简述新能源汽车随车充电枪（IC-CPD）的关键元器件及应用
发布时间：2023-6-27 18:25
发布者：eechina
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单位：浙江巨磁智能技术有限公司 作者：刘俊鹏 随着新能源汽车的飞速发展，电动汽车随车充电枪（IC-CPD）的需求量也正在飞速的上升。 
图1：随车充电枪（IC-CPD）外观 一、电动汽车随车充电枪（IC-CPD）的组成及内部模块： 
图2：随车充电枪（IC-CPD）充电枪的主要构成和使用场景 1.1基本组成：与固定插座连接的家用供电插头、充电枪头、线上控制与保护装置（控制保护盒）、线缆、连接电动汽车的车辆连接器等。 供电插头：国标随车充电枪（IC-CPD）的供电插头，与一般的家用电气的插头一样，有10A/16A 220V两种规格，目前市面上用的比较多的还是10A/220V的插头，一般为了充电的安全，会在插头内增加温度传感器。使用家用插头就可以让随车充电枪（IC-CPD）充电枪在普通的插座上给新能量汽车进行充电。 充电枪头：车辆侧用插头，符合GB/T20234-2015 IC-CPD：集成了供电控制、控制导引、漏电保护等基本功能，一些高端的ICCPD还集成了显示充电过程的实时状态、温度控制等其他功能。内部包括开关电源、继电器驱动、CP信号调制、漏电保护、电压/电流检测等回路。 线缆：IC-CPD中的线缆主要分为2部分，第一段为插头与控制保护盒之间的线缆，即图2红框中A部分所示，长度一般在20cm～1m不等，NB/T42077-2016中8.1项规定了插头和IC-CPD之间电缆的最大允许长度为1.7m。第二段为控制保护盒和车辆连接器之间的线缆，即图2红框中B部分所示，长度一般在3～4m不等，标准中对这部分的长度没有进行明确的要求。目前，市面上在售16A的IC-CPD线缆一般主要以5m/10m/15m这3种规格的长度为主，多采用优质纯铜电缆，A侧的线径一般为 0.75mm²，B侧的线径为2.5mm²。应具有阻燃抗冲击、防水耐高温等优点。 1.2 IC-CPD上的主要电子元器件包括继电器、MCU、漏电流保护装置、电流互感器、电压互感器等，下面我将逐个介绍一下它们在IC-CPD内部的主要功能。 
图3：IC-CPD板卡上元器件示意框图 二、电动汽车随车充电枪（IC-CPD）各元件介绍 2.1 继电器 继电器在IC-CPD中主要起控制充电的开关作用，具有驱动能力强的优点。触头部分应有灭弧电路，驱动线圈部分的放电回路具有双重保护可以增加可靠性，提高使用寿命。继电器内部一般分为触点和线圈2部分，继电器的铭牌上都会给出触点的额定电流、电压和线圈的额定电压，而在IC-CPD的板卡上主要参考的参数是继电器的耐压值，IC-CPD的测试标准中对耐压测试的电压条件为2KV。另外，对于欧标CE认证，还需要继电器的触头间距大于3mm。 目前国内主流的继电器厂商有宏发、赛特勒、松乐等，国外知名的继电器厂商有欧姆龙、施耐德、松下、泰科、ABB等。 
图4：一些市场上的主流继电器产品 2.2芯片 最近芯片行业比较火爆，国家也在大力支持造“中国芯”，随着芯片技术迭代，硅进铜退战略，使用更多的集成芯片技术来替代铜工艺产品，节省资源的同时提高产品的集成度和智能化。在此先简单介绍一下芯片的相关知识。 芯片IC是将电路构成中的有源电子元件和无源元件互连进行布局，通过半导体工艺或者薄、厚膜工艺，制作在半导体的基片上，形成结构紧凑、功能多样的电路，与分立元器件组成的电路相比，具有体积小、重量轻、高度集成、功率低、使用方便和成本低等特点。 芯片可以分为很多个种类：按照信号处理的不同可以分为模拟芯片和数字芯片，像随车充电枪（IC-CPD）中使用的ADC（模数转换芯片）、运算放大器芯片、开关电源IC等都属于模拟芯片，模拟芯片主要用来产生、放大和处理各种模拟量的信号。 数字芯片多用于一些逻辑类的运算处理，比如CPU、内存芯片、DSP芯片等。按照不同的应用场景来分类，可以将芯片分为：民用级（消费级）、工业级、汽车级、军工级、航天级，随车充电枪（IC-CPD）中的芯片需要满足工业级的要求，对芯片使用时的温度有-40℃～85℃的要求。 逻辑芯片（数据处理器）可以分为单内核、双内核和多内核。 以ARM公司的产品为例：ARM公司开发的Cortex系列分为A、R、M三个系列，A系列主要用于复杂的电脑应用（如计算机、电视、手机等），R系列主要用于需要实时响应的场景之中（如自动驾驶），M系列主要应用于嵌入式设备、小型传感器、智能家居产品中居多。在嵌入式开发中，使用的系列基本都是ARM Cortex-M。 Cortex-M系统主要分为Cortex-M0、Cortex-M0+、Cortex-M1、Cortex-M3、Cortex-M4、Cortex-M7、Cortex-M23、Cortex-M33等多个系列。 
图5：Cortex-M家族适用场景描述 
图6：芯片内核天梯图 简单来说，M0系列工作频率为48M，属于入门级的基础版本、M3系列工作频率为72M，作为主流设计内核的选型，应用广泛、M4系列工作频率为168M，增加了DSP处理，性能优越，多用于嵌入式音频。在随车充电枪（IC-CPD）充电枪中，对于芯片的要求主要是功能控制简单，逻辑不需要太复杂，整体成本控制的越低越好。选用Cortex-M0的内核就可以满足ICCPD的需求。 目前市面上随车充电枪（IC-CPD）使用到的芯片类型主要有开关电源控制IC，精密运放IC，单片机IC三大类。 2.2.1运放类芯片介绍 运放IC的主要作用是对随车充电枪（IC-CPD）中的CP信号进行运算及处理，保证CP信号在国标规定范围内变化，通过改变不同的CP电压值来调整不同的充电状态。 
图7：GB/18487中对输出电压的参数要求 运放IC有三个端口，其中有两个输入端口，分别为“+”和“-”，一个输出端口。当输入信号从“-”端口输入放大器时，输出端的输出信号与输入信号反相;反之，当输入信号从“+”端口输入放大器时，输出端的输出信号与输入信号同相;当两个输入端口同时输入信号时，运算放大器实现减数运算，输出信号与较大的一方同相。所以说，运算放大器基本上可以说是一个电压放大器。一个理想的运算放大器必须具备下列特性：无限大的 输入阻抗、等于零的输出阻抗、无限大的开回路增益、无限大的共模排斥比的部分、无限大的频宽。 
图8：运算放大器的典型电路 同相输入运放电路原理的输出公式为：VO=VI×（1+R2/R1） 反相输入运放电路原理的输出公式为：VO=-VI×（R2/R1） 运放IC的选型主要考虑到：输入类型、精度要求、使用环境条件、通道数、单双电源、功率大小、封装等。随车充电枪（IC-CPD）充电枪对运放的精度要求不高，功耗一般要求在5W左右。 目前主流的运放IC的品牌有：ADI、Maxim、TI、NXP、ON等，国内有：润石科技、瑞盟科技、恩瑞浦3PEAK等。国外的运放IC一般价格较贵、交期长，性能优越，国产厂家的运放IC一般价格便宜，交期相对比较短。 
图9：市面上一些运放IC的厂家 2.2.2开关电源芯片介绍 开关电源控制IC的主要作用是给各个模块提供需要的电源，随车充电枪（IC-CPD）中主要是给继电器、芯片、运放IC提供所需的电压信号，开关电源一般分为AC-DC、DC-DC这二种类型，AC/DC开关电源主要分为非隔离型电路和隔离性电路。随车充电枪（IC-CPD）充电枪中，AC-DC主要使用隔离型（反激式）的开关电源电路，直流降压大部分选用LDO模块进行处理。 
图10：开关电源的2种不同电路 在开关电源应用中,400W以下的电源大约占了市场的70-80%,而其中反激式电源又占大部分,几乎常见的消费类产品全是反激式电源，它的优点：成本低,外围元件少，低耗能，适用于宽电压范围输入,可多组输出，缺点：输出纹波比较大。(输出加低内阻滤波电容或加LC噪声滤波器可以改善) 目前国内比较知名的开关电源IC厂家有：芯朋微电子的PN8系列、士兰微的SDH系列、华冠的UC系列等，国外有：power integrations、MPS等。总的来说国内的芯片性价比较高，交期不会有问题，而国外的芯片价格昂贵，且会有交期长的问题。 
图11：一些开关电源IC的型号 2.2.3单片机IC介绍 单片机IC的主要作用：1.充电枪的功能运行逻辑和运算的中央处理器2.通讯和协同工作的指挥中心，实现各个IC模块之间的交互3.集成了内存、串口、计数器、A/D转换器、DMA等接口4. 计算电压、电流，产生继电器以及LED灯等器件的驱动信号。 单片机IC对随车充电枪（IC-CPD）充电枪充电的具体控制：继电器平时处于常开状态，插头插上插座之后，充电枪是不带电的，防止充电人员触电。充电枪插上电动车，CP信号与电动车连接，系统检测到具备充电条件后，板卡上的MCU会控制继电器闭合，充电回路导通。充电完成、手动终止充电或有漏电情况发生时，MCU会控制继电器立刻断开。具有充电条件以后，控制导引模块会持续向整车上的OBC（车载充电器）发送PWM信号，告知OBC，ICCPD的最大充电电流，再由汽车自己来决定使用多大的电流进行充电。 目前比较主流的单片机IC大部分都是国外自主研发的，如ST、TI、NXP、ADI、英飞凌等，国内客户基本都是以很高的价格买回，不仅如此，有时还要面临芯片交期长，缺货等问题。现在国家也正在提倡“中国芯“，大力扶持国内的很多芯片企业，加速我们国内的芯片发展，国内目前也涌现了很多优秀的芯片公司。 
图12：主流的芯片厂家 2.3电流/电压采样器件--互感器 电流/电压互感器在IC-CPD板卡上主要起电流/电压（电量）采样的作用，在回路中，如果电压过高会损坏开关电源，电流过大会导致继电器的损坏。电压和电流互感器的原理都是利用了电磁感应的原理，将高电压转化为低电压，大电流转化为小电流，使二次侧的设备（如继电器）能够小型化，既能保护电路，也能让作业人员远离高压，保证人身安全。 电压、电流互感器的主要参数包括：额定电压、一次电流、二次电流、额定容量、 电流/电压比等。这些在外壳的铭牌上和规格书里都会有说明，可以根据实际的电路应用来选择合适的电压、电流互感器。 国内目前比较有名的互感器厂家有：圳恒通、泽明、南京向上电子等厂家。 
图13：国内品牌的板载互感器 2.4漏电流传感器 （1）IC-CPD标准对漏电保护要求的解读 国标GB/T18487.1中规定了交流充电模式中，应具备满足B型或A型的剩余保护功能的装置，目前现行的国标中还没有强制规定要求使用B型剩余电流保护装置，但是未来国内的IC-CPD对漏电保护的要求肯定是会越来越严格。 
图14：GB/T18487.1-2015中对剩余电流保护的要求 欧标IEC61851-1：2017 的标准中对IC-CPD的要求进行了规定，要求交流充电设备中的剩余电流保护需要采用B型或者A型+6mA平滑直流的RCD，IEC62752-2018关于随车充电枪（IC-CPD）充电枪的标准中也提到了，要求剩余电流保护装置能够检测到平滑直流6mA。 相较于国标的要求，欧标为更高的要求。 
图15： IEC 61851.1-2010 6.5中对剩余电流保护的要求 （2）IC-CPD与电动汽车充电的漏电流种类及产生原因 
图16：漏电流产生的原理 通俗易懂的描述一下检测剩余电流的原理：有三根水管A、B、C里面的水都流进水管N。正常情况下管子没漏水时，水量A+B+C=N，考虑水流方向，A+B+C-N=0。图中椭圆的虚线框就是用来检测A+B+C-N是否等于0的元件。在水没漏的情况产品检测到漏水流就等于0。 如果在某种情况下，其中一根水管破了，漏水了，像上图这样，一部分水流到土里去了（在电气中，我们称为接地故障）。这个时候，虚线框的元件检测到A+B+C-N不等于0了，然后监控系统就知道出现漏水的情况了。到漏水量到达一定值时，监控系统就会发出警报。 在电气系统中，漏电指的是相线直接对地或者对N线的漏电，而不是N线对地的漏电，只有相线对PE线的漏电，才会导致N线电流与三相不平衡电流在数值上不相等。 而对于IC-CPD给电动汽车充电的应用场景下，内部电源拓扑结构较为复杂，而且电动汽车的电池为直流电源系统，所以电流的成分比较复杂，包含交流电流，脉动型直流分量，特别是在这种特殊的应用场景下会出现直流电流，基于此，电动车充电过程中的漏电流的种类也更加复杂。 下图17为随车充电枪（IC-CPD）充电枪在充电时，与车辆组成的充电系统，可能会有漏电产生的部位包括：充电枪线接口、车辆内部。在车载充电机前端（蓝色部分）发生的漏电电流为交流正弦，在车载充电机后端（淡橙色）发生的漏电包含了直流剩余电流。 将下图中可能产生漏电流的地方分为4个部分a、b、c、d。 a点的漏电流类型：充电枪头中的交流电与PE地之间产生的交流漏电。 b点的漏电流类型：车载充电机前端的电流与PE地之间产生的脉动直流漏电。 c点的漏电流类型：车载充电机上整流后的DC电流与PE地之间产生的直流漏电。 d点的漏电流类型：高频隔离变压器原边侧与PE地之间产生的非工频漏电。 
图17：电动汽车充电过程中的漏电 如下图18所示，图中蓝框部分，表示Type B型漏保检测漏电流的范围从漏电保护磁环到车载充电机的高频隔离变压器原边。可能产生的漏电流包括：交流电流、脉动直流电流，平滑直流电流，高频电流。 图18中黄框部分表示Type A型漏保的保护范围，小于Type B型，A型只能对交流、脉动直流，脉动直流叠加6mA平滑直流的漏电进行保护。 
图18：不同类型漏电保护器的保护范围 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。 
图19：MAGTRON符合国标、欧标、美标的漏电传感器 参考文献： 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《电动车辆传导充电系统一般要求》。 3. IEC 61851-1：2017《电动汽车传导充电系统》。 4. 《EV charging - electrical installation design - ElectricalInstallation Guide》。 |
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