9222
單位：浙江巨磁智能技術(shù)有限公司? ? 作者：Junpeng.Liu
隨著新能源汽車的飛速發(fā)展，電動汽車隨車充電槍（IC-CPD）的需求量也正在飛速的上升。
一、電動汽車隨車充電槍（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、線上控制與保護裝置（控制保護盒）、線纜、連接電動汽車的車輛連接器等。
供電插頭：國標隨車充電槍（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、控制導引、漏電保護等基本功能，一些高端的ICCPD還集成了顯示充電過程的實時狀態(tài)、溫度控制等其他功能。內(nèi)部包括開關(guān)電源、繼電器驅(qū)動、CP信號調(diào)制、漏電保護、電壓/電流檢測等回路。
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盒之間的線纜，即圖2紅框中A部分所示，長度一般在20cm～1m不等，NB/T42077-2016中8.1項規(guī)定了插頭和IC-CPD之間電纜的最大允許長度為1.7m。第二段為控制保護盒和車輛連接器之間的線纜，即圖2紅框中B部分所示，長度一般在3～4m不等，標準中對這部分的長度沒有進行明確的要求。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。
1.2 IC-CPD上的主要電子元器件包括繼電器、MCU、漏電流保護裝置、電流互感器、電壓互感器等，下面我將逐個介紹一下它們在IC-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關(guān)作用，具有驅(qū)動能力強的優(yōu)點。觸頭部分應(yīng)有滅弧電路，驅(qū)動線圈部分的放電回路具有雙重保護可以增加可靠性，提高使用壽命。繼電器內(nèi)部一般分為觸點和線圈2部分，繼電器的銘牌上都會給出觸點的額定電流、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的測試標準中對耐壓測試的電壓條件為2KV。另外，對于歐標CE認證，還需要繼電器的觸頭間距大于3mm。
目前國內(nèi)主流的繼電器廠商有宏發(fā)、賽特勒、松樂等，國外知名的繼電器廠商有歐姆龍、施耐德、松下、泰科、ABB等。?
2.2芯片
最近芯片行業(yè)比較火爆，國家也在大力支持造“中國芯”，隨著芯片技術(shù)迭代，硅進銅退戰(zhàn)略，使用更多的集成芯片技術(shù)來替代銅工藝產(chǎn)品，節(jié)省資源的同時提高產(chǎn)品的集成度和智能化。在此先簡單介紹一下芯片的相關(guān)知識。
芯片IC是將電路構(gòu)成中的有源電子元件和無源元件互連進行布局，通過半導體工藝或者薄、厚膜工藝，制作在半導體的基片上，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。
芯片可以分為很多個種類：按照信號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）、運算放大器芯片、開關(guān)電源IC等都屬于模擬芯片，模擬芯片主要用來產(chǎn)生、放大和處理各種模擬量的信號。
數(shù)字芯片多用于一些邏輯類的運算處理，比如CPU、內(nèi)存芯片、DSP芯片等。按照不同的應(yīng)用場景來分類，可以將芯片分為：民用級（消費級）、工業(yè)級、汽車級、軍工級、航天級，隨車充電槍（IC-CPD）中的芯片需要滿足工業(yè)級的要求，對芯片使用時的溫度有-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公司開發(fā)的Cortex系列分為A、R、M三個系列，A系列主要用于復(fù)雜的電腦應(yīng)用（如計算機、電視、手機等），R系列主要用于需要實時響應(yīng)的場景之中（如自動駕駛），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等多個系列。
圖5：Cortex-M家族適用場景描述
圖6：芯片內(nèi)核天梯圖
簡單來說，M0系列工作頻率為48M，屬于入門級的基礎(chǔ)版本、M3系列工作頻率為72M，作為主流設(shè)計內(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，對于芯片的要求主要是功能控制簡單，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關(guān)電源控制IC，精密運放IC，單片機IC三大類。
?2.2.1運放類芯片介紹
運放IC的主要作用是對隨車充電槍（IC-CPD）中的CP信號進行運算及處理，保證CP信號在國標規(guī)定范圍內(nèi)變化，通過改變不同的CP電壓值來調(diào)整不同的充電狀態(tài)。
圖7：GB/18487中對輸出電壓的參數(shù)要求
運放IC有三個端口，其中有兩個輸入端口，分別為“+”和“-”，一個輸出端口。當輸入信號從“-”端口輸入放大器時，輸出端的輸出信號與輸入信號反相;反之，當輸入信號從“+”端口輸入放大器時，輸出端的輸出信號與輸入信號同相;當兩個輸入端口同時輸入信號時，運算放大器實現(xiàn)減數(shù)運算，輸出信號與較大的一方同相。所以說，運算放大器基本上可以說是一個電壓放大器。一個理想的運算放大器必須具備下列特性：無限大的 輸入阻抗、等于零的輸出阻抗、無限大的開回路增益、無限大的共模排斥比的部分、無限大的頻寬。
圖8：運算放大器的典型電路
同相輸入運放電路原理的輸出公式為：VO=VI×（1+R2/R1）
反相輸入運放電路原理的輸出公式為：VO=-VI×（R2/R1）
運放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）充電槍對運放的精度要求不高，功耗一般要求在5W左右。
目前主流的運放IC的品牌有：ADI、Maxim、TI、NXP、ON等，國內(nèi)有：潤石科技、瑞盟科技、恩瑞浦3PEAK等。國外的運放IC一般價格較貴、交期長，性能優(yōu)越，國產(chǎn)廠家的運放IC一般價格便宜，交期相對比較短。
2.2.2開關(guān)電源芯片介紹
開關(guān)電源控制IC的主要作用是給各個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、運放IC提供所需的電壓信號，開關(guān)電源一般分為AC-DC、DC-DC這二種類型，AC/DC開關(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）的開關(guān)電源電路，直流降壓大部分選用LDO模塊進行處理。
在開關(guān)電源應(yīng)用中,400W以下的電源大約占了市場的70-80%,而其中反激式電源又占大部分,幾乎常見的消費類產(chǎn)品全是反激式電源，它的優(yōu)點：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：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)
目前國內(nèi)比較知名的開關(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，國外有：power integrations、MPS等?？偟膩碚f國內(nèi)的芯片性價比較高，交期不會有問題，而國外的芯片價格昂貴，且會有交期長的問題。?
2.2.3單片機IC介紹
單片機IC的主要作用：1.充電槍的功能運行邏輯和運算的中央處理器2.通訊和協(xié)同工作的指揮中心，實現(xiàn)各個IC模塊之間的交互3.集成了內(nèi)存、串口、計數(shù)器、A/D轉(zhuǎn)換器、DMA等接口4. 計算電壓、電流，產(chǎn)生繼電器以及LED燈等器件的驅(qū)動信號。
單片機IC對隨車充電槍（IC-CPD）充電槍充電的具體控制：繼電器平時處于常開狀態(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。充電槍插上電動車，CP信號與電動車連接，系統(tǒng)檢測到具備充電條件后，板卡上的MCU會控制繼電器閉合，充電回路導通。充電完成、手動終止充電或有漏電情況發(fā)生時，MCU會控制繼電器立刻斷開。具有充電條件以后，控制導引模塊會持續(xù)向整車上的OBC（車載充電器）發(fā)送PWM信號，告知OBC，ICCPD的最大充電電流，再由汽車自己來決定使用多大的電流進行充電。
目前比較主流的單片機IC大部分都是國外自主研發(fā)的，如ST、TI、NXP、ADI、英飛凌等，國內(nèi)客戶基本都是以很高的價格買回，不僅如此，有時還要面臨芯片交期長，缺貨等問題?，F(xiàn)在國家也正在提倡“中國芯“，大力扶持國內(nèi)的很多芯片企業(yè)，加速我們國內(nèi)的芯片發(fā)展，國內(nèi)目前也涌現(xiàn)了很多優(yōu)秀的芯片公司。
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，如果電壓過高會損壞開關(guān)電源，電流過大會導致繼電器的損壞。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，既能保護電路，也能讓作業(yè)人員遠離高壓，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)格書里都會有說明，可以根據(jù)實際的電路應(yīng)用來選擇合適的電壓、電流互感器。
國內(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。
2.4漏電流傳感器
（1）IC-CPD標準對漏電保護要求的解讀
國標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型的剩余保護功能的裝置，目前現(xiàn)行的國標中還沒有強制規(guī)定要求使用B型剩余電流保護裝置，但是未來國內(nèi)的IC-CPD對漏電保護的要求肯定是會越來越嚴格。
歐標IEC61851-1：2017 的標準中對IC-CPD的要求進行了規(guī)定，要求交流充電設(shè)備中的剩余電流保護需要采用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）充電槍的標準中也提到了，要求剩余電流保護裝置能夠檢測到平滑直流6mA。 相較于國標的要求，歐標為更高的要求。
圖15： IEC 61851.1-2010 6.5中對剩余電流保護的要求
?
（2）IC-CPD與電動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剩余電流的原理：有三根水管A、B、C里面的水都流進水管N。正常情況下管子沒漏水時，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檢測A+B+C-N是否等于0的元件。在水沒漏的情況產(chǎn)品檢測到漏水流就等于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）。這個時候，虛線框的元件檢測到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。到漏水量到達一定值時，監(jiān)控系統(tǒng)就會發(fā)出警報。
在電氣系統(tǒng)中，漏電指的是相線直接對地或者對N線的漏電，而不是N線對地的漏電，只有相線對PE線的漏電，才會導致N線電流與三相不平衡電流在數(shù)值上不相等。
而對于IC-CPD給電動汽車充電的應(yīng)用場景下，內(nèi)部電源拓撲結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，而且電動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，脈動型直流分量，特別是在這種特殊的應(yīng)用場景下會出現(xiàn)直流電流，基于此，電動車充電過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，與車輛組成的充電系統(tǒng)，可能會有漏電產(chǎn)生的部位包括：充電槍線接口、車輛內(nèi)部。在車載充電機前端（藍色部分）發(fā)生的漏電電流為交流正弦，在車載充電機后端（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個部分a、b、c、d。
a點的漏電流類型：充電槍頭中的交流電與PE地之間產(chǎn)生的交流漏電。
b點的漏電流類型：車載充電機前端的電流與PE地之間產(chǎn)生的脈動直流漏電。
c點的漏電流類型：車載充電機上整流后的DC電流與PE地之間產(chǎn)生的直流漏電。
d點的漏電流類型：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：電動汽車充電過程中的漏電
如下圖18所示，圖中藍框部分，表示Type B型漏保檢測漏電流的范圍從漏電保護磁環(huán)到車載充電機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型漏保的保護范圍，小于Type B型，A型只能對交流、脈動直流，脈動直流疊加6mA平滑直流的漏電進行保護。
圖18：不同類型漏電保護器的保護范圍
MAGTRON公司推出的滿足最新IC-CPD漏電流檢測要求的產(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，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(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符合國標、歐標、美標的漏電傳感器
參考文獻：
- IEC 62752-2018 In-cable control and protection device for mode 2 charging of electric road vehicles (IC-CPD)。
- GB/T 18487.1-2001《電動車輛傳導充電系統(tǒng)一般要求》。
- IEC 61851-1：2017《電動汽車傳導充電系統(tǒng)》。
- 《EV charging - electrical installation design - ElectricalInstallation Guide》。
