簡述新能源汽車充電設備設計中的常見問題

單位：浙江巨磁智能技術有限公司 作者：劉俊鵬

隨著社會經濟的快速發(fā)展，環(huán)保、能源等相關問題越來越多，加速新能源等可再生能源技術的發(fā)展是當下解決這些問題的關鍵路徑。在這種大環(huán)境下，新能源汽車因其零排放、用車成本低等優(yōu)點而廣受客戶的好評，其發(fā)展十分迅猛，相應地帶動了新能源汽車隨車充電槍IC-CPD以及交流充電樁的發(fā)展。

安全性和可靠性是充電設備設計中的重中之重。如果設備的安全性設計沒有經過考慮充分，風險性及失效分析不足，達不到相關的標準要求，就不能夠稱的上是一款合格的產品，更不能投入到實際的生產與使用中。

在充電設備的研發(fā)中，研發(fā)工程師必須嚴格按照相關的行業(yè)標準進行設計，如：GB/T 18487.1-2015《電動汽車傳導充電系統(tǒng) 第1部分：通用要求》、NB/T 42077-2016充電的纜上控制與保護裝置（IC-CPD）、NB/T 33008GB/T18487.2-2017《電動車輛傳導充電系統(tǒng) 第2部分：非車載傳導設備電磁兼容性要求》等，確保充電槍產品功能的穩(wěn)定性以及安全性。本文將分享一些在充電槍和充電樁設計過程中的問題點，幫助大家了解充電設備需要滿足哪些與安全性相關的設計要求。

模擬車端二極管短路的檢測回路

在歐標標準：《IEC61851-1：2017 Electric vehicle conductive charging system-Part 1：General requirements》中要求確認電動汽車供電設備檢測到的系統(tǒng)狀態(tài)。交流充電控制導引電路的狀態(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，CP信號檢測到的PWM波的電平為12V，表示設備已上電，未與電動汽車連接。在狀態(tài)2時，CP信號檢測到的PWM波的電平為9V，表示設備與電動汽車連接完成。在狀態(tài)3時，CP信號檢測到的PWM波的電平為6V，表示電動汽車端準備就緒，可以開始充電。狀態(tài)0指CP信號檢測到非12V、9V、6V的電平，此時處于異常狀態(tài)，設備應不允許充電。

圖1：IEC61851-1：2017 Table A.4中的要求

圖2：IEC61851-1：2017 A2.2典型的控制導引回路

結合圖1中標準的說明，在閉合電動汽車供電設備的開關之前，至少要檢測一次PWM信號是否處于-12V時的狀態(tài)，確認車端的二極管是否存在。所以需要對新能源汽車的車端二極管進行檢測。

簡單來說，需要CP信號檢測能夠檢測到電壓的負半波，目的是為了確認充電的負載是新能源汽車，新能源汽車負載是存在二極管的，所以可以通過檢測二極管狀態(tài)來確認負載的類型。若車端的二極管正常，檢測到的CP信號負半波為12V，若車端的二極管短路，正負半波是一樣的。充電槍插槍時，CP信號要能夠檢測到-12V的信號，二極管短路時，插槍檢測到的信號應該是-9V。

一般采樣電路均為單端電路，采樣范圍僅包含正電壓，沒有辦法采樣負電壓。只能把負電壓轉換成正電壓才能夠進行采集。一種負電壓采樣方法是用運放搭建一個反相器，把負電壓進行反轉之后再對它進行采樣。

圖3：針對車端二極管檢測要求搭建的檢測回路（僅供參考）

目前，只有歐標IEC61851的標準中對車端二極管檢測有明確的要求，國標目前還沒有對此有提出相關的要求，未來可能也會對此做出明確的要求，所以在設計歐標的充電設備時，要特別注意，一定要有檢測車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，自檢確認器件本身能夠正常工作。目前，國標和歐標均對漏電流有自檢的功能要求。只有自檢通過，才可以觸發(fā)觸頭閉合。標準中對自檢的要求有：（1）在通電后，無論裝置處在充電狀態(tài)還是待充電狀態(tài)，在10分鐘之內必須漏電自檢一次。（2）如果在過去的10分鐘之內已經進行了自檢試驗，則在上電或連接到車輛時，不需要另外再進行自檢，即不要求每10min進行一次自檢試驗。

圖4：標準 GB/T41589-2022中對漏電流自檢的要求

圖5：標準IEC62752中對漏電流自檢的要求

結合標準中的要求，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）充電過程中不需要進行自檢。

（3）自檢的時間可以超2s。

綜上，不管是設計國標還是歐標的充電設備產品時，都應該滿足標準中對漏電流自檢功能的要求。

繼電器粘連檢測

新能源汽車隨車充和交流充電樁均要具備輸出繼電器觸點粘連檢測的功能。即充電設備給新能源汽車充電前，需要實時確認輸出繼電器是否有觸點粘連的故障，如果有，則需要發(fā)出告警指示禁止設備給汽車充電，來確保用戶充電時的使用安全。

繼電器觸點粘連與繼電器動作時的電弧故障有關。在上電或充電過程中過載或遇到沖擊負載的時候，電流會突然增大，達到甚至超過輸出繼電器的響應整定值，會使繼電器進行響應，閉合其觸點，接通電路中的電磁執(zhí)行器件（繼電器線圈或脫扣線圈）。在脫扣線圈響應斷電的一瞬間，由于電磁感應作用，線圈會引起瞬間高電位，與電源電壓疊加在保護電路中的電器元件的觸點兩側，導致電弧拉弧，產生粘連的現(xiàn)象。繼電器粘連后，容易出現(xiàn)充電啟動失敗或充電完成后拔槍時報故障的情況。

最新的IC-CPD標準GB/T 41589-2022中也增加了對觸點粘連檢測的要求：觸頭短接，應使IC-CPD不能進行充電，對任何觸頭都要能夠進行檢測。

圖6：標準GB/T 41589-2022中對粘連檢測的要求。

標準 NB/T 33008.2-2018中也有對交流充電樁觸點粘連檢測的要求，但并未對檢測方式有明確的要求。

圖7：NB/T 33008.2-2018中觸點粘連檢測的要求

為了解行業(yè)內廠家對于繼電器觸點粘連檢測功能的設計情況，在此調研了市面上正在進行銷售的國標充電樁產品。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粘連檢測統(tǒng)計

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

通過和幾家不同的檢測機構溝通了解到，目前對繼電器粘連檢測的標準也有所不同。例如以國標樁認證為主的機構認為：繼電器粘連檢測，標準中沒有明確規(guī)定一定要單路還是雙路檢測，這兩種設計都沒有問題；而以歐標出口樁為主的認證機構則認為：標準中要求對單路和雙路兩種檢測方式都需要進行測試，既要能對雙路觸點粘連進行檢測，也要能對單路觸點粘連進行檢測。

所以對繼電器觸點粘連檢測方案的選擇，要根據(jù)實際條件，結合方案設計及成本等多方面因素進行考量。

四、CE傳導測試、CPT端口的騷擾電壓測量

充電設備自身的電磁兼容問題也成為其安全性的重要部分之一。在設計過程中，往往遇到問題最多的是CE傳導發(fā)射測試及CPT端口的騷擾電壓測量，本文將結合《GB/T 18487.2電動汽車傳導充電系統(tǒng)第2部分：非車載傳導供電設備電磁兼容要求》標準中的內容，對充電設備的CE測試和CPT測試進行簡單介紹。

CE：Conducted Emissions傳導發(fā)射，指一個或多個導體（電源線、信號線、控制線等）傳播電磁噪聲能量的過程。

CPT端口：Conductive Power Transferport傳導電能傳輸端口，由于傳導電能傳輸?shù)碾妱悠嚬╇娫O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)的次級裝置，并提供所需的信號/控制和通訊功能。

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

圖9：CE傳導的峰值及平均值限制要求

圖10：GB/T18487.2中對CPT端口的騷擾電壓測量定義

圖11：輸出端CPT-電源端口傳導發(fā)射限值要求

在充電樁的設計中，最常出問題的地方就是CE傳導發(fā)射測試。CE測試Fail的原因和很多地方都有關系，比如設計初期的PCB layout、變壓器的漏感產生的干擾、開關電源部分產生的干擾等。下面結合實例，分享一下解決CE測試不過的心得和方法。

圖12：CE傳導測試不合格波形

圖13：CE傳導測試整改后波形

針對第一次CE測試的波形結果，基本可以定位在開關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。用一個電阻串個電容后再并到Y電容的引腳上，用示波器測電阻兩引腳的電壓可以估測共模干擾大小。

針對差模干擾的整改對策：

（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。（共模電感有雙線并繞或雙線分開繞制等幾種繞線方式。，不管哪種繞法，由于繞制不緊密、線長差異等情況，肯定會出現(xiàn)漏磁現(xiàn)象，即一邊線圈產生的磁力線不能完全通過另一線圈，這使得L-N線之間有感應電動勢，相當于在L-N之間串聯(lián)了一個電感）

（3）將PWM線路中的元件的主頻調到60kHz左右。

針對共模干擾的整改對策：

（1）加大共模電感感量。

（2）調整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，減小對地阻抗，從而減小線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充設備都需要進行EMC檢測。產品的EMC性能是設計階段賦予的。一般電子產品設計時如果不考慮EMC因素，就會很容易導致EMC測試失敗，以致不能通過相關EMC法規(guī)的測試或認證，產品也無法量產上市進行銷售。所以在設計初期一定要充分考慮到EMC測試的風險，進行規(guī)避，對風險點進行評估及失效分析。

五、結語

MAGTRON公司推出的滿足最新IC-CPD漏電流檢測要求的產品，該系列產品為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，對于不同的漏電成分都能夠進行檢測，能夠完全滿足IEC62752的漏電保護要求，產品可以完全覆蓋3.3kW、7kW單相IC-CPD和22kW三相IC-CPD的應用場景，相比傳統(tǒng)的漏電流傳感器更可靠、更靈敏、更安全。

圖14 MAGTRON符合國標、歐標、美標的漏電傳感器

參考文獻：

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《電動車輛傳導充電系統(tǒng)一般要求》。

3. IEC 61851-1：2017《電動汽車傳導充電系統(tǒng)》。

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

5.《GB/T 18487.2電動汽車傳導充電系統(tǒng)第2部分：非車載傳導供電設備電磁兼容要求》

審核編輯 黃宇