隨著經濟的發展和科技的進步，能源短缺和環境污染日益成為可持續發展的重要待解決問題。傳統的內燃機汽車以石油為動力，消耗了大量的資源，并因大量的尾氣排放，造成環境問題。發展以純電力為動力的電動汽車，是解決能源、環境問題的重要方向。充電樁作為為電動車補充電力、提供能源的基礎設施，大力發展充電樁行業，對電動車的普及應用有重要意義。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GB/T 20234.2-2015規定的慢充充電槍。使用市電220V（±15%）作為輸入電源，輸出10A/16A。具備過溫保護、過流保護、漏電流保護、故障緊急停機、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，充滿預計6-8小時。
2、交流充電控制盒工作原理
依據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裝置，使用控制導引電路來作為充電連接裝置的連接狀態判斷和充電電流參數的選擇。其典型的控制導引電路如圖一：
圖一：控制導引電路原理圖，依據GB/T 18487.1-2015
控制導引電路工作原理如下：
供電設備插頭和插座連接后，供電控制裝置通過測量檢測點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，CC未連接，監測點3與PE之間的電阻為無窮大；半連接時，S3處于斷開狀態，CC已連接，檢測點3與PE之間的電阻值為RC+R4；完全連接時，S3處于閉合狀態，CC已連接，監測點3與PE之間的電阻值為RC。
如供電設備無故障，并且供電接口完全對接，則開關S1從+12V連接狀態切換至PWM連接狀態。在車載充電機自檢完成，且無故障的情況下，并且電池組處于可充電狀態時，車輛控制裝置閉合開關S2。供電控制裝置再次通過檢測點1的電壓值來判斷車輛是否準備就緒。如滿足要求，則進入充電電流設定及正常充電流程。
3、系統實現方案
系統框圖如圖二：
圖二：交流充電控制盒系統方框圖
系統由主控單元、輸出控制電路、電壓、電流及CP采樣電路、CP產生電路及開關電源等組成。
開關電源提供控制盒單板供電電源，主控單元實現對充電槍連接辨識、充電過程的監測、保護功能的實現、模擬采樣值的處理等。
CP產生電路產生占空比可控的CP方波，并經充電槍線輸出，和車載充電機進行充電槍連接確認、充電辨識等。CP采樣電路采集車輛控制裝置中“S2”導通前及導通后的CP信號幅值，采樣值進主控單元AD口，參與充電邏輯控制。
RS485電路是實現控制盒和觸摸屏的通訊接口電路，此功能為預留設計。
4、控制系統單元電路
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，需重點考慮經濟性及維護便利。從后期維護的角度出發，我們預留了一路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，確保電路通訊的穩定性。
4.3、控制導引實現電路
控制導引電路完成充電前控制盒與電動汽車的連接確認，以及充電過程中可充電電流的設置、充電過程的監測、車輛控制裝置發送充電停止信號等。
電路實現原理如圖四：
圖四：控制導引電路
主控單元I/O口輸出“PWM”信號，經高速光耦隔離后，控制NPN及PNP三極管的導通及關斷。當“PWM”為高電平時，T1導通，CP信號為上拉+12.5V，當“PWM”為低電平時， T1關斷T2導通，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，將開關電源的輸出設置為±12.5V。
4.4、電壓電流采集電路
為實現充電過程中實時監控充電電壓及充電電流，并實現漏電流保護、過流保護功能等，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，確保進入主控AD口電平始終為0V以上。
電流采用濟南圣宏的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，后級使用反向運放放大器實現采樣值的濾波、放大、鉗位，送入主控AD口。
漏電流使用零序電流互感器實現，其監控L和N之間的電流差，當L和N之間出現電流差時，零序電流互感器采集此差值，并經運放采集電路放大、濾波、鉗位后，送入主控AD口，由主控進行相應保護、故障、報警等判斷。該零序電流互感器原邊最大采集值為30mA。
5、功率電路
5.1、開關電源電路
充電控制盒的供電電源采用板載式電源實現，使用反激式電源拓撲，該拓撲結構簡單，外部元器件少，適合低成本應用。電源方案使用上海昂寶的OB233F，該芯片內部集成MOS，適合應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
在電源的設計中，我們采用±12.5V輸出，給運放、主控單元、繼電器等負載供電。將+12.5V作為主輸出，反饋由TL431電壓基準及隔離光耦組成。
5.2、輸出控制
控制盒采用繼電器控制輸出，額定參數為35V/250VAC，線圈電壓為12V。繼電器驅動采用光耦隔離，驅動電路采用NPN三極管推動，實現方式如圖六：
圖六：繼電器驅動及急停保護電路
上圖中，開關“K3”為安全防護電路中的急停按鈕設置，上圖中的狀態為急停按下，K3斷開的狀態。正常狀態下，急停按鈕處于釋放狀態，K3閉合，繼電器RY1線圈供電通路導通，主控單元控制繼電器吸合，實現充電電流的輸出。
若出現異常，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。實現故障下快速停機。
6、軟件設計
6.1、主控程序
主控程序的充電流程，需符合國標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完成物理連接辨識、充電參數設置等。并在充電過程中接收外部故障報警信息，包括插頭過溫、過壓過流等，收到報警信息后，中斷充電并下發充電終止給車載充電機。
7、實驗
為了驗證方案的正確性，制作了一臺線纜式交流充電控制盒。并實際給江淮IEV5電動車進行充電實驗。實測證明，控制盒可以和車載充電機進行連接確認及充電識別，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、結語
本文分析了基于國標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實現，實際充電效果較好，可作為隨車充電裝置使用。
參考文獻：
[1] 中華人民共和國國家標準. 電動汽車傳導充電系統 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準.電動汽車傳導充電用連接裝置 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研究與設計l-J]．湖北電力.2011.35(1)：11-12．
[4] 周航慈，吳文廣．基于嵌入式實時操作系統的程序設計技術［Ｍ］．北京：北京航空航天大學出版社，2006
[5] 胡超，張華，羅偉明，等．電動汽車直流充電系統研究［Ｊ］．華東電力，
2009,37（10）：1483-1486
[6] 畢恩興．純電動汽車實驗臺架用直流電源穩壓控制器設計［Ｊ］．電子設計工程，2011（20）：188-192
本文是中國充電樁協會會員（武漢合康智能電氣有限公司）投稿，《現在充電樁》雜志整理編輯。轉載請注明來源！
