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国外大神教你自制电动汽车 EV 充电器

发布时间:2022-04-27
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国外大神教你自制电动汽车 EV 充电器

发布时间:2022-04-27
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在这个项目中我构建了自己的 7.2kW EV 充电器并将其安装在 Zappi 外壳内。两个目标是简单和安全。本文记录了构建。我为它编写了 Arduino 软件,所有设计文件、软件和零件清单都可以在GitHub 页面上找到。

项目背景
在英国,由电工安装电动汽车充电器的费用约为 900 英镑。这促使开始想自己动手,在进一步研究该主题时,我发现了一个具有良好文档的开源充电器(EVSE )。这给了我建立自己的信心。

免责声明
我不是专业电工我了解了接地系统、PEN 故障、RCD、电缆电流容量等。我认为我已经对自己进行了足够的教育,已经建立了一个足够安全的系统。但我的如下设计仅供参考。且为了确保安全,在我实际使用过程中,当我离开家时,我将不得不取下充电器。我敢肯定,有无数人会质疑我的这个项目,如果操作不当,构建您自己的可切换 240V 32A 的户外充电器可能会很危险。尽管如此,我仍欢迎建设性的批评和讨论。

第 1 步:开始准备

电动汽车充电器使用一个简单的“引导”信号来检测它们何时插入汽车,并告诉汽车允许从充电器汲取多少电流。他们根本不修改电源,他们只是通过一些继电器将其打开/关闭到汽车。除此之外,它们还包含 RCD 的功能。但老实说,仅此而已!

我设法买了一个二手Zappi 充电器。它内部没有任何电子设备,但它给了我一个外壳、电缆和插头来使用。我付了 120 英镑,包括邮费。

我购买了 5 米长的 6mm² SWA 电缆,用于从我的消费单元连接到我想要的充电器位置。我在非 RCD 侧的消费单元中添加了一个 50A MCB,并使用夹板和不锈钢螺钉布置 SWA 电缆。

SWA 电缆通过室外防水密封套进入 Zappi 外壳。在连接到 PCB 之前,火线和零线一起通过电流互感器。

第 2 步:接地电流检测
最重要的安全机制之一是接地电流检测系统。汽车底盘通过充电插头通过地线接地。接地电源来自消费单元(我们有 TN-CS 电源)。

接地系统背后有很多理论。约翰·沃德有一些关于我看过的主题的指导性 YouTube 视频。他讨论了 PEN 故障等问题。如果您从事任何电气工作,值得花时间自学有关接地的知识。

虽然不太可能,但有可能发生故障,例如火线接触汽车底盘。也许它在车内某处松动并接触到底盘,或者湿连接器正在桥接通往底盘的路径。

无论哪种方式,火线都会向机箱提供电流,该电流将直接接地(在 TN-CS 电源中,接地线和中性线连接在消费单元上)。电流量将取决于故障电桥的电阻。(水不太可能让许多安培流动)。鉴于机箱接地良好,它的电压不应升高到足以对触摸它的人造成触电危险。

然而,这是应该检测和处理的故障情况。如果一些水将带电连接到机箱,则可能会流过几安培(不足以使充电器的 50A MCB 跳闸),但足以导致局部发热和进一步损坏。

所以我们需要测量流向地的电流(在正常操作中应该为零)。如果超过 20 mA,我们希望通过打开继电器来隔离汽车。RCD 通常在 5-30mA 时跳闸的原因是几百毫秒的电流量不会对人体造成永久性伤害。这里有关于电伤的维基百科文章

AC-1:难以察觉,AC-2:可察觉但没有肌肉反应,AC-3:具有可逆作用的肌肉收缩,AC-4:可能的不可逆作用,AC-4.1:高达 5% 的心室颤动概率,AC-4.2 : 5–50% 的纤颤概率,AC-4.3: 超过 50% 的纤颤概率

测量对地电流的方法很简单。我们使用电流互感器测量火线和零线的共模电流。所有电流都应该是差分的(从火线流出的所有电流都应该通过负载并通过中性线返回)。如果出现故障并且某些电流没有返回,则它必须接地。这是一个共模电流,我们想要测量它!

第 2 步:原理图部分

以下电子设备是必要的:

  • 为 arduino、运算放大器、继电器等生成直流电压
  • 安装 40A 250V L & N 继电器,将电源切换到充电插头
  • 为飞行员生成 +/- 12V 1kHz PWM 信号
  • 在 Arduino 的 ADC 之前放大和整流电流互感器的信号

第 3 步:电源
我使用了RAC10-15DK/277 AC/DC 电源模块。这会产生 +/- 15 V 的电压轨。可调正/负线性稳压器(LM317和LM337)产生 +/- 12V 电压轨。我知道运算放大器的输出可能无法一直摆动到它们的电源轨,所以我希望通过使用可调电压调节器来获得一些灵活性。 

稳压器需要大约 5 mA 的最小负载来维持稳压。因此,R3 和 R17 为它们提供了很小的负载。稳压器在接近其压差电压时运行令人不安。根据数据表,20 mA 负载下的压差在 0℃ 时约为 1.6 V,这使我们能够在必要时将运算放大器电压提升至约 13.4 V。 

由于目前芯片/库存短缺,我购买了一个 Pro-Mini 模块,该模块方便地容纳了一个带有 5V 稳压器的 Atmega328P Arduino。但请注意,这个板载稳压器的最大输入电压为 10V,因此我使用 4.3V 齐纳二极管降低了稳压的 12V,然后将其提供给 Pro-Mini 的 RAW 输入。

与汽车的所有通信都是通过一条以大地为参考的单线(称为导频信号)完成的。阅读此处和此处以了解有关此信号如何工作的说明。简而言之,根据汽车是否已连接/准备充电等,汽车会在导频信号上放置不同的电阻。这导致导频信号的电压发生变化。

LM358 运算放大器从 Arduino 获取 0-5V PWM 信号并将其转换为 +/-12V 信号以形成导频。简单的。

我们使用分压器网络调节导频电压,然后将其馈入 ADC 通道进行测量。13.6 V 600W 双向 TVS可确保在引导线上不会出现异常电压。

继电器操作
我最初认为我应该在 SMPS 的 2 个电源轨之间分担负载。因此,一个继电器将由 +ve 导轨供电,另一个由 -ve 导轨供电。然而,这样做为设计增加了几个额外的部分,并略微增加了整体复杂性。为了简单起见,我让两个继电器都由 +ve 电源轨供电,这最终工作得非常好。 

T9VV1K15-12S继电器规格报告的线圈保持电压仅为 4.7V。这可以节省大量电力。从原理图中可以看出,我们通过 1W 47R 电阻器(R13 和 R14)从 +15V 电源轨为 100uF 电容器充电。当继电器被激活时,它们最初但短暂地获得 15V。但是稳态电压衰减到大约 9V。我应该选择 68R 甚至 100R 的电阻,以节省更多电能。

BC337晶体管通过 2.2K 电阻获得约 2 mA 的基极电流。这足以充分切换晶体管。

电流互感器
电流互感器类似于电压互感器。我们通过将火线和中性线通过铁氧体磁芯一次,使变压器初级接通 1 匝。在二级上,我们有很多转弯 - 100 次转弯。因此,初级上的电流被感应到次级上,尽管其幅度与匝数比成正比。如果初级电流为 20mA,匝数比为 1:400,次级电流为 50uA。

就像电压互感器不喜欢短路一样。电流互感器不喜欢开路。测量次级电流的最佳方法是使用跨阻放大器。

U2 是OP07低失调运算放大器。V+ 端子接地,在此配置中,输出将左右摆动,以始终使 V- 保持与 V+ 相同的电压(即 0 V)。想象一下,如果电流互感器向 U2 的 V 端施加 50 uA 电流。运算放大器会将其输出电压降至 -5 V,以便 50 uA 完全通过 R2 拉出 (V = I x R = 50uA x 100K)。因此,V- 端子正好保持在 0 V。因此您可以在此配置中看到,来自变压器的电流在运算放大器的输出端被转换为电压。C1 仅有助于降低高频增益并充当低通滤波器。如果跨阻放大器饱和,D1 和 D2 会阻止任何超过约 0.7 V 的电压偏移。

我们可能不需要 OP07 的低偏移特性。C2 无论如何都会消除任何直流偏置。U3B 被配置为用作进一步的放大级和精密整流器。所使用的 4.3 V 齐纳二极管也将输出钳位到 ~4 V 最大值。R12 和 C3 在进入 ADC 通道之前添加最后一个低通滤波器。

总而言之,来自接地故障电流互感器的交流电流被转换成电压、放大、整流、限制和滤波,然后再传递到 Arduino ADC 进行测量。这个电路对我来说很有效并且很有意义,所以我选择了它。但是您可能可以进一步简化它。

第 4 步:PCB设计

我使用 KiCad 来设计 PCB。我选择了 KiCad,因为它是开源的,如果需要,您可以制作多层 PCB。SnapEDA是导入零件 PCB 封装的关键。PCB设计没有太多可说的。我在高压走线周围保留了 4 毫米的间隙。

第 5 步:组装焊接

我用从Mouser获得的零件焊接了 PCB 。我意识到我的设计中有一个运算放大器的引脚错了,所以你可以看到一个丑陋的小笨蛋来解决这个问题!我也没有意识到 Pro-Mini 的稳压器不能处理 >10 V,所以我在调整电源轨电压时烧坏了一个。幸运的是我买了一包 3 个 Pro-Mini……我在这个错误之后添加了一个齐纳二极管来降低电压,然后再将其馈送到 Pro-Mini。我已经在 github 上的原理图和 PCB 上更正了这些问题,并调用了 PCB V2.0。

第 6 步:软件及测试
我不是软件专家。希望代码的注释足够好以使其有意义。在GitHub 存储库中找到它。

电流互感器上有一个自检线圈。该软件通过将 50Hz 5 mA 方波通过 5 圈测试线圈来执行自检。这基本上模拟了 25 mA 接地故障。我们计算检测到故障所需的时间。如果在 100 毫秒内检测到故障,则测试通过。

测试
出于兴趣,我在启动时测量了继电器线圈两端的电压。蓝色迹线是线圈电压,红色迹线是开关交流输出。启动继电器似乎需要大约 5 毫秒。接触在一起后明显反弹了一点。 

同样,继电器的释放似乎需要大约 10 毫秒。

引导电压与它们应该的完全一样。SAE_J1772 规范确实允许 +12V 的 +/- 0.5V 和 +9V、6V 和 3V 电平的 +/- 1V,所以我们很舒服。 

此跟踪显示检测到汽车时会发生什么。+12V DC 导频被汽车的 2.74K 电阻下拉。中断 200 毫秒后,软件切换到“状态 B”并启动 1kHz PWM。

这是汽车充电时的飞行员。-12V 至 +6V。该软件正在测量低区和高区中心的电压。

测试接地故障检测电路很重要。我测试它在 6 mA 时跳闸。这是一条显示当一个 22K 电阻通过 240V 带电接地产生 11mA 电流时跳闸速度的轨迹。检测时间为 12 ms(交流波形开始到蓝色波形的上升沿。因此,10 ms 的继电器释放时间将在 22 ms 内切断电源。这在 EV 充电器国家规范范围内。

结论
我对最终结果很满意。虽然它没有 LCD 屏幕,但我的车会告诉我它的充电速度,并允许我配置充电时间等。我不需要任何智能功能。我有一个智能电表,所以我也知道我用了多少电。总花费大约200英镑。再加上几天的艰苦思考、焊接和编码。虽然过程中付出确实很多,但我认为很值得。

* 以上内容翻译自网络,原作者:fotherby,如涉及侵权,可联系删除。

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