简述新能源汽车充电设备 设计中的常见问题

文:浙江巨磁智能技术有限公司 刘俊鹏2023年第五期

安全性和可靠性是充电设备设计中的重中之重。如果设备的安全性设计没有经过考虑充分,风险性及失效分析不足,达不到相关的标准要求,就不能够称的上是一款合格的产品,更不能投入到实际的生产与使用中。

在充电设备的研发中,研发工程师必须严格按照相关的行业标准进行设计,如:GB/T  18487.1-2015《电动汽车传导充电系统第1部分:通用要求》、NB/T42077-2016充电的缆上控制与保护装置(IC-CPD)、NB/T33008GB/T18487.2-2017《电动车辆传导充电系统第2部分:非车载传导设备电磁兼容性要求》等,确保充电枪产品功能的稳定性以及安全性。本文将分享一些在充电枪和充电桩设计过程中的问题点,帮助大家了解充电设备需要满足哪些安全性相关的设计要求。

1模拟车端二极管短路的检测回路

在欧标标准:《IEC61851- 1:2017Electric vehicle  conductive  charging  system-Part  1: Generalrequirements》中要求确认电动汽车供电设备检测到的系统状态。交流充电控制导引电路的状态主要分为4种,状态1、状态2、状态3和状态0。在状态1时,CP 信号检测到的PWM波的电平为12V,表示备已上电,未与电动汽车连接。在状态2时,CP信号检测到的PWM波的电平为9V,  表示设备与电动汽车连接完成。在状态3时,CP信号检测到的PWM波的电平为6V,表示电动汽车端准备就绪,可以开始充电。状态0指CP信号检测到非12V、9V、6V的电平,此时处于异常状态,设备应不允许充电。

在闭合电动汽车供电设备的开关之前,至少要检测一次PWM信号是否处于-12V时的状态,确认车端的二极管是否存在。所以需要对新能源汽车的车端二极管进行检测。

简单来说,需要CP信号检测能够检测到电压的负半波,目的是为了确认充电的负载是新能源汽车,新能源汽车负载是存在二极管的,所以可以通过检测二极管状态来确认负载的类型。若车端的二极管正常,检测到的CP信号负半波为12V,若车端的二极管短路,正负半波是一样的。充电枪插枪时,CP信号要能够检测到-12V的信号,二极管短路时,插枪检测到的信号应该是-9V。

一般采样电路均为单端电路,采样范围仅包含正电压,没有办法采样负电压。只能把负电压转换成正电压才能够进行采集。一种负电压采样方法是用运放搭建一个反相器,把负电压进行反转之后再对它进行采样。

目前,只有欧标IEC61851的标准中对车端二极管检测有明确的要求,国标目前还没有对此有提出相关的要求,未来可能也会对此做出明确的要求,所以在设计欧标的充电设备时,要特别注意,一定要有检测车端二极管短路的功能。

2漏电自检功能

为了防止漏电流传感器自身失效,所以漏电流传感器必须具有自检功能,自检确认器件本身能够正常工作。目前,国标和欧标均对漏电流有自检的功能要求。只有自检通过,才可以触发触头闭合。标准中对自检的要求有:(1)在通电后,无论装置处在充电状态还是待充电状态,在10分钟之内必须漏电自检一次。(2)如果在过去 的10分钟之内已经进行了自检试验,则在上电或连接到车辆时,不需要另外再进行自检,即不要求每10min进行一次自检试验。

结合标准中的要求,较为合理的漏电自检功能的逻辑为:

(1)充电枪上电后自检一次,每次插枪后再自检一次,自检成功后,再闭合继电器。

(2)充电过程中不需要进行自检。

(3)自检的时间可以超2s。

综上,不管是设计国标还是欧标的充电设备产品时,都应该满足标准中对漏电流自检功能的要求。

3继电器粘连检测

新能源汽车随车充和交流充电桩均要具备输出继电器触点粘连检测的功能。即充电设备给新能源汽车充电前,需要实时确认输出继电器是否有触点粘连的故障,如果有,则需要发出告警指示禁止设备给汽车充电,来确保用户充电时的使用安全。

继电器触点粘连与继电器动作时的电弧故障有关。在上电或充电过程中过载或遇到冲击负载的时候,电流会突然增大,达到甚至超过输出继电器的响应整定值,会使继电器进行响应,闭合其触点,接通电路中的电磁执行器件(继电器线圈或脱扣线圈)。在脱扣线圈响应断电的一瞬间,由于电磁感应作用,线圈会引起瞬间高电位,与电源电压叠加在保护电路中的电器元件的触点两侧,导致电弧拉弧,产生粘连的现象。继电器粘连后,容易出现充电启动失败或充电完成后拔枪时报故障的情况。

最新的IC-CPD标准GB/T41589-2022中也增加了对触点粘连检测的要求:触头短接,应使IC-CPD不能进行充电,对任何触头都要能够进行检测。

标准NB/T33008.2-2018中也有对交流充电桩触点粘连检测的要求,但并未对检测方式有明确的要求。

为了解行业内厂家对于继电器触点粘连检测功能的设计情况,在此调研了市面上正在进行销售的国标充电桩产品。这里主要选取了几款主流充电桩品牌:挚*、联*、奥*、极*、公*、华*。

华*和极*的充电桩选择了安全系数更高、设计难度更大、硬件成本更高的单路继电器粘连检测方式,挚*、公*、奥*则选择了双路的继电器粘连检测方式。

通过和几家不同的检测机构沟通了解到,目前对继电器粘连检测的标准也有所不同。例如以国标桩认证为主的机构认为:继电器粘连检测,标准中没有明确规定一定要单路还是双路检测,这两种设计都没有问题;而以欧标出口桩为主的认证机构则认为:标准中要求对单路和双路两种检测方式都需要进行测试,既要能对双路触点粘连进行检测,也要能对单路触点粘连进行检测。

所以对继电器触点粘连检测方案的选择,要根据实际条件,结合方案设计及成本等多方面因素进行考量。

4CE传导测试、CPT端口的骚扰电压测量

充电设备自身的电磁兼容问题也成为其安全性的重要部分之一。在设计过程中,往往遇到问题最多的是CE 传导发射测试及CPT端口的骚扰电压测量,本文将结合《GB/T  18487.2电动汽车传导充电系统第2部分:非车载传导供电设备电磁兼容要求》标准中的内容,对充电设备的CE测试和CPT测试进行简单介绍。

CE:ConductedEmissions传导发射,指一个或多个导体(电源线、信号线、控制线等)传播电磁噪声能量的过程。

CPT端口:ConductivePowerTransferport传导电能传输端口,由于传导电能传输的电动汽车供电设备的电力输出端口,该端口传输低压或直流电能到充电系统的次级装置,并提供所需的信号/控制和通讯功能。

在GB/T18487.2第2部分中,对CE和CPT测试的要求和条件规定。

在充电桩的设计中,最常出问题的地方就是CE传导发射测试。CE测试Fail的原因和很多地方都有关系,比如设计初期的PCBlayout、变压器的漏感产生的干扰、开关电源部分产生的干扰等。下面结合实例,分享一下解决CE测试不过的心得和方法。

针对第一次CE测试的波形结果,基本可以定位在开关电源部分的滤波回路上,主要是共模和差模的干扰。150kHz-1MHz,以差模为主,1MHz-5MHz,差模和共模共同起作用,5MHz以后基本上是共模。差模干扰分容性耦合和感性耦合。用一个电阻串个电容后再并到Y电容的引脚上,用示波器测电阻两引脚的电压可以估测共模干扰大小。

针对差模干扰的整改对策:

(1)增大X电容的容值。

(2)增大共模电感感量,利用其漏感,抑制差模噪声。(共模电感有双线并绕或双线分开绕制等几种绕线方式。不管哪种绕法,由于绕制不紧密、线长差异等情况,肯定会出现漏磁现象,即一边线圈产生的磁力线不能完全通过另一线圈,这使得L-N线之间有感应电动势,相当于 在L-N之间串联了一个电感)。

(3)将PWM线路中的元件的主频调到60kHz左右。

针对共模干扰的整改对策:

(1)加大共模电感感量。

(2)调整L-GND,N-GND上的LC滤波器参数,滤掉共模噪声。

(3)P板尽可能接地,减小对地阻抗,从而减小线缆与大地的寄生电容。

(4)可以用一块铜皮紧贴在变压器磁芯上。

所有的充电桩及随车充设备都需要进行EMC检测。产品的EMC性能是设计阶段赋予的。一般电子产品设计时如果不考虑EMC因素,就会很容易导致EMC测试失败,以致不能通过相关EMC法规的测试或认证,产品也无法量产上市进行销售。所以在设计初期一定要充分考虑到EMC测试的风险,进行规避,对风险点进行评估及失效分析。

5结语

MAGTRON公司推出的满足最新IC-CPD漏电流检测要求的产品,该系列产品为B型漏电流传感器,基于MAGTRON自主研发的iFluxgate芯片,输出脱扣信号,对于不同的漏电成分都能够进行检测,能够完全满足IEC62752的漏电保护要求,产品可以完全覆盖3.3kW、7kW单相IC-CPD和22kW三相IC-CPD的应用场景,相比传统的漏电流传感器更可靠、更灵敏、更安全。


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