交流充電樁是新能源汽車的配套基礎(chǔ)設(shè)施之一，交流充電樁的普及程度直接影響到新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度。為了設(shè)計(jì)一款高可靠、低成本的交流充電樁，服務(wù)新能源汽車及交通運(yùn)輸行業(yè)的發(fā)展需求，文章提出使用線性光耦HCNR200/201設(shè)計(jì)交流充電樁CP信號(hào)采集隔離電路，并分析了隔離傳輸電路設(shè)計(jì)工作原理及實(shí)際應(yīng)用領(lǐng)域，可有效解決電動(dòng)汽車交流充電樁CP電壓信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)問題。

交通強(qiáng)國(guó);線性光耦;HCNR200/201;充電樁;線性控制

U469.72A481744

0 引言

為了響應(yīng)我國(guó)政策號(hào)召，促進(jìn)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)智慧交通強(qiáng)國(guó)之夢(mèng)，建設(shè)方便、快捷、高效、安全的智能交流充電樁，是服務(wù)現(xiàn)代交通運(yùn)輸產(chǎn)業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求，同時(shí)也是一項(xiàng)惠民工程。現(xiàn)代電子線路按照用電高低壓分為弱電和強(qiáng)電，兩者是兩個(gè)相對(duì)立的概念，弱電一般指直流24 V以下或交流36 V以內(nèi)的音視頻、網(wǎng)絡(luò)電信號(hào);而強(qiáng)電指電工領(lǐng)域的電力部分，具有高電壓、大電流、大功率等特點(diǎn)。電子工程師設(shè)計(jì)系統(tǒng)控制電路一般使用弱電直流24 V以下供電，常見電子線路使用5 V或者3.3 V供電。在現(xiàn)代自動(dòng)控制系統(tǒng)中通常有弱電和強(qiáng)電同時(shí)存在的情況，并且經(jīng)常需要使用弱電數(shù)字線路去測(cè)量和控制強(qiáng)電模擬線路，因而弱電數(shù)字電子線路和強(qiáng)電模擬電子線路之間需要設(shè)計(jì)電氣隔離電路，提高系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)要求測(cè)量和控制的精度較高。

在工業(yè)控制及測(cè)量電路中，工程師經(jīng)常需要對(duì)高壓強(qiáng)電線路進(jìn)行電壓、電流信號(hào)采集及控制，涉及運(yùn)用弱電線路采集控制強(qiáng)電的電路設(shè)計(jì)，弱電和強(qiáng)電之間一般設(shè)計(jì)線性隔離電路以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性及可靠性，同時(shí)提高采集信號(hào)的精度。常見隔離電路經(jīng)常廣泛應(yīng)用在開關(guān)電源、強(qiáng)電采集控制等數(shù)字和模擬線路中，起到電氣隔離、減少信號(hào)串?dāng)_等作用。許多隔離電路只起到數(shù)字隔離的作用，達(dá)不到線性隔離的效果。為了提高采集和控制的精度，有些應(yīng)用領(lǐng)域需要設(shè)計(jì)線性隔離采集控制電路。本文引入線性光耦HCNR200/201構(gòu)成的線性隔離電路，該光耦具有隔離電壓峰值高達(dá)8 000 V、輸入和輸出電壓跟隨線性度好（典型值0.01%）等優(yōu)點(diǎn)[1]，可實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)之間的線性隔離作用。

1 汽車交流充電樁CP信號(hào)簡(jiǎn)介

隨著我國(guó)對(duì)電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大力推進(jìn)，產(chǎn)業(yè)發(fā)展逐步跟上發(fā)達(dá)國(guó)家步伐，充電樁作為電動(dòng)汽車的“加電站”，在一定時(shí)期內(nèi)具有很大市場(chǎng)需求[2]。電動(dòng)汽車交流充電樁控制導(dǎo)引功能信號(hào)的英文名稱為Control Pilot Function，簡(jiǎn)稱CP。CP線上的電壓值根據(jù)充電過程分三種狀態(tài)，典型直流電壓值分別為12 V、9 V、6 V。充電樁微處理器STM32F103RCT6通過使用內(nèi)部模數(shù)轉(zhuǎn)換ADC對(duì)CP電壓采集，經(jīng)過辨別三種差別的電壓值來判別充電狀態(tài)，因此交流充電樁需要設(shè)計(jì)一個(gè)能采集識(shí)別直流電壓6～12 V的接口電路。同時(shí)，充分考慮信號(hào)采集精度和線性度問題，通過設(shè)計(jì)隔離電路減少強(qiáng)電和弱電之間的信號(hào)干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

2 線性光耦的工作原理

2.1 線性光耦HCNR200/201簡(jiǎn)介

HCNR200/201集成電路芯片是Agilent公司生產(chǎn)的高精度線性光電耦合器[3]，該器件具有增益?zhèn)鬟f線性度典型值高達(dá)0.01%、直流信號(hào)帶寬>1 MHz、隔離電壓高達(dá)1 414 V等優(yōu)點(diǎn)，可工作在單極性/雙極性、交流/直流、反向/正向多種工作模式，常用于工業(yè)控制、電機(jī)電源監(jiān)測(cè)、模擬信號(hào)隔離等領(lǐng)域。

HCNR200/201通常采用400mil寬體DIP8雙列直插封裝，各個(gè)引腳結(jié)構(gòu)頂視示意圖如圖1所示。

HCNR200/201內(nèi)部由一個(gè)鋁砷化鎵光電發(fā)射二極管LED和兩個(gè)光電接收管PD1和PD2構(gòu)成，如圖1所示。其中，PD1為反饋光敏二極管起到反饋調(diào)節(jié)穩(wěn)定LED的作用，對(duì)LED工作非線性有效的補(bǔ)償，PD2為輸出光敏二極管，當(dāng)在芯片第1、2引腳外加一定電壓VF時(shí)，流過LED的電流為IF，LED發(fā)出的光通量被PD1和PD2吸收，流過PD1和PD2的電流分別為IPD1和IPD2，查閱芯片手冊(cè)可得到IPD1和IPD2的大小和IF成一定線性比例關(guān)系[4]，電流增益K1和K2分別為：

K1=IPD1IF （1）

K2=IPD2IF （2）

2.2 HCNR200/201典型應(yīng)用電路

HCNR200/201應(yīng)用電路需配合運(yùn)算放大器使用，線性隔離典型電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中輸入電壓為VIN，根據(jù)運(yùn)算放大器虛短虛斷的工作原理得知A1同相輸入端電壓V+和反相輸入端電壓V-均為0 V，因此根據(jù)歐姆定律可以推算出流過PD1的電流為：

IPD1=VINR1 （3）

圖2中輸出電壓為VOUT，同樣根據(jù)運(yùn)算放大器虛短虛斷的工作原理及歐姆定律可以推算出流過PD2的電流為：

IPD2=VOUTR2 （4）

又因?yàn)镠CNR200/201傳輸轉(zhuǎn)換增益K3有以下關(guān)系：

K3=IPD2IPD1 （5）

根據(jù)HCNR200/201芯片手冊(cè)參數(shù)特性可知K3的典型值為1，即流過兩個(gè)光敏接收管的電流IPD2和IPD1相等，由式（3）～（5）可以推算出輸出電壓VOUT和輸入電壓VIN的函數(shù)關(guān)系為：

VOUT=R2R1×VIN （6）

由式（6）可知，線性隔離電路的輸出電壓和輸入電壓之間的比例關(guān)系由電阻R2和R1阻值大小決定，用戶可以選擇不同的阻值使得輸出電壓得到放大、衰減或者跟隨相等。

2.3 HCNR200/201實(shí)際應(yīng)用電路

HCNR200/201芯片實(shí)踐應(yīng)用電路需要增加外圍阻容元器件，穩(wěn)固輸入部分流過LED的電流，從而優(yōu)化電路的功能，線性隔離實(shí)際應(yīng)用電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3實(shí)際應(yīng)用電路中HCNR200/201在光電壓模式下工作，運(yùn)算放大器A1、A2構(gòu)成反相比例放大電路，輸入電壓信號(hào)VIN和輸出VOUT相位相同，C1起到負(fù)反饋的作用，同時(shí)能夠?yàn)V除電路中的毛刺干擾信號(hào)，避免鋁砷化鎵光電發(fā)射二極管LED遭到干擾信號(hào)的沖擊[1]。在純電容電路中，通過交流信號(hào)的頻率F和電容量C及容抗XC有如下關(guān)系：

F=12πCXC （7）

按照式（7）分析，當(dāng)通過的交流信號(hào)頻率升高，容抗XC將會(huì)變小，運(yùn)放的增益隨之降低，因此加入C1對(duì)運(yùn)放的通頻帶有一定的影響，在實(shí)際使用中選擇合適的C1容值即可。R3是LED的限流電阻，用于限制LED的發(fā)光強(qiáng)度，C2具有頻率補(bǔ)償?shù)墓δ茏饔肹5]。

3 CP信號(hào)采集電路的設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)放的選擇

從芯片HCNR200/201手冊(cè)參數(shù)介紹說明可知，經(jīng)過發(fā)射LED二極管的額定電流為1～20 mA之間[1]，選擇的運(yùn)放輸出驅(qū)動(dòng)電流必須>20 mA這個(gè)條件，本文選擇使用TI旗下BB公司推出的高精密低功耗運(yùn)算放大器OPA2277，該序列運(yùn)放輸出驅(qū)動(dòng)電流高達(dá)35 mA，并且具有高精度、低噪聲、極低的輸入失調(diào)電壓、低輸入偏置電流、高共模信號(hào)抑制比等優(yōu)點(diǎn)。輸出運(yùn)放A2使用低電壓DC3.3V單電源供電，因此選擇軌至軌輸入/輸出運(yùn)放TLV2732，該運(yùn)放供電電源電壓范圍為DC 2.7～16 V，滿足設(shè)計(jì)需求。

3.2 電阻的選擇

CP信號(hào)典型直流電壓值分別為12 V、9 V、6 V，但實(shí)際電壓有一定的誤差范圍，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中CP監(jiān)測(cè)點(diǎn)直流電壓范圍為5.2～12.8 V，而充電樁微處理器STM32F103RCT6的內(nèi)部ADC最大輸入電壓為直流3.3 V，因此實(shí)際設(shè)計(jì)中CP輸入電壓經(jīng)過0.25倍的電阻分壓衰減網(wǎng)絡(luò)使得線性隔離電路的輸入電壓為1.3～3.2 V，根據(jù)式（6）該線性隔離電路設(shè)計(jì)采用R1=R2，輸入電壓VIN和輸出電壓VOUT相等。

HCNR200/201光耦通過鋁砷化鎵發(fā)射LED二極管的額定電流為1～20 mA，根據(jù)芯片手冊(cè)可得電流增益K1有以下關(guān)系：

K1=IPD1IF=0.5% （8）

可以計(jì)算出流過PD1的電流IPD1范圍為5～100 uA，根據(jù)歐姆定律可以計(jì)算R1的取值范圍為：

R1=VINIPD1=1.3～3.2 V5～100 uA=13～640 K （9）

實(shí)際使用中取R1=R2=160 KΩ，保證IPD1和IPD2的電流值在理論范圍內(nèi)。R3限流電阻理論值約為：

R3=R1×0.5%=160 K×0.005=800 （10）

但是考慮到器件的離散性及整體電路的線性度，通過實(shí)際驗(yàn)證R3最終選擇390 Ω線性度更好。

3.3 硬件電路的設(shè)計(jì)

根據(jù)以上論證與分析可以得出CP電壓信號(hào)采集隔離電路如圖4所示。

圖4中R4和R5構(gòu)成電阻分壓電路，根據(jù)電阻分壓公式計(jì)算得Vin電壓為1.3～3.2 V，輸入運(yùn)放OPA2277使用直流12 V供電，輸出運(yùn)放TLV2372使用直流3.3 V供電。輸入地線和充電樁的PE線相連，而輸出地線為信號(hào)數(shù)字地線，兩者互相隔離，起到消除干擾、提高穩(wěn)定性的作用。

4 硬件仿真的電路設(shè)計(jì)

電子工程師設(shè)計(jì)硬件電路過程中經(jīng)常借助EDA虛擬仿真軟件輔助設(shè)計(jì)驗(yàn)證電路的可行性，提高電路設(shè)計(jì)成功率，縮短開發(fā)周期。常見虛擬電路仿真軟件有英國(guó)Lab Center Electronics公司出版的Proteus軟件和美國(guó)國(guó)家儀器（NI）有限公司推出的以Windows為基礎(chǔ)的仿真軟件Multisim。Proteus主要應(yīng)用在單片機(jī)及數(shù)字電路方面的仿真設(shè)計(jì)[6];而Multisim軟件更適合應(yīng)用在工業(yè)控制及模擬電路的仿真。本文使用Multisim軟件繪制CP信號(hào)線性采集隔離電路仿真圖，設(shè)置好仿真環(huán)境后即可在線運(yùn)行，并可查看結(jié)果。虛擬仿真電路原理圖如圖5所示。

通過圖5的虛擬仿真電路理論運(yùn)行結(jié)果及實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)記錄如表1所示。

通過對(duì)表1的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，仿真電路的數(shù)據(jù)是對(duì)器件參數(shù)理想化計(jì)算的結(jié)果，實(shí)際應(yīng)用要考慮器件的離散性。該隔離采集電路在輸入電壓>0.8 V時(shí)，線性度相對(duì)誤差在0.6%以內(nèi);輸入電壓<0.8 V以下時(shí)線性度有所下降。該電路用于識(shí)別判斷交流充電樁CP輸入信號(hào)直流電壓1.3～3.2 V（0.25倍衰減后）完全符合設(shè)計(jì)精度要求，并且可以用于其他高壓電路采集隔離電路應(yīng)用，如380 V大功率電機(jī)的電流采集監(jiān)測(cè)電路等領(lǐng)域。

5 交流充電樁的應(yīng)用

我國(guó)在“十三五”規(guī)劃中提出綠色環(huán)保節(jié)能減排新的發(fā)展目標(biāo)，把新能源汽車產(chǎn)業(yè)作為戰(zhàn)略性重點(diǎn)發(fā)展產(chǎn)業(yè)。充電樁的建設(shè)普及是保證電動(dòng)汽車可持續(xù)發(fā)展的最重要基礎(chǔ)設(shè)施之一。目前我國(guó)電動(dòng)汽車充電樁的配置相對(duì)落后，在一定程度上影響了電動(dòng)汽車的普及。要建設(shè)智慧交通、實(shí)現(xiàn)交通強(qiáng)國(guó)夢(mèng)需要加大充電樁的建設(shè)。

現(xiàn)階段交流充電樁仍然是建設(shè)的主流。交流充電樁相對(duì)于直流充電樁具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、安裝便捷、技術(shù)成熟、對(duì)電網(wǎng)改造要求低等優(yōu)點(diǎn)，它可直接接入普通家用單相交流220 V居民用電線路，適合安裝在公用停車場(chǎng)及私人車庫，目前小型車多采用交流充電樁的充電方式。根據(jù)權(quán)威數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，2020年我國(guó)公共充電樁當(dāng)中交流充電樁總量高達(dá)49.8萬臺(tái)，占比61.71%;而直流充電樁為30.9萬臺(tái)，占比38.29%。

交流充電樁的應(yīng)用在服務(wù)西部交通建設(shè)方面發(fā)揮著重要的作用。目前充電樁在發(fā)達(dá)省份及一線城市普及較為廣泛，而在西部邊遠(yuǎn)山區(qū)或者二、三線城市，因經(jīng)濟(jì)相對(duì)落后，充電樁的普及遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足，加快推進(jìn)交流充電樁項(xiàng)目建設(shè)仍然是這些地區(qū)政府部門的重點(diǎn)工作。本文研究設(shè)計(jì)的隔離電路已經(jīng)在廣西南寧市庫侖新能源充電系統(tǒng)中使用，目前在廣西南寧市庫侖高新二期集中式、庫侖江南皇氏、庫侖仙葫、庫侖永恒智慧廣場(chǎng)等充電站投入使用，該交流充電樁正常穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間超過3年以上，工作效果良好，具有很好的推廣發(fā)展前景。

6 結(jié)語

本文分析了線性隔離電路在硬件電路設(shè)計(jì)中的重要性及應(yīng)用領(lǐng)域，詳細(xì)介紹交流充電樁控制導(dǎo)引功能信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)要求，闡述了線性光耦HCNR200/201的功能特點(diǎn)及參數(shù)指標(biāo)，論證由HCNR200/201構(gòu)成線性隔離采集電路的設(shè)計(jì)過程及參數(shù)推導(dǎo)。該模塊電路開發(fā)已投入到廣西多個(gè)新能源電動(dòng)汽車交流充電站使用，整體運(yùn)行效果良好。

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