交流充電樁PWM波形參數(shù)典型問題統(tǒng)計與分析

交流充電樁PWM波形參數(shù)典型問題統(tǒng)計與分析孫遠(yuǎn);但富中;桑林;張萱【摘要】PWM信號是交流充電樁與電動汽車之間的通信方式，電動汽車通過檢測PWM信號的狀態(tài)實現(xiàn)充電開始、充電結(jié)束、以及調(diào)整充電電流.PWM信號的正確性、精準(zhǔn)性直接影響整個充電過程.GB/T18487.1對交流充電樁的PWM波形參數(shù)提出了詳細(xì)要求，在實際測試過程中，各充電樁廠家普遍存在PWM信號不準(zhǔn)確的現(xiàn)象?文章從PWM信號產(chǎn)生的原理出發(fā)，分析造成PWM波形參數(shù)不達(dá)標(biāo)的主要原因，對交流充電樁的設(shè)計及生產(chǎn)制造具有指導(dǎo)意義?％ACchargingspotcommunicateswithelectricvehiclesthroughPWMsignal,andtheelectricvehiclescontrolthebeginningandendofcharging,andadjustmentofchargingcurrentviadetectionofPWMsignalstatue.TheaccuracyandprecisionofPWMsignalaffectthewholechargingprocessdirectly.GB/T18487.1hasspecificrequirementsontheparametersofPWMsignal.However,theunqualifiedPWMwavesdesignedbydifferentEVSEmanufacturesweregenerallyfoundduringthetest.ThispaperanalyzedthemaincausesofunqualifiedparametersofPWMsignalbasedonthefundamentalprincipleofthegenerationofPWMwave,anditalsogavesignificantsuggestionsforthedesignandmanufactureofACchargingspot.【期刊名稱】《電測與儀表》【年(卷),期】2017(054)023【總頁數(shù)】5頁(P118-122)【關(guān)鍵詞】PWM信號;交流充電樁;電動汽車【作者】孫遠(yuǎn);但富中;桑林;張萱【作者單位】國網(wǎng)電力科學(xué)研究院實驗驗證中心,南京210061;國網(wǎng)電力科學(xué)研究院實驗驗證中心,南京210061;國網(wǎng)電力科學(xué)研究院實驗驗證中心,南京210061;國網(wǎng)電力科學(xué)研究院實驗驗證中心,南京210061【正文語種】中文【中圖分類】TM4690引言2016年1月1號國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會正式實施GB/T18487.1《電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)第一部分：通用要求》，該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了交直流充電設(shè)施應(yīng)滿足的最新基本要求，其中附錄A部分對交流充電設(shè)施的充電控制作了明確規(guī)定。PWM信號作為充電控制的重要內(nèi)容之一，其特征參數(shù)包括占空比、幅值、上升下降時間及頻率，特征參數(shù)的精確程度將影響整個充電過程，因此必須對交流充電設(shè)施產(chǎn)生的PWM波形參數(shù)進行研究，以確保交流充電設(shè)施具有良好的兼容性并能與電動汽車進行安全可靠的充電。在測試過程中，不同品牌交流充電樁的PWM波形參數(shù)問題普遍存在，統(tǒng)計了市場上二十個主流生產(chǎn)商的交流充電樁樣品，包括國電南瑞、南京能瑞、中恒電氣等其中規(guī)格分布為：單相220V/32A計12臺，三相380V/63A計8臺。在型式試驗及互操作測試活動中，對在首次測試時發(fā)生的PWM信號問題按照表1進行了分類統(tǒng)計，得到交流充電樁PWM波形參數(shù)典型問題的分布比例。表1交流充電樁PWM信號典型問題分布表Tab.1DistributiontableofPWMsignalproblems序號PWM信號問題頻數(shù)頻率1占空比超限940.91%2幅值超限731.82%3PWM上升下降時間超限418.18%4PWM波形失真29.09%從表1中可以看出，占空比超限占據(jù)了41%的比例，是PWM信號發(fā)生問題的主要原因，設(shè)計人員對標(biāo)準(zhǔn)理解的欠缺是導(dǎo)致該問題發(fā)生的主要因素；其次為PWM信號的幅值超限問題，約占32%的比例，主要表現(xiàn)為-12V電壓幅值超限；再者是PWM信號的上升下降時間超限，約為18%的占比；最后是PWM波形失真問題，占9%的比例，內(nèi)部器件、電容參數(shù)設(shè)計不合理是造成PWM波形失真及上升下降時間超限的主要原因。PWM占空比超限依據(jù)測試統(tǒng)計，目前交流充電樁主控板一般采用意法、微芯、恩智浦及美信等廠商的MCU芯片，該類芯片具備PWM輸出模塊，利用定時器對寄存值進行合理的設(shè)定，即能輸出對應(yīng)頻率、占空比的PWM信號。GB/T18487.1中對充電設(shè)施產(chǎn)生的PWM占空比與充電電流限值映射關(guān)系做了明確規(guī)定［1］,結(jié)合測試中遇到的市場上主流交流充電樁的規(guī)格，整理出常見充電電流與PWM占空比、頻率的對應(yīng)關(guān)系，并將設(shè)計與實測的偏差列于表2、表3中。以某充電樁廠商采用的PIC16F887芯片為例，PWM占空比是通過對MCU芯片內(nèi)寄存器值的設(shè)置實現(xiàn)的。文獻(xiàn)［2］中對寄存器的設(shè)置原理及方法進行了詳細(xì)的闡述。PIC16F887芯片提供了三個Time時鐘，其中TimerO模塊是一個8位定時器/計數(shù)器，Timer1模塊是一個帶預(yù)分頻的16位定時器/計數(shù)器，Timer2模塊是一個可編程預(yù)分頻的8位定時器/計數(shù)器［3］。實現(xiàn)時采用Time2及PWM模塊，Time2的工作框圖如圖1所示。表2PWM占空比偏差表Tab.2DeviationtableofPWMdutycyclePWM標(biāo)準(zhǔn)占空比最大允許充電電流Imax計算占空比實測占空比計算與標(biāo)準(zhǔn)值偏差允許偏差26.67%單相16A26.88%-+0.21%-53.33%單相32A53.60%53.38%+0.27%±0.5%89.20%三相63A89.25%-+0.05%-表3PWM頻率偏差表Tab.3DeviationtableofPWMfrequence標(biāo)準(zhǔn)頻率/Hz計算頻率/Hz實測頻率/Hz實測與標(biāo)準(zhǔn)值偏差/Hz允許偏差/Hz10001000997.1-2.9±30圖1Time2工作框圖Fig.1BlockdiagramofTime2PWM頻率的設(shè)定是通過Timer2的PR2寄存器來實現(xiàn)的，其計算公式為：芯片輸出PMW占空比依照式（2）進行計算，輸出端設(shè)計有高速光耦進行信號隔離及對PWM高低電平進行翻轉(zhuǎn)，因此充電樁實際輸出占空比為：式中Fosc為內(nèi)部系統(tǒng)時鐘；PR2為Time2的PR2寄存器；CCPR1L為CCPR1L寄存器；CCP1CON為CCP1CON寄存器。該充電樁最大輸出電流為32A，程序中分別對以上參數(shù)進行初始化設(shè)置：PR2二0x7C;CCP1CON二0x0C;CCPR1L二58；利用式（1）~式（3）計算PWM信號的頻率及占空比，并將計算結(jié)果填于表2、表3中?？梢钥闯觯嬎阒?、實測值與標(biāo)準(zhǔn)值存在偏差，但仍能滿足國標(biāo)的偏差要求。實驗時由于未發(fā)現(xiàn)頻率偏差超限，因而表1中僅對占空比超限進行了統(tǒng)計。當(dāng)實測占空比對比國標(biāo)要求出現(xiàn)偏差超限時，調(diào)整CCPR1L寄存器的設(shè)置值，對不同廠商的芯片，該寄存器的名稱各異但功能相同，從而改變占空比偏差使其滿足國標(biāo)要求。PWM幅值超限2.1對PWM的-12V檢測GB/T18487.1中對PWM的幅值偏差作了明確要求，在測試過程中，PWM幅值超限主要集中在-12V超限。依照IEC標(biāo)準(zhǔn)[4],在充電過程中，應(yīng)由充電樁至少發(fā)起一次對-12V的檢測，主要目的是驗證車端二極管是否存在。部分充電樁制造企業(yè)在設(shè)計時往往忽略-12V檢測的重要性，而不對其進行檢測。-12V—般由充電樁內(nèi)電源模塊產(chǎn)生，本文以某廠商采用的金升陽型號為A0512S-2WR2的電源為例，其應(yīng)用電路如圖2所示。圖2采用5V轉(zhuǎn)±12V微功率電源的應(yīng)用電路圖Fig.2Applicationcircuitdiagramof5Vturnto±12Vusingmicropowersupply2.2負(fù)值超限的解決方案充電樁內(nèi)常用驅(qū)動電源的規(guī)格為5V,12V與24V,12V常見的設(shè)計方法主要有兩種，一種是通過220V轉(zhuǎn)±12V的單路或多路電源模塊產(chǎn)生，該類電源模塊的功率—般在幾十瓦至幾百瓦之間，體積較大，輸出具備可調(diào)節(jié)功能；—種是利用已有的5V或24V驅(qū)動電源，經(jīng)5V或24V轉(zhuǎn)±12V的微功率電源模塊產(chǎn)生，該類微功率電源模塊一般用于對安裝空間要求比較嚴(yán)格的場合，例如在壁掛式交流充電樁中往往應(yīng)用較多，但該方式的12V輸出不具備可調(diào)節(jié)功能；針對這兩種設(shè)計方式，常見的解決方法主要有以下幾種：(1)對采用輸出為±12V單路或多路電源模塊的充電樁，該類電源輸出具備一定范圍的線性調(diào)整功能，如某充電樁采用的明緯RD-35A開關(guān)電源，依照其產(chǎn)品手冊[5],在12V輸出時，具有±1.5%的線性調(diào)整率，輸出電壓在11.82V~12.18V之間連續(xù)可調(diào)，通過調(diào)節(jié)輸出即能滿足要求。(2)對于采用經(jīng)5V或24V轉(zhuǎn)±12V微功率電源的充電樁，如上文所提到采用某公司型號為A0512S-2WR2的DC/DC電源。一種解決方式是在輸出-12V與GND引腳之間增加合適的電阻R0,如圖2所示，依照偏差情況拉低或抬高-12V的幅值，使其符合偏差要求，表4列出了某充電樁在增加不同R0情況下-12V的變化情況；另一種方式是改變輸入端Vin的幅值，在Vin與GND引腳之間串接合適的電阻R1,如圖2所示，降低電源的輸入電壓，依照該電源的輸出特性[6],輸出電壓對應(yīng)改變。經(jīng)實際測試，該充電樁在Vin與GND之間串接4.2Q的電阻后,-12V電壓偏差得到明顯改善，表5列出了增加R1前后的-12V電壓變化情況。表4R0阻值與-12V變化對應(yīng)表Tab.4Changetableof-12VwithdifferentRO序號RO阻值/Q當(dāng)前值/V原值/VA/V10-13.0-13.00.02300-12.3-13.0＋0.73450-12.8-13.0＋0.2表5R1阻值與-12V變化對應(yīng)表Tab.5Changetableof-12VwithR1序號R1阻值/Q當(dāng)前值/V原值/VA/V14.2-12.4-13.0+0.6PWM上升下降時間超限PWM上升下降時間超標(biāo)會導(dǎo)致PWM波形失真,GB/T18487.1中對PWM上升下降時間提出了2ps的要求。針對采用連接方式B的交流充電樁，直接從PCB板件輸出端測量PWM上升下降時間，對采用連接方式C的充電樁，一般采用從槍頭測量的方式。在測試過程中發(fā)現(xiàn)，對采用連接方式C的充電樁，受充電連接器電纜的影響（在圖4用C5表示電纜的電容效應(yīng)）。從充電槍接口處測量得到的PWM波形的上升下降時間并不能滿足2ps的要求。為此，對連接方式C的交流充電樁，采用與連接方式B相同的測試方式復(fù)測PWM波的上升下降時間，依據(jù)表1的統(tǒng)計，兩種常見的連接方式中仍有約18%的制造商不能滿足要求。目前CP信號常見的發(fā)生電路主要分為兩類：方式一是MCU輸出后級接由比較器與運放組成電路的設(shè)計方式，如圖3所示，該設(shè)計模式下，對地電容C217對PWM波形的上升下降時間影響顯著，合理調(diào)整電容參數(shù)一般能夠滿足設(shè)計要求；方式二是MCU輸出后級接由三極管組成推挽電路的設(shè)計形式。圖4為方式二PWM信號發(fā)生的局部原理圖[7-10],MCU芯片輸出3.3VPWM波，后級經(jīng)推挽放大電路產(chǎn)生CP信號。典型推挽電路的組成一般主要由圖4中虛線框1中的光耦、虛線框2中的三極管以及后端虛線框3中的電容組成，在CP輸出端，通過并接C4電容起到濾波的作用。經(jīng)實測，三者均會對PWM波的上升下降時間造成影響。針對問題發(fā)生原因，一般從以下幾個方面著手解決上升下降時間超限的問題：（1）光耦的選型、例如采用高速光耦替代普通光耦；（2）三極管的選型，例如提高三極管的開關(guān)響應(yīng)時間；（3）降低C4電容參數(shù)。經(jīng)測試，合理調(diào)整以上器件的相關(guān)參數(shù)后，能較好的解決方式二的PWM波形上升下降時間超限的問題。圖3采用放大器與運放的PWM信號原理圖Fig.3PrinciplediagramofPWMusingamplifiers圖4采用推挽電路的PWM信號原理圖Fig.4PrinciplediagramofPWMusingpush-pullcircuitPWM波形失真參照GB/T18487.1附錄A.2-A.4的控制導(dǎo)引電路原理圖，交流充電樁通過充電連接器與電動汽車建立連接后,CP信號與車輛控制裝置建立連接。由于不同品牌電動汽車的內(nèi)部構(gòu)造存在差異，車輛控制裝置的接入對于PWM信號存在一定的影響。現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，部分國產(chǎn)車型內(nèi)部電氣隔離較差，例如動力電纜與控制信號之間未進行有效的電氣隔離，在PWM信號接入車端控制器后，對充電樁輸出的PWM信號產(chǎn)生較大干擾，造成PWM波形失真，典型的失真示例如圖5所示。圖5PWM波形失真Fig.5DistortionofPWMwave交流充電樁通過檢測檢測點1的電壓信號幅值判斷充電狀態(tài)，當(dāng)PWM信號中夾雜著較大干擾信號時，充電樁采集計算得到的電壓值會存在比較大的偏差，容易造成狀態(tài)判斷錯誤。現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，部分廠家在軟硬件的設(shè)計中并未考慮外部干擾的影響，其PWM信號的抗干擾能力較差。針對這種情況，需要從軟件與硬件上進行改良，在硬件設(shè)計上，一方面在樁內(nèi)對PWM信號實現(xiàn)有效的電氣隔離，另一方面在充電樁內(nèi)部對進入A/D轉(zhuǎn)換器的PWM進行濾波處理；在程序設(shè)計上，例如采用加快采樣頻率的方式提高采樣的準(zhǔn)確性，經(jīng)實測，通過以上方式的改進能有效降低干擾造成的影響。結(jié)束語文中對交流充電樁PWM波形參數(shù)的典型問題進行了分類統(tǒng)計，并從PWM產(chǎn)生的原理，分析了程序參數(shù)及硬件選型對PWM波形參數(shù)的影響。分析結(jié)果表明：（1）PWM波形參數(shù)的典型問題中，占空比超限是主要原因，而造成占空比超限的原因是設(shè)計人員對標(biāo)準(zhǔn)理解的不到位，導(dǎo)致程序中相關(guān)寄存器的值設(shè)定不合理；（2）部分充電樁設(shè)備商不會對PWM的-12V進行檢測，因而無法判斷車端二極管是否存在。同時,-12V幅值超限是PWM波形參數(shù)的次要問題，對通過220V轉(zhuǎn)±12V的單路或多路輸出電源，可通過調(diào)節(jié)輸出解決；對于通過5V或24V轉(zhuǎn)12V的微功率電源模塊，可通過改變電源輸入或者在輸出端串接電阻實現(xiàn)-12V的調(diào)整；（3）PWM上升下降時間超限及波形失真問題與充電樁內(nèi)部硬件設(shè)計密切相關(guān)，尤其是CP信號電路中光耦的選型、三極管開關(guān)響應(yīng)時間的快慢，以及輸出電路濾波電容的大小。常見的PWM信號問題包含但不限于PWM波形參數(shù)問題，本文僅對交流充電樁的PWM波形參數(shù)問題進行了匯總分析，PWM信號在充電過程中的應(yīng)用錯誤，如PWM波形缺乏連續(xù)性、發(fā)生及關(guān)斷時刻錯誤等將在后續(xù)進一步總結(jié)。參考文獻(xiàn)【相關(guān)文獻(xiàn)】[1]GB/T18487.1-2015，電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)第1部分：通用要求[S].[2]商慧杰?電動汽車交流充電樁的研制[D]?哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2012.[3]PIC16F882／883／884／886／887Datasheet[Z].[4]IEC61851－22ed1.0，Electricvehicleconductivechargingsystem－Part22：ACelectricvehiclechargingstation[S].[5]35W雙組輸出開關(guān)電源[Z]?廣州：明緯電子有限公司，