單位：浙江巨磁智能技術有限公司 作者：劉俊鵬

隨著新能源汽車的飛速發展，電動汽車隨車充電槍（IC-CPD）的需求量也正在飛速的上升。

圖1：隨車充電槍（IC-CPD）外觀

一、電動汽車隨車充電槍（IC-CPD）的組成及內部模塊：

圖2：隨車充電槍（IC-CPD）充電槍的主要構成和使用場景

1.1基本組成：與固定插座連接的家用供電插頭、充電槍頭、線上控制與保護裝置（控制保護盒）、線纜、連接電動汽車的車輛連接器等。

供電插頭：國標隨車充電槍（IC-CPD）的供電插頭，與一般的家用電氣的插頭一樣，有10A/16A 220V兩種規格，目前市面上用的比較多的還是10A/220V的插頭，一般為了充電的安全，會在插頭內增加溫度傳感器。使用家用插頭就可以讓隨車充電槍（IC-CPD）充電槍在普通的插座上給新能量汽車進行充電。

充電槍頭：車輛側用插頭，符合GB/T20234-2015

IC-CPD：集成了供電控制、控制導引、漏電保護等基本功能，一些高端的ICCPD還集成了顯示充電過程的實時狀態、溫度控制等其他功能。內部包括開關電源、繼電器驅動、CP信號調制、漏電保護、電壓/電流檢測等回路。

線纜：IC-CPD中的線纜主要分為2部分，第一段為插頭與控制保護盒之間的線纜，即圖2紅框中A部分所示，長度一般在20cm～1m不等，NB/T42077-2016中8.1項規定了插頭和IC-CPD之間電纜的最大允許長度為1.7m。第二段為控制保護盒和車輛連接器之間的線纜，即圖2紅框中B部分所示，長度一般在3～4m不等，標準中對這部分的長度沒有進行明確的要求。目前，市面上在售16A的IC-CPD線纜一般主要以5m/10m/15m這3種規格的長度為主，多采用優質純銅電纜，A側的線徑一般為 0.75mm2，B側的線徑為2.5mm2。應具有阻燃抗沖擊、防水耐高溫等優點。

1.2 IC-CPD上的主要電子元器件包括繼電器、MCU、漏電流保護裝置、電流互感器、電壓互感器等，下面我將逐個介紹一下它們在IC-CPD內部的主要功能。

圖3：IC-CPD板卡上元器件示意框圖

二、電動汽車隨車充電槍（IC-CPD）各元件介紹

2.1繼電器

繼電器在IC-CPD中主要起控制充電的開關作用，具有驅動能力強的優點。觸頭部分應有滅弧電路，驅動線圈部分的放電回路具有雙重保護可以增加可靠性，提高使用壽命。繼電器內部一般分為觸點和線圈2部分，繼電器的銘牌上都會給出觸點的額定電流、電壓和線圈的額定電壓，而在IC-CPD的板卡上主要參考的參數是繼電器的耐壓值，IC-CPD的測試標準中對耐壓測試的電壓條件為2KV。另外，對于歐標CE認證，還需要繼電器的觸頭間距大于3mm。

目前國內主流的繼電器廠商有宏發、賽特勒、松樂等，國外知名的繼電器廠商有歐姆龍、施耐德、松下、泰科、ABB等。

圖4：一些市場上的主流繼電器產品

2.2芯片

最近芯片行業比較火爆，國家也在大力支持造“中國芯”，隨著芯片技術迭代，硅進銅退戰略，使用更多的集成芯片技術來替代銅工藝產品，節省資源的同時提高產品的集成度和智能化。在此先簡單介紹一下芯片的相關知識。

芯片IC是將電路構成中的有源電子元件和無源元件互連進行布局，通過半導體工藝或者薄、厚膜工藝，制作在半導體的基片上，形成結構緊湊、功能多樣的電路，與分立元器件組成的電路相比，具有體積小、重量輕、高度集成、功率低、使用方便和成本低等特點。

芯片可以分為很多個種類：按照信號處理的不同可以分為模擬芯片和數字芯片，像隨車充電槍（IC-CPD）中使用的ADC（模數轉換芯片）、運算放大器芯片、開關電源IC等都屬于模擬芯片，模擬芯片主要用來產生、放大和處理各種模擬量的信號。

數字芯片多用于一些邏輯類的運算處理，比如CPU、內存芯片、DSP芯片等。按照不同的應用場景來分類，可以將芯片分為：民用級（消費級）、工業級、汽車級、軍工級、航天級，隨車充電槍（IC-CPD）中的芯片需要滿足工業級的要求，對芯片使用時的溫度有-40℃～85℃的要求。

邏輯芯片（數據處理器）可以分為單內核、雙內核和多內核。 以ARM公司的產品為例：ARM公司開發的Cortex系列分為A、R、M三個系列，A系列主要用于復雜的電腦應用（如計算機、電視、手機等），R系列主要用于需要實時響應的場景之中（如自動駕駛），M系列主要應用于嵌入式設備、小型傳感器、智能家居產品中居多。在嵌入式開發中，使用的系列基本都是ARM Cortex-M。

Cortex-M系統主要分為Cortex-M0、Cortex-M0+、Cortex-M1、Cortex-M3、Cortex-M4、Cortex-M7、Cortex-M23、Cortex-M33等多個系列。

圖5：Cortex-M家族適用場景描述

圖6：芯片內核天梯圖

簡單來說，M0系列工作頻率為48M，屬于入門級的基礎版本、M3系列工作頻率為72M，作為主流設計內核的選型，應用廣泛、M4系列工作頻率為168M，增加了DSP處理，性能優越，多用于嵌入式音頻。在隨車充電槍（IC-CPD）充電槍中，對于芯片的要求主要是功能控制簡單，邏輯不需要太復雜，整體成本控制的越低越好。選用Cortex-M0的內核就可以滿足ICCPD的需求。

目前市面上隨車充電槍（IC-CPD）使用到的芯片類型主要有開關電源控制IC，精密運放IC，單片機IC三大類。

2.2.1運放類芯片介紹

運放IC的主要作用是對隨車充電槍（IC-CPD）中的CP信號進行運算及處理，保證CP信號在國標規定范圍內變化，通過改變不同的CP電壓值來調整不同的充電狀態。

圖7：GB/18487中對輸出電壓的參數要求

運放IC有三個端口，其中有兩個輸入端口，分別為“+”和“-”，一個輸出端口。當輸入信號從“-”端口輸入放大器時，輸出端的輸出信號與輸入信號反相;反之，當輸入信號從“+”端口輸入放大器時，輸出端的輸出信號與輸入信號同相;當兩個輸入端口同時輸入信號時，運算放大器實現減數運算，輸出信號與較大的一方同相。所以說，運算放大器基本上可以說是一個電壓放大器。一個理想的運算放大器必須具備下列特性：無限大的 輸入阻抗、等于零的輸出阻抗、無限大的開回路增益、無限大的共模排斥比的部分、無限大的頻寬。

圖8：運算放大器的典型電路

同相輸入運放電路原理的輸出公式為：VO=VI×（1+R2/R1）

反相輸入運放電路原理的輸出公式為：VO=-VI×（R2/R1）

運放IC的選型主要考慮到：輸入類型、精度要求、使用環境條件、通道數、單雙電源、功率大小、封裝等。隨車充電槍（IC-CPD）充電槍對運放的精度要求不高，功耗一般要求在5W左右。

目前主流的運放IC的品牌有：ADI、Maxim、TI、NXP、ON等，國內有：潤石科技、瑞盟科技、恩瑞浦3PEAK等。國外的運放IC一般價格較貴、交期長，性能優越，國產廠家的運放IC一般價格便宜，交期相對比較短。

2.2.2開關電源芯片介紹

開關電源控制IC的主要作用是給各個模塊提供需要的電源，隨車充電槍（IC-CPD）中主要是給繼電器、芯片、運放IC提供所需的電壓信號，開關電源一般分為AC-DC、DC-DC這二種類型，AC/DC開關電源主要分為非隔離型電路和隔離性電路。隨車充電槍（IC-CPD）充電槍中，AC-DC主要使用隔離型（反激式）的開關電源電路，直流降壓大部分選用LDO模塊進行處理。

圖10：開關電源的2種不同電路

在開關電源應用中,400W以下的電源大約占了市場的70-80%,而其中反激式電源又占大部分,幾乎常見的消費類產品全是反激式電源，它的優點：成本低,外圍元件少，低耗能，適用于寬電壓范圍輸入,可多組輸出，缺點：輸出紋波比較大。(輸出加低內阻濾波電容或加LC噪聲濾波器可以改善)

目前國內比較知名的開關電源IC廠家有：芯朋微電子的PN8系列、士蘭微的SDH系列、華冠的UC系列等，國外有：power integrations、MPS等。總的來說國內的芯片性價比較高，交期不會有問題，而國外的芯片價格昂貴，且會有交期長的問題。

圖11：一些開關電源IC的型號

2.2.3單片機IC介紹

單片機IC的主要作用：1.充電槍的功能運行邏輯和運算的中央處理器2.通訊和協同工作的指揮中心，實現各個IC模塊之間的交互3.集成了內存、串口、計數器、A/D轉換器、DMA等接口4.計算電壓、電流，產生繼電器以及LED燈等器件的驅動信號。

單片機IC對隨車充電槍（IC-CPD）充電槍充電的具體控制：繼電器平時處于常開狀態，插頭插上插座之后，充電槍是不帶電的，防止充電人員觸電。充電槍插上電動車，CP信號與電動車連接，系統檢測到具備充電條件后，板卡上的MCU會控制繼電器閉合，充電回路導通。充電完成、手動終止充電或有漏電情況發生時，MCU會控制繼電器立刻斷開。具有充電條件以后，控制導引模塊會持續向整車上的OBC（車載充電器）發送PWM信號，告知OBC，ICCPD的最大充電電流，再由汽車自己來決定使用多大的電流進行充電。

目前比較主流的單片機IC大部分都是國外自主研發的，如ST、TI、NXP、ADI、英飛凌等，國內客戶基本都是以很高的價格買回，不僅如此，有時還要面臨芯片交期長，缺貨等問題。現在國家也正在提倡“中國芯“，大力扶持國內的很多芯片企業，加速我們國內的芯片發展，國內目前也涌現了很多優秀的芯片公司。

圖12：主流的芯片廠家

2.3電流/電壓采樣器件--互感器

電流/電壓互感器在IC-CPD板卡上主要起電流/電壓（電量）采樣的作用，在回路中，如果電壓過高會損壞開關電源，電流過大會導致繼電器的損壞。電壓和電流互感器的原理都是利用了電磁感應的原理，將高電壓轉化為低電壓，大電流轉化為小電流，使二次側的設備（如繼電器）能夠小型化，既能保護電路，也能讓作業人員遠離高壓，保證人身安全。

電壓、電流互感器的主要參數包括：額定電壓、一次電流、二次電流、額定容量、 電流/電壓比等。這些在外殼的銘牌上和規格書里都會有說明，可以根據實際的電路應用來選擇合適的電壓、電流互感器。

國內目前比較有名的互感器廠家有：圳恒通、澤明、南京向上電子等廠家。

圖13：國內品牌的板載互感器

2.4漏電流傳感器

（1）IC-CPD標準對漏電保護要求的解讀

國標GB/T18487.1中規定了交流充電模式中，應具備滿足B型或A型的剩余保護功能的裝置，目前現行的國標中還沒有強制規定要求使用B型剩余電流保護裝置，但是未來國內的IC-CPD對漏電保護的要求肯定是會越來越嚴格。

圖14：GB/T18487.1-2015中對剩余電流保護的要求

歐標IEC61851-1：2017 的標準中對IC-CPD的要求進行了規定，要求交流充電設備中的剩余電流保護需要采用B型或者A型+6mA平滑直流的RCD，IEC62752-2018關于隨車充電槍（IC-CPD）充電槍的標準中也提到了，要求剩余電流保護裝置能夠檢測到平滑直流6mA。 相較于國標的要求，歐標為更高的要求。

圖15： IEC 61851.1-2010 6.5中對剩余電流保護的要求

（2）IC-CPD與電動汽車充電的漏電流種類及產生原因

圖16：漏電流產生的原理

通俗易懂的描述一下檢測剩余電流的原理：有三根水管A、B、C里面的水都流進水管N。正常情況下管子沒漏水時，水量A+B+C=N，考慮水流方向，A+B+C-N=0。圖中橢圓的虛線框就是用來檢測A+B+C-N是否等于0的元件。在水沒漏的情況產品檢測到漏水流就等于0。

如果在某種情況下，其中一根水管破了，漏水了，像上圖這樣，一部分水流到土里去了（在電氣中，我們稱為接地故障）。這個時候，虛線框的元件檢測到A+B+C-N不等于0了，然后監控系統就知道出現漏水的情況了。到漏水量到達一定值時，監控系統就會發出警報。

在電氣系統中，漏電指的是相線直接對地或者對N線的漏電，而不是N線對地的漏電，只有相線對PE線的漏電，才會導致N線電流與三相不平衡電流在數值上不相等。

而對于IC-CPD給電動汽車充電的應用場景下，內部電源拓撲結構較為復雜，而且電動汽車的電池為直流電源系統，所以電流的成分比較復雜，包含交流電流，脈動型直流分量，特別是在這種特殊的應用場景下會出現直流電流，基于此，電動車充電過程中的漏電流的種類也更加復雜。

下圖17為隨車充電槍（IC-CPD）充電槍在充電時，與車輛組成的充電系統，可能會有漏電產生的部位包括：充電槍線接口、車輛內部。在車載充電機前端（藍色部分）發生的漏電電流為交流正弦，在車載充電機后端（淡橙色）發生的漏電包含了直流剩余電流。

將下圖中可能產生漏電流的地方分為4個部分a、b、c、d。

a點的漏電流類型：充電槍頭中的交流電與PE地之間產生的交流漏電。

b點的漏電流類型：車載充電機前端的電流與PE地之間產生的脈動直流漏電。

c點的漏電流類型：車載充電機上整流后的DC電流與PE地之間產生的直流漏電。

d點的漏電流類型：高頻隔離變壓器原邊側與PE地之間產生的非工頻漏電。

圖17：電動汽車充電過程中的漏電

如下圖18所示，圖中藍框部分，表示Type B型漏保檢測漏電流的范圍從漏電保護磁環到車載充電機的高頻隔離變壓器原邊。可能產生的漏電流包括：交流電流、脈動直流電流，平滑直流電流，高頻電流。

圖18中黃框部分表示Type A型漏保的保護范圍，小于Type B型，A型只能對交流、脈動直流，脈動直流疊加6mA平滑直流的漏電進行保護。

圖18：不同類型漏電保護器的保護范圍

MAGTRON公司推出的滿足最新IC-CPD漏電流檢測要求的產品，該系列產品為B型漏電流傳感器，基于MAGTRON自主研發的iFluxgate芯片，輸出脫扣信號，對于不同的漏電成分都能夠進行檢測，能夠完全滿足IEC62752的漏電保護要求，產品可以完全覆蓋3.3kW、7kW單相IC-CPD和22kW三相IC-CPD的應用場景，相比傳統的漏電流傳感器更可靠、更靈敏、更安全。

圖19：MAGTRON符合國標、歐標、美標的漏電傳感器

審核編輯：湯梓紅