充电模式3连接方式B的控制导引电路原理图[2-3]如图1所示。
图1 控制导引电路原理图
Fig.1 Control guide circuit schematic
1.1控制导引充电流程
交流充电桩控制导引启动充电及充满停止的流程如下[14][15]：
Step1：供电接口CC连接确认：充电桩检测到检测点4的电压为V1=0V，说明供电接口CC连接正常。
Step2：供电接口CP连接确认：充电桩检测到检测点1的电压为V2=Vcc*（R3/（R1+R3）），说明供电接口CP连接正常，其中Vcc为+12V直流。
Step3：充电桩启动充电信号：充电桩将CP电源Vcc由+12V直流切换至±12V PWM。
电动汽车启动充电应答信号：电动汽车收到启动充电信号后闭合S2，充电桩检测到检测点1的PWM峰值电压V2=Vcc*（（R2//R3）/（R1+（R2//R3））），闭合接触器K1和K2开始充电。
Step4：电动汽车充满信号：电动汽车充满时断开S2。
充电桩充满应答信号：充电桩检测到测量点1的PWM峰值电压V2=Vcc*（R3/（R1+R3）），将CP电源Vcc由±12V PWM切换至+12V直流，同时断开接触器K1和K2停止充电。
Step5：供电接口CP断开确认：充电桩检测到检测点1的电压为V2=Vcc，说明供电接口CP已断开，其中Vcc为+12V直流。
Step6：供电接口CC断开确认：充电桩检测到检测点4的电压为V1=Vcc，说明供电接口CC已断开，其中Vcc为+12V直流。
1.2控制导引参数要求
控制导引电路参数直接影响充电桩与电动汽车互联互通的兼容性，其中CP输出PWM频率，输出占空比公差，信号上升时间，信号下降时间，R1等效电阻，状态1、2、3监测点1电压是车与桩能否可靠互联的关键参数。控制导引关键参数要求[2-3]如表1所示。
表1中，状态1是充电接口未连接时；状态2是充电接口连接，S1切换到PWM连接状态，R3被检测到；状态3是充电过程中S2闭合。
2 控制导引电路问题分析
国家标准GB/T 20234.2-2011电动汽车传导充电用连接装置第2部分：交流充电接口发布以来，电动汽车交流充电桩经过了多年的技术研究，理论上已经是成熟可靠的充电设备[6][10]，但是目前市场仍普遍存在桩与车不能可靠互联充电的问题。大致分为3种情况：1.新充电桩能够正常充电，运行一段时间后不能正常互联；2.部分车型可以正常充电，有些车型不能正常互联；3.充电过程中异常停止。桩与车不能互联互通或异常停止充电的根本原因在于控制导引电路的设计不合理，在恶劣环境下或存在干扰时不能满足控制导引参数要求，导致车与桩不能相互识别。
目前交流充电桩常用的控制导引电路分为非电气隔离推挽输出和电气隔离推挽输出两种方式如图2、图3所示[12-13]。
图2是目前普遍使用的非电气隔离推挽输出控制导引电路[4][11]。该电路采用比较器将+3.3V PWM转换为±12V PWM，通过±12V PWM来驱动由MOS管Q1和Q2构成的推挽电路，最后通过等效内阻R4输出CP信号。该电路的优点：比较器输出PWM信号失真小，Q1和Q2栅极PWM驱动信号上升沿和下降沿较陡，所以CP输出PWM的频率、占空比公差以及信号上升/下降时间参数性能完全能满足标准要求。
该电路存在两个缺点：1.非电气隔离会将电动汽车充电时的高频干扰或静电通过CP引入CPU弱电区，容易损坏CPU或其它IC器件；2.推挽电路的上桥臂Q1采用N沟道MOS管，下桥臂Q2采用P沟道MOS管，在Q1和Q2导通时，漏极和源极会有0.7V左右的压差，CP输出电压为±11.3V左右，该值在标准要求的临界，在高温/低温或器件性能下降、批次不同时会出现检测点1电压不能满足要求的情况，导致车和桩不能互联充电。
图3 电气隔离推挽输出控制导引电路
Fig.3 electric isolated push-pull output control guidance circuit
图3是目前普遍使用的电气隔离推挽输出控制导引电路[1][5]。该电路采用高速光耦将+3.3V PWM转换为±12V PWM，通过±12V PWM来驱动由晶体管Q1和Q2构成的推挽电路，最后通过等效内阻R3输出CP信号。该电路的优点：采用光电隔离方式将CPU弱电区与电动汽车进行电气隔离，有效降低充电时产生的耦合干扰，提高充电安全可靠性。
该电路存在3个缺点：1.光耦隔离PWM信号会产生失真，主要表现在频率误差大、占空比误差大和上升沿/下降沿时间长。光耦在传输数据时由于光电特性会产生延迟，高速光耦输出信号上升延时和下降延时最大为1μs，此数据的前提条件是发光管电流IF=16mA，R2=1.9KΩ，输出电压摆幅最大为5V，并且温度在25℃的理想情况。控制导引电路要求光耦输出电压±12V最大摆幅24V，上升/下降延时会增加，并且在不同温度下光耦的电流传输比CTR会发生变化，也会引起信号上升/下降延时增大，超过标准规范要求的2μs。信号上升/下降的延时会直接影响频率和占空比公差。2.推挽电路的上桥臂Q1采用NPN晶体管，下桥臂Q2采用PNP晶体管，在Q1和Q2导通时，集电极和发射极会有0.7V左右的压差，CP输出电压为±11.3V左右，该值在标准要求的临界，在高温/低温或器件性能下降、批次不同时会出现检测点1电压不能满足要求的情况，导致车和桩不能互联充电。3.由于高速光耦的电流传输比CTR较小，常用型号典型值为30%，最大值为50%。所以在R2阻值不变情况下，要使光耦的光电接收管饱和导通，需要更大的IF，导致功耗增加。
3 控制导引电路优化策略
针对目前交流充电桩控制导引电路存在的问题，提出了电气隔离推挽输出控制导引电路优化策略。通过PWM波形矫正策略缩短上升沿和下降沿的时间，推挽电路优化策略提高检测点1电压，等效内阻优化策略提高推挽电路的安全性，电气隔离EMC防护策略提高了控制导引的抗干扰能力。电气隔离推挽输出控制导引优化电路如图4所示。
图4 电气隔离推挽输出控制导引优化电路
Fig.4 Electrically isolated push-pull output control guided optimization circuit
3.1光耦输出PWM波形矫正策略
图4中的NPN晶体管Q1和电阻R3、R4构成了光耦输出波形矫正电路。由光耦的光电特性可知光电接收管将发光管光强转换成电流，转换公式：IC=IF*CTR=Ib1+IR4，其中CTR为光耦的电流传输比。Q1为电流控制NPN型晶体管，放大倍数很大，较小的电流Ib1产生较大的电流IR3，当IR3*R3电压达到24V时Q1刚刚饱和，这时A点电压为-12V。即使IF较小，光电接收管不能饱和导通，但是Q1的放大作用也能在A点产生满幅值的负电压，并且晶体管导通速率很快，下降沿的延时很小。R4的作用是对Ib1进行分流，防止Ib1电流太大使得Q1进入深度饱和，进入深度饱和Q1由导通到截止的时间会延长，上升沿的延时会增大。
增加光耦输出矫正电路后，A点的PWM上升/下降延时明显缩短，随着上升/下降延时的缩小信号失真变小，使得占空比的公差也减小，并且IF减小，功耗降低。
3.2推挽电路优化策略
图4中的PNP晶体管Q2，N沟道MOS管Q3以及电阻R4、R5构成了推挽电路优化电路。与传统的推挽电路相比本电路上桥臂采用PNP晶体管下桥臂采用N沟道MOS管的搭配。本电路优化策略包括：1.不论是上桥臂导通还是下桥臂导通，Q2的发射极与集电极压降和Q3的漏极与源极压降几乎为0V，这样能够保证CP输出电压为±12V，完全满足国家标准要求，并且留有较大的降额空间，即使器件老化或温度变化也能达到要求，提高充电可靠性。2.在降低管压降的前提下，如果将Q2和Q3都使用晶体管，即Q2为PNP管，Q3为NPN管。由于两者都为电流控制型晶体管，会有电流通过Q2基极到达Q3基极，使两个晶体管同时导通；如果Q2和Q3都使用MOS管，即Q2为P沟道MOS管，Q3为N沟道MOS管。由于两者都为电压控制型MOS管，24V电压会加到Q2栅极和Q3栅极，使两个MOS管同时导通。采用晶体管和MOS管搭配的方式有效避免了上下桥臂同时导通的问题。3.R4是Q2晶体管的基极限流电阻，防止基极电流太大烧坏晶体管。R5是Q2基极电流Ib2的分流电阻，防止Ib2很大使Q2进入饱和导通，进入饱和导通后会延长Q2的截止时间。
增加推挽电路优化电路后，B点的PWM峰值电压没有任何衰减，CP输出电压为±12V，同时不影响上升/下降延时时间。
3.3等效内阻优化策略
图4中R6和R7为控制导引CP输出的等效内阻，标称阻值1KΩ。与常用控制导引等效电阻位置不同，如图2和图3中等效内阻串联在CP线上，这样存在安全隐患，当推挽电路的驱动信号出现故障后，会使推挽电路的上下桥臂导通，开关管导通时没有限流电阻，会烧坏上下桥臂的开关管。本电路将等效电阻分成两个R6和R7，分别串在Q2的集电极和Q3的漏极，不仅充当等效内阻还起到了限流电阻的作用，即使上下桥臂导通也不会烧坏Q2和Q3。
3.4电气隔离EMC防护策略
图4中的高速光耦U1，瞬态稳压管TV1和磁珠L1构成了控制导引电气隔离EMC防护电路。光耦将CPU弱电区与电动汽车隔离开，防止电动汽车充电时产生的高频干扰耦合到CPU弱电区，影响CPU和其它IC器件的正常工作。瞬态稳压管和磁珠能够有效防止CP线上的静电和高频干扰，对推挽电路和光耦的光电接收管起到了有效的防护作用。
4 结论
本文针对对现有交流充电桩控制导引电路存在的问题进行分析研究，提出了控制导引电路的优化策略。通过光耦输出PWM波形矫正策略、推挽电路优化策略、等效电阻优化策略、电气隔离EMC防护策略，有效提高了控制导引信号上升/下降时间、占空比公差、检测点1电压、以及等效内阻等参数性能，不仅满足标准要求还留出降额空间，防止器件老化、环境变化、电磁干扰等引起参数变化不能匹配充电。对充电桩和电动汽车互联互通、安全可靠充电具有一定的现实意义。
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作者简介：
董磊（1987-），男，硕士研究生，研究方向为电动汽车充电技术；E-mail：donglei5141@163.com
陈贺（1976-），男，硕士研究生，研究方向为电子、通讯及自动化控制；E-mail：chen_he_@ 126.com
高胜国（1980-），男，通信作者，本科，研究方向为电动汽车充电技术；E-mail：46005381@ qq.com
郭佳（1987-），男，硕士研究生，研究方向为电动汽车充电技术；E-mail：guojia198707@ 163.com
论文作者:董磊,陈贺,高胜国,郭佳
论文发表刊物:《电力设备》2018年第5期
论文发表时间:2018/6/12
标签：电路论文; 电动汽车论文; 电压论文; 策略论文; 信号论文; 晶体管论文; 互联论文; 《电力设备》2018年第5期论文;