交流充电桩PWM波形参数典型问题统计与分析*

孙远，但富中，桑林，张萱

（国网电力科学研究院实验验证中心，南京210061）

0 引 言

2016年1月1号国家标准化管理委员会正式实施GB／T 18487.1《电动汽车传导充电系统 第一部分：通用要求》，该标准规定了交直流充电设施应满足的最新基本要求，其中附录A部分对交流充电设施的充电控制作了明确规定。PWM信号作为充电控制的重要内容之一，其特征参数包括占空比、幅值、上升下降时间及频率，特征参数的精确程度将影响整个充电过程，因此必须对交流充电设施产生的PWM波形参数进行研究，以确保交流充电设施具有良好的兼容性并能与电动汽车进行安全可靠的充电。

在测试过程中，不同品牌交流充电桩的PWM波形参数问题普遍存在，统计了市场上二十个主流生产商的交流充电桩样品，包括国电南瑞、南京能瑞、中恒电气等。其中规格分布为：单相220 V／32 A计12台，三相380 V／63 A计8台。在型式试验及互操作测试活动中，对在首次测试时发生的PWM信号问题按照表1进行了分类统计，得到交流充电桩PWM波形参数典型问题的分布比例。

表1 交流充电桩PWM信号典型问题分布表Tab.1 Distribution table of PWM signal problems

从表1中可以看出，占空比超限占据了41%的比例，是PWM信号发生问题的主要原因，设计人员对标准理解的欠缺是导致该问题发生的主要因素；其次为PWM信号的幅值超限问题，约占32%的比例，主要表现为－12V电压幅值超限；再者是PWM信号的上升下降时间超限，约为18%的占比；最后是PWM波形失真问题，占9%的比例，内部器件、电容参数设计不合理是造成PWM波形失真及上升下降时间超限的主要原因。

1 PWM占空比超限

依据测试统计，目前交流充电桩主控板一般采用意法、微芯、恩智浦及美信等厂商的MCU芯片，该类芯片具备PWM输出模块，利用定时器对寄存值进行合理的设定，即能输出对应频率、占空比的PWM信号。GB／T 18487.1中对充电设施产生的PWM占空比与充电电流限值映射关系做了明确规定［1］，结合测试中遇到的市场上主流交流充电桩的规格，整理出常见充电电流与PWM占空比、频率的对应关系，并将设计与实测的偏差列于表2、表3中。

以某充电桩厂商采用的PIC16F887芯片为例，PWM占空比是通过对MCU芯片内寄存器值的设置实现的。文献［2］中对寄存器的设置原理及方法进行了详细的阐述。PIC16F887芯片提供了三个Time时钟，其中Timer0模块是一个8位定时器／计数器，Timer1模块是一个带预分频的16位定时器／计数器，Timer2模块是一个可编程预分频的8位定时器／计数器［3］。实现时采用 Time2及PWM模块，Time2的工作框图如图1所示。

表2 PWM占空比偏差表Tab.2 Deviation table of PWM duty cycle

表3 PWM频率偏差表Tab.3 Deviation table of PWM frequence

图1 Time2工作框图Fig.1 Block diagram of Time2

PWM频率的设定是通过Timer2的PR2寄存器来实现的，其计算公式为：

芯片输出PMW占空比依照式（2）进行计算，输出端设计有高速光耦进行信号隔离及对PWM高低电平进行翻转，因此充电桩实际输出占空比为：

式中Fosc为内部系统时钟；PR2为Time2的PR2寄存器；CCPR1L为 CCPR1L寄存器；CCP1CON为CCP1CON寄存器。

该充电桩最大输出电流为32 A，程序中分别对以上参数进行初始化设置：PR2＝0x7C；CCP1CON＝0x0C；CCPR1L＝58；利用式（1）～式（3）计算 PWM信号的频率及占空比，并将计算结果填于表2、表3中。可以看出，计算值、实测值与标准值存在偏差，但仍能满足国标的偏差要求。实验时由于未发现频率偏差超限，因而表1中仅对占空比超限进行了统计。当实测占空比对比国标要求出现偏差超限时，调整CCPR1L寄存器的设置值，对不同厂商的芯片，该寄存器的名称各异但功能相同，从而改变占空比偏差使其满足国标要求。

2 PWM幅值超限

2.1 对PWM的－12V检测

GB／T 18487.1中对PWM的幅值偏差作了明确要求，在测试过程中，PWM幅值超限主要集中在－12V超限。依照IEC标准［4］，在充电过程中，应由充电桩至少发起一次对－12V的检测，主要目的是验证车端二极管是否存在。部分充电桩制造企业在设计时往往忽略－12V检测的重要性，而不对其进行检测。－12V一般由充电桩内电源模块产生，本文以某厂商采用的金升阳型号为A0512S-2WR2的电源为例，其应用电路如图2所示。

图2 采用5V转±12V微功率电源的应用电路图Fig.2 Application circuit diagram of 5V turn to±12V usingmicro power supply

2.2 负值超限的解决方案

充电桩内常用驱动电源的规格为5 V，12 V与24 V，12 V常见的设计方法主要有两种，一种是通过220 V转±12 V的单路或多路电源模块产生，该类电源模块的功率一般在几十瓦至几百瓦之间，体积较大，输出具备可调节功能；一种是利用已有的5 V或24 V驱动电源，经5 V或24 V转±12 V的微功率电源模块产生，该类微功率电源模块一般用于对安装空间要求比较严格的场合，例如在壁挂式交流充电桩中往往应用较多，但该方式的12 V输出不具备可调节功能；针对这两种设计方式，常见的解决方法主要有以下几种：

（1）对采用输出为±12 V单路或多路电源模块的充电桩，该类电源输出具备一定范围的线性调整功能，如某充电桩采用的明纬RD-35A开关电源，依照其产品手册［5］，在12 V输出时，具有±1.5%的线性调整率，输出电压在11.82 V～12.18 V之间连续可调，通过调节输出即能满足要求。

（2）对于采用经5 V或24 V转±12 V微功率电源的充电桩，如上文所提到采用某公司型号为A0512S-2WR2的DC／DC电源。一种解决方式是在输出－12 V与GND引脚之间增加合适的电阻R0，如图2所示，依照偏差情况拉低或抬高－12 V的幅值，使其符合偏差要求，表4列出了某充电桩在增加不同R0情况下－12 V的变化情况；另一种方式是改变输入端Vin的幅值，在Vin与GND引脚之间串接合适的电阻R1，如图2所示，降低电源的输入电压，依照该电源的输出特性［6］，输出电压对应改变。经实际测试，该充电桩在Vin与GND之间串接4.2Ω的电阻后，－12 V电压偏差得到明显改善，表5列出了增加R1前后的－12 V电压变化情况。

表4 R0阻值与－12 V变化对应表Tab.4 Change table of－12 V with different R0

表5 R1阻值与－12 V变化对应表Tab.5 Change table of－12 V with R1

3 PWM上升下降时间超限

PWM上升下降时间超标会导致PWM波形失真，GB／T 18487.1中对PWM上升下降时间提出了2μs的要求。针对采用连接方式B的交流充电桩，直接从PCB板件输出端测量PWM上升下降时间，对采用连接方式C的充电桩，一般采用从枪头测量的方式。

在测试过程中发现，对采用连接方式C的充电桩，受充电连接器电缆的影响（在图4用C5表示电缆的电容效应）。从充电枪接口处测量得到的PWM波形的上升下降时间并不能满足2μs的要求。为此，对连接方式C的交流充电桩，采用与连接方式B相同的测试方式复测PWM波的上升下降时间，依据表1的统计，两种常见的连接方式中仍有约18%的制造商不能满足要求。

目前CP信号常见的发生电路主要分为两类：方式一是MCU输出后级接由比较器与运放组成电路的设计方式，如图3所示，该设计模式下，对地电容C217对PWM波形的上升下降时间影响显著，合理调整电容参数一般能够满足设计要求；方式二是MCU输出后级接由三极管组成推挽电路的设计形式。图4为方式二 PWM信号发生的局部原理图［7－10］，MCU芯片输出3.3 V PWM波，后级经推挽放大电路产生CP信号。典型推挽电路的组成一般主要由图4中虚线框1中的光耦、虚线框2中的三极管以及后端虚线框3中的电容组成，在CP输出端，通过并接C4电容起到滤波的作用。经实测，三者均会对PWM波的上升下降时间造成影响。针对问题发生原因，一般从以下几个方面着手解决上升下降时间超限的问题：（1）光耦的选型、例如采用高速光耦替代普通光耦；（2）三极管的选型，例如提高三极管的开关响应时间；（3）降低C4电容参数。经测试，合理调整以上器件的相关参数后，能较好的解决方式二的PWM波形上升下降时间超限的问题。

图3 采用放大器与运放的PWM信号原理图Fig.3 Principle diagram of PWM using amplifiers

图4 采用推挽电路的PWM信号原理图Fig.4 Principle diagram of PWM using push-pull circuit

4 PWM波形失真

参照GB／T 18487.1附录A.2-A.4的控制导引电路原理图，交流充电桩通过充电连接器与电动汽车建立连接后，CP信号与车辆控制装置建立连接。由于不同品牌电动汽车的内部构造存在差异，车辆控制装置的接入对于PWM信号存在一定的影响。现场测试发现，部分国产车型内部电气隔离较差，例如动力电缆与控制信号之间未进行有效的电气隔离，在PWM信号接入车端控制器后，对充电桩输出的PWM信号产生较大干扰，造成PWM波形失真，典型的失真示例如图5所示。

图5 PWM波形失真Fig.5 Distortion of PWM wave

交流充电桩通过检测检测点1的电压信号幅值判断充电状态，当PWM信号中夹杂着较大干扰信号时，充电桩采集计算得到的电压值会存在比较大的偏差，容易造成状态判断错误。现场测试发现，部分厂家在软硬件的设计中并未考虑外部干扰的影响，其PWM信号的抗干扰能力较差。针对这种情况，需要从软件与硬件上进行改良，在硬件设计上，一方面在桩内对PWM信号实现有效的电气隔离，另一方面在充电桩内部对进入A／D转换器的PWM进行滤波处理；在程序设计上，例如采用加快采样频率的方式提高采样的准确性，经实测，通过以上方式的改进能有效降低干扰造成的影响。

5 结束语

文中对交流充电桩PWM波形参数的典型问题进行了分类统计，并从PWM产生的原理，分析了程序参数及硬件选型对PWM波形参数的影响。分析结果表明：

（1）PWM波形参数的典型问题中，占空比超限是主要原因，而造成占空比超限的原因是设计人员对标准理解的不到位，导致程序中相关寄存器的值设定不合理；

（2）部分充电桩设备商不会对PWM的－12 V进行检测，因而无法判断车端二极管是否存在。同时，－12 V幅值超限是PWM波形参数的次要问题，对通过220 V转±12 V的单路或多路输出电源，可通过调节输出解决；对于通过5 V或24 V转12 V的微功率电源模块，可通过改变电源输入或者在输出端串接电阻实现－12 V的调整；

（3）PWM上升下降时间超限及波形失真问题与充电桩内部硬件设计密切相关，尤其是CP信号电路中光耦的选型、三极管开关响应时间的快慢，以及输出电路滤波电容的大小。

常见的PWM信号问题包含但不限于PWM波形参数问题，本文仅对交流充电桩的PWM波形参数问题进行了汇总分析，PWM信号在充电过程中的应用错误，如PWM波形缺乏连续性、发生及关断时刻错误等将在后续进一步总结。