如何構(gòu)建一個電動汽車EV充電器

在這個項目中我構(gòu)建了自己的7.2kWEV充電器并將其安裝在Zappi外殼內(nèi)。兩個目標(biāo)是簡單和安全。本文記錄了構(gòu)建。我為它編寫了Arduino軟件，所有設(shè)計文件、軟件和零件清單都可以在GitHub頁面上找到。

項目背景

在英國，由電工安裝電動汽車充電器的費(fèi)用約為900英鎊。這促使開始想自己動手，在進(jìn)一步研究該主題時，我發(fā)現(xiàn)了一個具有良好文檔的開源充電器（EVSE）。這給了我建立自己的信心。

免責(zé)聲明

我不是專業(yè)電工我了解了接地系統(tǒng)、PEN故障、RCD、電纜電流容量等。我認(rèn)為我已經(jīng)對自己進(jìn)行了足夠的教育，已經(jīng)建立了一個足夠安全的系統(tǒng)。但我的如下設(shè)計僅供參考。且為了確保安全，在我實際使用過程中，當(dāng)我離開家時，我將不得不取下充電器。我敢肯定，有無數(shù)人會質(zhì)疑我的這個項目，如果操作不當(dāng)，構(gòu)建您自己的可切換240V32A的戶外充電器可能會很危險。盡管如此，我仍歡迎建設(shè)性的批評和討論。

第1步：開始準(zhǔn)備

電動汽車充電器使用一個簡單的“引導(dǎo)”信號來檢測它們何時插入汽車，并告訴汽車允許從充電器汲取多少電流。他們根本不修改電源，他們只是通過一些繼電器將其打開/關(guān)閉到汽車。除此之外，它們還包含RCD的功能。但老實說，僅此而已！

我設(shè)法買了一個二手Zappi充電器。它內(nèi)部沒有任何電子設(shè)備，但它給了我一個外殼、電纜和插頭來使用。我付了120英鎊，包括郵費(fèi)。

我購買了5米長的6mm2SWA電纜，用于從我的消費(fèi)單元連接到我想要的充電器位置。我在非RCD側(cè)的消費(fèi)單元中添加了一個50AMCB，并使用夾板和不銹鋼螺釘布置SWA電纜。

SWA電纜通過室外防水密封套進(jìn)入Zappi外殼。在連接到PCB之前，火線和零線一起通過電流互感器。

第2步：接地電流檢測

最重要的安全機(jī)制之一是接地電流檢測系統(tǒng)。汽車底盤通過充電插頭通過地線接地。接地電源來自消費(fèi)單元（我們有TN-CS電源）。

接地系統(tǒng)背后有很多理論。約翰·沃德有一些關(guān)于我看過的主題的指導(dǎo)性YouTube視頻。他討論了PEN故障等問題。如果您從事任何電氣工作，值得花時間自學(xué)有關(guān)接地的知識。

雖然不太可能，但有可能發(fā)生故障，例如火線接觸汽車底盤。也許它在車內(nèi)某處松動并接觸到底盤，或者濕連接器正在橋接通往底盤的路徑。

無論哪種方式，火線都會向機(jī)箱提供電流，該電流將直接接地（在TN-CS電源中，接地線和中性線連接在消費(fèi)單元上）。電流量將取決于故障電橋的電阻。（水不太可能讓許多安培流動）。鑒于機(jī)箱接地良好，它的電壓不應(yīng)升高到足以對觸摸它的人造成觸電危險。

然而，這是應(yīng)該檢測和處理的故障情況。如果一些水將帶電連接到機(jī)箱，則可能會流過幾安培（不足以使充電器的50AMCB跳閘），但足以導(dǎo)致局部發(fā)熱和進(jìn)一步損壞。

所以我們需要測量流向地的電流（在正常操作中應(yīng)該為零）。如果超過20mA，我們希望通過打開繼電器來隔離汽車。RCD通常在5-30mA時跳閘的原因是幾百毫秒的電流量不會對人體造成永久性傷害。這里有關(guān)于電傷的維基百科文章。

AC-1：難以察覺，AC-2：可察覺但沒有肌肉反應(yīng)，AC-3：具有可逆作用的肌肉收縮，AC-4：可能的不可逆作用，AC-4.1：高達(dá)5%的心室顫動概率，AC-4.2：5–50%的纖顫概率，AC-4.3：超過50%的纖顫概率

測量對地電流的方法很簡單。我們使用電流互感器測量火線和零線的共模電流。所有電流都應(yīng)該是差分的（從火線流出的所有電流都應(yīng)該通過負(fù)載并通過中性線返回）。如果出現(xiàn)故障并且某些電流沒有返回，則它必須接地。這是一個共模電流，我們想要測量它！

第2步：原理圖部分

以下電子設(shè)備是必要的：

為arduino、運(yùn)算放大器、繼電器等生成直流電壓

安裝40A250VL&N繼電器，將電源切換到充電插頭

為飛行員生成+/-12V1kHzPWM信號

在Arduino的ADC之前放大和整流電流互感器的信號

第3步：電源

我使用了RAC10-15DK/277AC/DC電源模塊。這會產(chǎn)生+/-15V的電壓軌?？烧{(diào)正/負(fù)線性穩(wěn)壓器（LM317和LM337）產(chǎn)生+/-12V電壓軌。我知道運(yùn)算放大器的輸出可能無法一直擺動到它們的電源軌，所以我希望通過使用可調(diào)電壓調(diào)節(jié)器來獲得一些靈活性。

穩(wěn)壓器需要大約5mA的最小負(fù)載來維持穩(wěn)壓。因此，R3和R17為它們提供了很小的負(fù)載。穩(wěn)壓器在接近其壓差電壓時運(yùn)行令人不安。根據(jù)數(shù)據(jù)表，20mA負(fù)載下的壓差在0℃時約為1.6V，這使我們能夠在必要時將運(yùn)算放大器電壓提升至約13.4V。

由于目前芯片/庫存短缺，我購買了一個Pro-Mini模塊，該模塊方便地容納了一個帶有5V穩(wěn)壓器的Atmega328PArduino。但請注意，這個板載穩(wěn)壓器的最大輸入電壓為10V，因此我使用4.3V齊納二極管降低了穩(wěn)壓的12V，然后將其提供給Pro-Mini的RAW輸入。

與汽車的所有通信都是通過一條以大地為參考的單線（稱為導(dǎo)頻信號）完成的。閱讀此處和此處以了解有關(guān)此信號如何工作的說明。簡而言之，根據(jù)汽車是否已連接/準(zhǔn)備充電等，汽車會在導(dǎo)頻信號上放置不同的電阻。這導(dǎo)致導(dǎo)頻信號的電壓發(fā)生變化。

LM358運(yùn)算放大器從Arduino獲取0-5VPWM信號并將其轉(zhuǎn)換為+/-12V信號以形成導(dǎo)頻。簡單的。

我們使用分壓器網(wǎng)絡(luò)調(diào)節(jié)導(dǎo)頻電壓，然后將其饋入ADC通道進(jìn)行測量。13.6V600W雙向TVS可確保在引導(dǎo)線上不會出現(xiàn)異常電壓。

繼電器操作

我最初認(rèn)為我應(yīng)該在SMPS的2個電源軌之間分擔(dān)負(fù)載。因此，一個繼電器將由+ve導(dǎo)軌供電，另一個由-ve導(dǎo)軌供電。然而，這樣做為設(shè)計增加了幾個額外的部分，并略微增加了整體復(fù)雜性。為了簡單起見，我讓兩個繼電器都由+ve電源軌供電，這最終工作得非常好。

T9VV1K15-12S繼電器規(guī)格報告的線圈保持電壓僅為4.7V。這可以節(jié)省大量電力。從原理圖中可以看出，我們通過1W47R電阻器（R13和R14）從+15V電源軌為100uF電容器充電。當(dāng)繼電器被激活時，它們最初但短暫地獲得15V。但是穩(wěn)態(tài)電壓衰減到大約9V。我應(yīng)該選擇68R甚至100R的電阻，以節(jié)省更多電能。

BC337晶體管通過2.2K電阻獲得約2mA的基極電流。這足以充分切換晶體管。

電流互感器

電流互感器類似于電壓互感器。我們通過將火線和中性線通過鐵氧體磁芯一次，使變壓器初級接通1匝。在二級上，我們有很多轉(zhuǎn)彎-100次轉(zhuǎn)彎。因此，初級上的電流被感應(yīng)到次級上，盡管其幅度與匝數(shù)比成正比。如果初級電流為20mA，匝數(shù)比為1:400，次級電流為50uA。

就像電壓互感器不喜歡短路一樣。電流互感器不喜歡開路。測量次級電流的最佳方法是使用跨阻放大器。

U2是OP07低失調(diào)運(yùn)算放大器。V+端子接地，在此配置中，輸出將左右擺動，以始終使V-保持與V+相同的電壓（即0V）。想象一下，如果電流互感器向U2的V端施加50uA電流。運(yùn)算放大器會將其輸出電壓降至-5V，以便50uA完全通過R2拉出（V=IxR=50uAx100K）。因此，V-端子正好保持在0V。因此您可以在此配置中看到，來自變壓器的電流在運(yùn)算放大器的輸出端被轉(zhuǎn)換為電壓。C1僅有助于降低高頻增益并充當(dāng)?shù)屯?a href="http://www.ttokpm.com/tags/濾波器/" target="_blank">濾波器。如果跨阻放大器飽和，D1和D2會阻止任何超過約0.7V的電壓偏移。

我們可能不需要OP07的低偏移特性。C2無論如何都會消除任何直流偏置。U3B被配置為用作進(jìn)一步的放大級和精密整流器。所使用的4.3V齊納二極管也將輸出鉗位到~4V最大值。R12和C3在進(jìn)入ADC通道之前添加最后一個低通濾波器。

總而言之，來自接地故障電流互感器的交流電流被轉(zhuǎn)換成電壓、放大、整流、限制和濾波，然后再傳遞到ArduinoADC進(jìn)行測量。這個電路對我來說很有效并且很有意義，所以我選擇了它。但是您可能可以進(jìn)一步簡化它。

第4步：PCB設(shè)計

我使用KiCad來設(shè)計PCB。我選擇了KiCad，因為它是開源的，如果需要，您可以制作多層PCB。SnapEDA是導(dǎo)入零件PCB封裝的關(guān)鍵。PCB設(shè)計沒有太多可說的。我在高壓走線周圍保留了4毫米的間隙。

第5步：組裝焊接

我用從Mouser獲得的零件焊接了PCB。我意識到我的設(shè)計中有一個運(yùn)算放大器的引腳錯了，所以你可以看到一個丑陋的小笨蛋來解決這個問題！我也沒有意識到Pro-Mini的穩(wěn)壓器不能處理》10V，所以我在調(diào)整電源軌電壓時燒壞了一個。幸運(yùn)的是我買了一包3個Pro-Mini……我在這個錯誤之后添加了一個齊納二極管來降低電壓，然后再將其饋送到Pro-Mini。我已經(jīng)在github上的原理圖和PCB上更正了這些問題，并調(diào)用了PCBV2.0。

第6步：軟件及測試

我不是軟件專家。希望代碼的注釋足夠好以使其有意義。在GitHub存儲庫中找到它。

電流互感器上有一個自檢線圈。該軟件通過將50Hz5mA方波通過5圈測試線圈來執(zhí)行自檢。這基本上模擬了25mA接地故障。我們計算檢測到故障所需的時間。如果在100毫秒內(nèi)檢測到故障，則測試通過。

測試

出于興趣，我在啟動時測量了繼電器線圈兩端的電壓。藍(lán)色跡線是線圈電壓，紅色跡線是開關(guān)交流輸出。啟動繼電器似乎需要大約5毫秒。接觸在一起后明顯反彈了一點(diǎn)。

同樣，繼電器的釋放似乎需要大約10毫秒。

引導(dǎo)電壓與它們應(yīng)該的完全一樣。SAE_J1772規(guī)范確實允許+12V的+/-0.5V和+9V、6V和3V電平的+/-1V，所以我們很舒服。

此跟蹤顯示檢測到汽車時會發(fā)生什么。+12VDC導(dǎo)頻被汽車的2.74K電阻下拉。中斷200毫秒后，軟件切換到“狀態(tài)B”并啟動1kHzPWM。

這是汽車充電時的飛行員。-12V至+6V。該軟件正在測量低區(qū)和高區(qū)中心的電壓。

測試接地故障檢測電路很重要。我測試它在6mA時跳閘。這是一條顯示當(dāng)一個22K電阻通過240V帶電接地產(chǎn)生11mA電流時跳閘速度的軌跡。檢測時間為12ms（交流波形開始到藍(lán)色波形的上升沿。因此，10ms的繼電器釋放時間將在22ms內(nèi)切斷電源。這在EV充電器國家規(guī)范范圍內(nèi)。

結(jié)論

我對最終結(jié)果很滿意。雖然它沒有LCD屏幕，但我的車會告訴我它的充電速度，并允許我配置充電時間等。我不需要任何智能功能。我有一個智能電表，所以我也知道我用了多少電?？偦ㄙM(fèi)大約200英鎊。再加上幾天的艱苦思考、焊接和編碼。雖然過程中付出確實很多，但我認(rèn)為很值得。