新型交流充电桩可靠性优化设计

新型交流充电桩可靠性优化设计

沈琳华

南京简充电气科技有限公司江苏南京210000

摘要：简要介绍交流充电桩现状。针对市场上交流充电桩激烈的价格竞争，研发一款性价比高新型交流充电桩迫在眉睫。提出一套完整的可靠性优化设计系统，该系统包括板载继电器输出、指示灯控制、漏电保护、防雷保护、过流保护、支持16A和32A两种充电方式、支持插枪自动充电、支持一键启停式充电等等，满足客户充电要求。

关键词：新型交流充电桩;简化一体式控制板;PWM

引言:

随着电动汽车的市场投放数量不断增大，国家提出建设充电配套设施的目标，以便给电动汽车快速的发展提供最根本的配套保障。根据国家能源局出台的《2018年能源工作指导意见》指出，统一电动汽车充电实施标准，优化电动汽车充电实施建设布局，建设适度超前，车桩相随，智能高效的充电基础设施体系。2018年将积极推进充电桩建设，年内计划建成充电桩60万个，其中公共充电桩10万个，私人充电桩50万个。按照国家电网的建设路线，电动汽车的能源供给模式将朝“慢充为主、快充为辅”的方向发展，因此加快交流充电桩的建设尤为重要，特别是性价比高，能迎合市场竞争的交流桩。本文论述了电动汽车交流充电桩一体化可靠性优化设计。

1、电动汽车新型交流充电桩系统构成

1.1新型交流充电桩系统构成介绍

新型交流充电桩系统主要由交流充电桩体、交流简化一体式充电控制板以及交流充电枪组成。该装置使用市电220V（±15%）作为输入电源，输出接口为新国标GB/T20234.2-2015规定的慢充充电枪，输出电流16A/32A。具备过温保护、过流保护、漏电流保护、故障紧急停机、充电电流选择等功能。该装置适用于普通纯电动轿车的慢充充电，充满预计6-8小时。

1.1.1交流充电桩体

1）结构要求

安装方式：壁挂式、立柱式。

壳体表面喷漆均匀光泽，不起泡，不龟裂，不脱落。外壳采用抗冲击力强，抗老化材质，还具有防盗功能。为了壳体降本和人性化设计建议尺：220mmX150mmX65mm（高X宽X深）-壁挂式/1450mmX150mmX65mm（高X宽X深）-立柱式。

2）耐环境要求

不低于IP32（室内）或者IP54(室外)

三防（防潮湿、防霉变、防盐雾）保护

防锈（防氧化）保护

电击保护（触电防护）

1.1.2交流简化一体式充电控制板

交流简化一体板主要由电源回路、产生PWM方波回路、PWM方波检波回路、急停和启停回路、灯显回路、继电器线圈电压切换回路、逻辑信号处理回路、充电输出回路组成。

2、电动汽车新型交流充电桩工作原理

2.1电源回路

电源进线回路主要指由AC220V供电，通过漏电流互感器产生小于30mA的电流起到漏电保护作用，通过板载压敏电阻起到D级防雷的作用，通过变压器以及电源管理芯片回路产生DC12V和DC5V给板内电气元件和输出继电器供电。

2.2产生PWM方波回路

产生PWM方波是由运算放大器电气回路来完成，根据交流充电桩国标PWM方波的频率为1KHZ，占空比53%（对应交流桩输出功率7KW），占空比26.5%（对应交流桩输出功率3.5KW），目前单相交流充电桩以这两种为主。

2.3PWM方波检波回路

PWM方波检波回路设计考虑振荡回路产生的PWM方波是一直振荡变化的，不能正确地判断充电过程中实际电压变化，所以检波回路主要作用根据交流充电控制导引过程，要有恒定的12V，9V，6V的电压过程来判断整个充电流程是否正常。

2.4急停和启停回路

灯显以及急停电气回路主要通过应用三极管导通特性以及光耦导通特性来实现在待机时红灯亮，在充电时绿灯亮，在故障时黄灯亮以及在发生故障时能即时按下急停停止充电。

2.5继电器线圈电压切换回路

继电器线圈电压切换回路主要作用是防止继电器线圈过热而被损坏。在正常工作情况下，继电器线圈12V得电闭合，通过延时1S，线圈电压由12V切换到5V供电（根据继电器特性设计），让继电器保持正常工作。

2.6逻辑信号处理回路

逻辑信号处理回路主要作用把所有要满足充电要求的信号通过逻辑回路来判断是否满足充电要求。如果满足充电要求，逻辑芯片会输出高电平，通过电气回路来闭合继电器输出充电功率。如果在充电过程中或者在充电之前没有满足充电要求则充电桩不正常工作。

2.7充电输出回路

交流充电输出回路最主要器件是继电器，通过三极管的导通特性和阻容件配合来达到延时功能从而来完成继电器延时导通。由于继电器在长时间工作条件下，温升比较大（一般继电器自身温升小于30℃），所以建议加散热片来降低温度保证继电器在正常的温度下工作。

3、电动汽车新型交流充电桩通讯拓扑

该技术主要考虑集中化智能控制来管理多个新型交流充电桩由于新型交流充电桩本身不具备通信功能，所以通过开入开出量来实现和主控制单元互联互通。通过开入量信号上传给主控制单元完成信息传输，主控单元通过开出量信号来控制新型交流充电桩的充电功能。对于计量，通过新型交流充电桩内电表和主控制单元485通讯来完成。针对每个新型交流充电桩上送的开入量信号进行编号处理，该编号顺序和每个桩体内电表地址编号顺序一一对应，从而实现智能化控制及计量功能。主控制单元通过集中打包处理把所有控制的新型交流充电桩的数据通过有线或者无线方式上传给后台。具体控制框图如下图所示。

4、总结

本文分析了基于国标GB/T18487.1-2015中充电模式4下连接方式C要求下的新型交流充电桩可靠性优化设计方案主要是通过硬件回路的搭建来完成，该设计产品可靠性高，集成性高，兼容性强（可兼容新老国标所有车型），体积小，支持一键启停功能，支持插枪自动充电功能（选配）。新型交流充电桩面向的客户群为非国网用户。该设计产品主要针对低端客户群，比市面上交流充电桩成本至少便宜三分之一。

参考文献：

【1】中华人民共和国国家标准.电动汽车传导充电系统第1部分：通用要求GB/T18487.1-2015.2016.1.1

【2】中华人民共和国国家标准.电动汽车传导充电用连接装置第2部分：交流充电接口GB/T20234.2-2015.2016.1.1

【3】胡超，张华，罗伟明，等．电动汽车直流充电系统研究［Ｊ］．华东电力，2009,37（10）：1483-1486

【4】毕恩兴．纯电动汽车实验台架用直流电源稳压控制器设计［Ｊ］．电子设计工程，2011（20）：188-192

【5】童诗白，第五版《模拟电子技术基础》

【6】毕恩兴．纯电动汽车实验台架用直流电源稳压控制器设计［Ｊ］．电子设计工程，2011（20）：188-192