簡(jiǎn)述新能源汽車隨車充電槍（IC-CPD）的關(guān)鍵元器件及應(yīng)用

單位：浙江巨磁智能技術(shù)有限公司 作者：劉俊鵬

隨著新能源汽車的飛速發(fā)展，電動(dòng)汽車隨車充電槍（IC-CPD）的需求量也正在飛速的上升。

圖1：隨車充電槍（IC-CPD）外觀

一、電動(dòng)汽車隨車充電槍（IC-CPD）的組成及內(nèi)部模塊：

圖2：隨車充電槍（IC-CPD）充電槍的主要構(gòu)成和使用場(chǎng)景

1.1基本組成：與固定插座連接的家用供電插頭、充電槍頭、線上控制與保護(hù)裝置（控制保護(hù)盒）、線纜、連接電動(dòng)汽車的車輛連接器等。

供電插頭：國(guó)標(biāo)隨車充電槍（IC-CPD）的供電插頭，與一般的家用電氣的插頭一樣，有10A/16A 220V兩種規(guī)格，目前市面上用的比較多的還是10A/220V的插頭，一般為了充電的安全，會(huì)在插頭內(nèi)增加溫度傳感器。使用家用插頭就可以讓隨車充電槍（IC-CPD）充電槍在普通的插座上給新能量汽車進(jìn)行充電。

充電槍頭：車輛側(cè)用插頭，符合GB/T20234-2015

IC-CPD：集成了供電控制、控制導(dǎo)引、漏電保護(hù)等基本功能，一些高端的ICCPD還集成了顯示充電過(guò)程的實(shí)時(shí)狀態(tài)、溫度控制等其他功能。內(nèi)部包括開(kāi)關(guān)電源、繼電器驅(qū)動(dòng)、CP信號(hào)調(diào)制、漏電保護(hù)、電壓/電流檢測(cè)等回路。

線纜：IC-CPD中的線纜主要分為2部分，第一段為插頭與控制保護(hù)盒之間的線纜，即圖2紅框中A部分所示，長(zhǎng)度一般在20cm～1m不等，NB/T42077-2016中8.1項(xiàng)規(guī)定了插頭和IC-CPD之間電纜的最大允許長(zhǎng)度為1.7m。第二段為控制保護(hù)盒和車輛連接器之間的線纜，即圖2紅框中B部分所示，長(zhǎng)度一般在3～4m不等，標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)這部分的長(zhǎng)度沒(méi)有進(jìn)行明確的要求。目前，市面上在售16A的IC-CPD線纜一般主要以5m/10m/15m這3種規(guī)格的長(zhǎng)度為主，多采用優(yōu)質(zhì)純銅電纜，A側(cè)的線徑一般為 0.75mm2，B側(cè)的線徑為2.5mm2。應(yīng)具有阻燃抗沖擊、防水耐高溫等優(yōu)點(diǎn)。

1.2 IC-CPD上的主要電子元器件包括繼電器、MCU、漏電流保護(hù)裝置、電流互感器、電壓互感器等，下面我將逐個(gè)介紹一下它們?cè)贗C-CPD內(nèi)部的主要功能。

圖3：IC-CPD板卡上元器件示意框圖

二、電動(dòng)汽車隨車充電槍（IC-CPD）各元件介紹

2.1繼電器

繼電器在IC-CPD中主要起控制充電的開(kāi)關(guān)作用，具有驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。觸頭部分應(yīng)有滅弧電路，驅(qū)動(dòng)線圈部分的放電回路具有雙重保護(hù)可以增加可靠性，提高使用壽命。繼電器內(nèi)部一般分為觸點(diǎn)和線圈2部分，繼電器的銘牌上都會(huì)給出觸點(diǎn)的額定電流、電壓和線圈的額定電壓，而在IC-CPD的板卡上主要參考的參數(shù)是繼電器的耐壓值，IC-CPD的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)耐壓測(cè)試的電壓條件為2KV。另外，對(duì)于歐標(biāo)CE認(rèn)證，還需要繼電器的觸頭間距大于3mm。

目前國(guó)內(nèi)主流的繼電器廠商有宏發(fā)、賽特勒、松樂(lè)等，國(guó)外知名的繼電器廠商有歐姆龍、施耐德、松下、泰科、ABB等。

圖4：一些市場(chǎng)上的主流繼電器產(chǎn)品

2.2芯片

最近芯片行業(yè)比較火爆，國(guó)家也在大力支持造“中國(guó)芯”，隨著芯片技術(shù)迭代，硅進(jìn)銅退戰(zhàn)略，使用更多的集成芯片技術(shù)來(lái)替代銅工藝產(chǎn)品，節(jié)省資源的同時(shí)提高產(chǎn)品的集成度和智能化。在此先簡(jiǎn)單介紹一下芯片的相關(guān)知識(shí)。

芯片IC是將電路構(gòu)成中的有源電子元件和無(wú)源元件互連進(jìn)行布局，通過(guò)半導(dǎo)體工藝或者薄、厚膜工藝，制作在半導(dǎo)體的基片上，形成結(jié)構(gòu)緊湊、功能多樣的電路，與分立元器件組成的電路相比，具有體積小、重量輕、高度集成、功率低、使用方便和成本低等特點(diǎn)。

芯片可以分為很多個(gè)種類：按照信號(hào)處理的不同可以分為模擬芯片和數(shù)字芯片，像隨車充電槍（IC-CPD）中使用的ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片）、運(yùn)算放大器芯片、開(kāi)關(guān)電源IC等都屬于模擬芯片，模擬芯片主要用來(lái)產(chǎn)生、放大和處理各種模擬量的信號(hào)。

數(shù)字芯片多用于一些邏輯類的運(yùn)算處理，比如CPU、內(nèi)存芯片、DSP芯片等。按照不同的應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)分類，可以將芯片分為：民用級(jí)（消費(fèi)級(jí)）、工業(yè)級(jí)、汽車級(jí)、軍工級(jí)、航天級(jí)，隨車充電槍（IC-CPD）中的芯片需要滿足工業(yè)級(jí)的要求，對(duì)芯片使用時(shí)的溫度有-40℃～85℃的要求。

邏輯芯片（數(shù)據(jù)處理器）可以分為單內(nèi)核、雙內(nèi)核和多內(nèi)核。 以ARM公司的產(chǎn)品為例：ARM公司開(kāi)發(fā)的Cortex系列分為A、R、M三個(gè)系列，A系列主要用于復(fù)雜的電腦應(yīng)用（如計(jì)算機(jī)、電視、手機(jī)等），R系列主要用于需要實(shí)時(shí)響應(yīng)的場(chǎng)景之中（如自動(dòng)駕駛），M系列主要應(yīng)用于嵌入式設(shè)備、小型傳感器、智能家居產(chǎn)品中居多。在嵌入式開(kāi)發(fā)中，使用的系列基本都是ARM Cortex-M。

Cortex-M系統(tǒng)主要分為Cortex-M0、Cortex-M0+、Cortex-M1、Cortex-M3、Cortex-M4、Cortex-M7、Cortex-M23、Cortex-M33等多個(gè)系列。

圖5：Cortex-M家族適用場(chǎng)景描述

圖6：芯片內(nèi)核天梯圖

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，M0系列工作頻率為48M，屬于入門級(jí)的基礎(chǔ)版本、M3系列工作頻率為72M，作為主流設(shè)計(jì)內(nèi)核的選型，應(yīng)用廣泛、M4系列工作頻率為168M，增加了DSP處理，性能優(yōu)越，多用于嵌入式音頻。在隨車充電槍（IC-CPD）充電槍中，對(duì)于芯片的要求主要是功能控制簡(jiǎn)單，邏輯不需要太復(fù)雜，整體成本控制的越低越好。選用Cortex-M0的內(nèi)核就可以滿足ICCPD的需求。

目前市面上隨車充電槍（IC-CPD）使用到的芯片類型主要有開(kāi)關(guān)電源控制IC，精密運(yùn)放IC，單片機(jī)IC三大類。

2.2.1運(yùn)放類芯片介紹

運(yùn)放IC的主要作用是對(duì)隨車充電槍（IC-CPD）中的CP信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算及處理，保證CP信號(hào)在國(guó)標(biāo)規(guī)定范圍內(nèi)變化，通過(guò)改變不同的CP電壓值來(lái)調(diào)整不同的充電狀態(tài)。

圖7：GB/18487中對(duì)輸出電壓的參數(shù)要求

運(yùn)放IC有三個(gè)端口，其中有兩個(gè)輸入端口，分別為“+”和“-”，一個(gè)輸出端口。當(dāng)輸入信號(hào)從“-”端口輸入放大器時(shí)，輸出端的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)反相;反之，當(dāng)輸入信號(hào)從“+”端口輸入放大器時(shí)，輸出端的輸出信號(hào)與輸入信號(hào)同相;當(dāng)兩個(gè)輸入端口同時(shí)輸入信號(hào)時(shí)，運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)減數(shù)運(yùn)算，輸出信號(hào)與較大的一方同相。所以說(shuō)，運(yùn)算放大器基本上可以說(shuō)是一個(gè)電壓放大器。一個(gè)理想的運(yùn)算放大器必須具備下列特性：無(wú)限大的 輸入阻抗、等于零的輸出阻抗、無(wú)限大的開(kāi)回路增益、無(wú)限大的共模排斥比的部分、無(wú)限大的頻寬。

圖8：運(yùn)算放大器的典型電路

同相輸入運(yùn)放電路原理的輸出公式為：VO=VI×（1+R2/R1）

反相輸入運(yùn)放電路原理的輸出公式為：VO=-VI×（R2/R1）

運(yùn)放IC的選型主要考慮到：輸入類型、精度要求、使用環(huán)境條件、通道數(shù)、單雙電源、功率大小、封裝等。隨車充電槍（IC-CPD）充電槍對(duì)運(yùn)放的精度要求不高，功耗一般要求在5W左右。

目前主流的運(yùn)放IC的品牌有：ADI、Maxim、TI、NXP、ON等，國(guó)內(nèi)有：潤(rùn)石科技、瑞盟科技、恩瑞浦3PEAK等。國(guó)外的運(yùn)放IC一般價(jià)格較貴、交期長(zhǎng)，性能優(yōu)越，國(guó)產(chǎn)廠家的運(yùn)放IC一般價(jià)格便宜，交期相對(duì)比較短。

2.2.2開(kāi)關(guān)電源芯片介紹

開(kāi)關(guān)電源控制IC的主要作用是給各個(gè)模塊提供需要的電源，隨車充電槍（IC-CPD）中主要是給繼電器、芯片、運(yùn)放IC提供所需的電壓信號(hào)，開(kāi)關(guān)電源一般分為AC-DC、DC-DC這二種類型，AC/DC開(kāi)關(guān)電源主要分為非隔離型電路和隔離性電路。隨車充電槍（IC-CPD）充電槍中，AC-DC主要使用隔離型（反激式）的開(kāi)關(guān)電源電路，直流降壓大部分選用LDO模塊進(jìn)行處理。

圖10：開(kāi)關(guān)電源的2種不同電路

在開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用中,400W以下的電源大約占了市場(chǎng)的70-80%,而其中反激式電源又占大部分,幾乎常見(jiàn)的消費(fèi)類產(chǎn)品全是反激式電源，它的優(yōu)點(diǎn)：成本低,外圍元件少，低耗能，適用于寬電壓范圍輸入,可多組輸出，缺點(diǎn)：輸出紋波比較大。(輸出加低內(nèi)阻濾波電容或加LC噪聲濾波器可以改善)

目前國(guó)內(nèi)比較知名的開(kāi)關(guān)電源IC廠家有：芯朋微電子的PN8系列、士蘭微的SDH系列、華冠的UC系列等，國(guó)外有：power integrations、MPS等?？偟膩?lái)說(shuō)國(guó)內(nèi)的芯片性價(jià)比較高，交期不會(huì)有問(wèn)題，而國(guó)外的芯片價(jià)格昂貴，且會(huì)有交期長(zhǎng)的問(wèn)題。

圖11：一些開(kāi)關(guān)電源IC的型號(hào)

2.2.3單片機(jī)IC介紹

單片機(jī)IC的主要作用：1.充電槍的功能運(yùn)行邏輯和運(yùn)算的中央處理器2.通訊和協(xié)同工作的指揮中心，實(shí)現(xiàn)各個(gè)IC模塊之間的交互3.集成了內(nèi)存、串口、計(jì)數(shù)器、A/D轉(zhuǎn)換器、DMA等接口4.計(jì)算電壓、電流，產(chǎn)生繼電器以及LED燈等器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

單片機(jī)IC對(duì)隨車充電槍（IC-CPD）充電槍充電的具體控制：繼電器平時(shí)處于常開(kāi)狀態(tài)，插頭插上插座之后，充電槍是不帶電的，防止充電人員觸電。充電槍插上電動(dòng)車，CP信號(hào)與電動(dòng)車連接，系統(tǒng)檢測(cè)到具備充電條件后，板卡上的MCU會(huì)控制繼電器閉合，充電回路導(dǎo)通。充電完成、手動(dòng)終止充電或有漏電情況發(fā)生時(shí)，MCU會(huì)控制繼電器立刻斷開(kāi)。具有充電條件以后，控制導(dǎo)引模塊會(huì)持續(xù)向整車上的OBC（車載充電器）發(fā)送PWM信號(hào)，告知OBC，ICCPD的最大充電電流，再由汽車自己來(lái)決定使用多大的電流進(jìn)行充電。

目前比較主流的單片機(jī)IC大部分都是國(guó)外自主研發(fā)的，如ST、TI、NXP、ADI、英飛凌等，國(guó)內(nèi)客戶基本都是以很高的價(jià)格買回，不僅如此，有時(shí)還要面臨芯片交期長(zhǎng)，缺貨等問(wèn)題?，F(xiàn)在國(guó)家也正在提倡“中國(guó)芯“，大力扶持國(guó)內(nèi)的很多芯片企業(yè)，加速我們國(guó)內(nèi)的芯片發(fā)展，國(guó)內(nèi)目前也涌現(xiàn)了很多優(yōu)秀的芯片公司。

圖12：主流的芯片廠家

2.3電流/電壓采樣器件--互感器

電流/電壓互感器在IC-CPD板卡上主要起電流/電壓（電量）采樣的作用，在回路中，如果電壓過(guò)高會(huì)損壞開(kāi)關(guān)電源，電流過(guò)大會(huì)導(dǎo)致繼電器的損壞。電壓和電流互感器的原理都是利用了電磁感應(yīng)的原理，將高電壓轉(zhuǎn)化為低電壓，大電流轉(zhuǎn)化為小電流，使二次側(cè)的設(shè)備（如繼電器）能夠小型化，既能保護(hù)電路，也能讓作業(yè)人員遠(yuǎn)離高壓，保證人身安全。

電壓、電流互感器的主要參數(shù)包括：額定電壓、一次電流、二次電流、額定容量、 電流/電壓比等。這些在外殼的銘牌上和規(guī)格書里都會(huì)有說(shuō)明，可以根據(jù)實(shí)際的電路應(yīng)用來(lái)選擇合適的電壓、電流互感器。

國(guó)內(nèi)目前比較有名的互感器廠家有：圳恒通、澤明、南京向上電子等廠家。

圖13：國(guó)內(nèi)品牌的板載互感器

2.4漏電流傳感器

（1）IC-CPD標(biāo)準(zhǔn)對(duì)漏電保護(hù)要求的解讀

國(guó)標(biāo)GB/T18487.1中規(guī)定了交流充電模式中，應(yīng)具備滿足B型或A型的剩余保護(hù)功能的裝置，目前現(xiàn)行的國(guó)標(biāo)中還沒(méi)有強(qiáng)制規(guī)定要求使用B型剩余電流保護(hù)裝置，但是未來(lái)國(guó)內(nèi)的IC-CPD對(duì)漏電保護(hù)的要求肯定是會(huì)越來(lái)越嚴(yán)格。

圖14：GB/T18487.1-2015中對(duì)剩余電流保護(hù)的要求

歐標(biāo)IEC61851-1：2017 的標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)IC-CPD的要求進(jìn)行了規(guī)定，要求交流充電設(shè)備中的剩余電流保護(hù)需要采用B型或者A型+6mA平滑直流的RCD，IEC62752-2018關(guān)于隨車充電槍（IC-CPD）充電槍的標(biāo)準(zhǔn)中也提到了，要求剩余電流保護(hù)裝置能夠檢測(cè)到平滑直流6mA。 相較于國(guó)標(biāo)的要求，歐標(biāo)為更高的要求。

圖15： IEC 61851.1-2010 6.5中對(duì)剩余電流保護(hù)的要求

（2）IC-CPD與電動(dòng)汽車充電的漏電流種類及產(chǎn)生原因

圖16：漏電流產(chǎn)生的原理

通俗易懂的描述一下檢測(cè)剩余電流的原理：有三根水管A、B、C里面的水都流進(jìn)水管N。正常情況下管子沒(méi)漏水時(shí)，水量A+B+C=N，考慮水流方向，A+B+C-N=0。圖中橢圓的虛線框就是用來(lái)檢測(cè)A+B+C-N是否等于0的元件。在水沒(méi)漏的情況產(chǎn)品檢測(cè)到漏水流就等于0。

如果在某種情況下，其中一根水管破了，漏水了，像上圖這樣，一部分水流到土里去了（在電氣中，我們稱為接地故障）。這個(gè)時(shí)候，虛線框的元件檢測(cè)到A+B+C-N不等于0了，然后監(jiān)控系統(tǒng)就知道出現(xiàn)漏水的情況了。到漏水量到達(dá)一定值時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)就會(huì)發(fā)出警報(bào)。

在電氣系統(tǒng)中，漏電指的是相線直接對(duì)地或者對(duì)N線的漏電，而不是N線對(duì)地的漏電，只有相線對(duì)PE線的漏電，才會(huì)導(dǎo)致N線電流與三相不平衡電流在數(shù)值上不相等。

而對(duì)于IC-CPD給電動(dòng)汽車充電的應(yīng)用場(chǎng)景下，內(nèi)部電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而且電動(dòng)汽車的電池為直流電源系統(tǒng)，所以電流的成分比較復(fù)雜，包含交流電流，脈動(dòng)型直流分量，特別是在這種特殊的應(yīng)用場(chǎng)景下會(huì)出現(xiàn)直流電流，基于此，電動(dòng)車充電過(guò)程中的漏電流的種類也更加復(fù)雜。

下圖17為隨車充電槍（IC-CPD）充電槍在充電時(shí)，與車輛組成的充電系統(tǒng)，可能會(huì)有漏電產(chǎn)生的部位包括：充電槍線接口、車輛內(nèi)部。在車載充電機(jī)前端（藍(lán)色部分）發(fā)生的漏電電流為交流正弦，在車載充電機(jī)后端（淡橙色）發(fā)生的漏電包含了直流剩余電流。

將下圖中可能產(chǎn)生漏電流的地方分為4個(gè)部分a、b、c、d。

a點(diǎn)的漏電流類型：充電槍頭中的交流電與PE地之間產(chǎn)生的交流漏電。

b點(diǎn)的漏電流類型：車載充電機(jī)前端的電流與PE地之間產(chǎn)生的脈動(dòng)直流漏電。

c點(diǎn)的漏電流類型：車載充電機(jī)上整流后的DC電流與PE地之間產(chǎn)生的直流漏電。

d點(diǎn)的漏電流類型：高頻隔離變壓器原邊側(cè)與PE地之間產(chǎn)生的非工頻漏電。

圖17：電動(dòng)汽車充電過(guò)程中的漏電

如下圖18所示，圖中藍(lán)框部分，表示Type B型漏保檢測(cè)漏電流的范圍從漏電保護(hù)磁環(huán)到車載充電機(jī)的高頻隔離變壓器原邊?？赡墚a(chǎn)生的漏電流包括：交流電流、脈動(dòng)直流電流，平滑直流電流，高頻電流。

圖18中黃框部分表示Type A型漏保的保護(hù)范圍，小于Type B型，A型只能對(duì)交流、脈動(dòng)直流，脈動(dòng)直流疊加6mA平滑直流的漏電進(jìn)行保護(hù)。

圖18：不同類型漏電保護(hù)器的保護(hù)范圍

MAGTRON公司推出的滿足最新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19：MAGTRON符合國(guó)標(biāo)、歐標(biāo)、美標(biāo)的漏電傳感器

審核編輯：湯梓紅