CN110539661A - 一种交流充电设备cp控制导引信号驱动与采集电路 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种交流充电设备CP控制导引信号驱动与采集电路，包括PWM信号发生器模块、CP信号驱动电路、CP信号无干扰分压采样和阻抗变换电路和A/D模数转换模块，PWM信号发生器模块接受MCU模块的配置和控制，CP信号驱动电路接收PWM信号、并转变成±12V的CP控制导引信号提供给待充电车辆，CP信号无干扰分压采样和阻抗变换电路对CP信号的电平幅度进行分压采样和阻抗转换，并将采样电平送至AD模数转换模块进行模数转换，所得到的数值量化结果提供给MCU模块识别充电车辆充电操作的启动和停止动作。本发明解决了设备的CP控制导引信号不稳定、工作参数易漂移和采集数据不准确。
Description
技术领域
本发明涉及新能源汽车充电技术领域，特别是一种交流充电设备CP控制导引信号驱动与采集电路。
背景技术
在《充电系统通用要求GBT 18487.1-2015》中规定，交流充电设备的控制导引信号使用1KHz的PWM信号源和它的占空比来表达当前设备可提供的最大供电电流Imax(图1)。然后通过驱动电路生成待充电车辆可识别的±12V控制导引信号CP，并限定了该信号的跳变边沿宽度不得超过2us。而待充电车辆用充电接口上的下拉电阻改变CP信号的高电平幅度来示意设备进行下一步操作，所以设备应对CP信号进行实时的检测，以获取车辆的请求并及时做出相对应的操作，这样才能正确完成一个安全可靠的充电操作。因此，CP控制导引信号的精度和稳定性非常重要。
若交流充电设备无法提供精确的PWM信号脉冲、或输出的CP信号不够稳定、和对其高电平幅度的检测采样不准确，则容易导致充电操作失败。还有可能会导致车辆误判充电设备的最大输出功率、或设备无法及时切断电源输出而损毁设备和车辆，甚至引发火灾造成严重的后果。目前在市场销售的产品上出现无法充电、或在充电操作过程中出现失败、中断、甚至损坏交流充电设备和充电车辆的接口情况，多数是因为CP控制引导信号的异常所造成的。
通常，产生PWM信号源的方法是MCU利用软件延时、或计数器计时，直到一个计数时间段结束时调用子程序翻转MCU输出引脚的电平状态，然后再开始下一个软件计时操作，如此循环来达到输出PWM系列脉冲信号和调整其占空比的目的。但这些方式的缺点是因MCU每条指令的机器周期数并不相同，所以无法达到精准的计时。再加上中断服务程序上的时间开销、还有一些重要任务对时间资源的占用等，使得系统依赖MCU软件计时和翻转所产生的PWM信号是不精确和不稳定的。
未经优化的普通驱动电路在转换CP信号时，无法将PWM信号源的上升和下降沿进行准确而快速的切换，勉强达到甚至无法达到《充电系统通用要求GBT 18487.1-2015》中对±12V控制导引信号CP的规定标准。而且在工作环境温度、湿度产生变动的情况下，驱动电路的电性能产生了大的漂移，使输出的信号也产生大幅变形。
未经优化的通用采集电路容易对CP控制导引信号造成干扰，进一步又会影响自身的采集精度，让设备和车辆之间不能进行准确的交流，还导致设备识别不出待充电车辆发出的操作请求。这样就使充电操作的请求容易失败、或无法停止充电操作的过程而产生潜在的伤害危险。
目前，这些现实中存在的严重问题迫使设备生产厂家在软件的主控制逻辑中用算法尽力校准，但来自源头的多种不稳定因素仅仅在软件上做修正其结果并不理想。而且因加大了软件算法的负担和消耗了更多的MCU资源而导致PWM信号源的精度进一步下降，使情况更加恶化。所以让设备生产商经常疲于应付售后服务和维修，从而造成了巨大的维护成本和利润损失。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供了一种解决了设备的CP控制导引信号不稳定、工作参数易漂移和采集数据不准确的交流充电设备CP控制导引信号驱动与采集电路。
本发明的目的通过以下技术方案实现。
一种交流充电设备CP控制导引信号驱动与采集电路，包括PWM信号发生器模块、CP信号驱动电路、CP信号无干扰分压采样和阻抗变换电路和A/D模数转换模块，所述PWM信号发生器模块接受MCU模块的配置和控制，所述CP信号驱动电路接收PWM信号发生器模块产生的PWM信号、并转变成±12V的CP控制导引信号提供给待充电车辆，所述CP信号无干扰分压采样和阻抗变换电路对CP信号的电平幅度进行分压采样和阻抗转换，所述CP信号无干扰分压采样和阻抗变换电路将采样电平送至AD模数转换模块进行模数转换，所得到的数值量化结果提供给MCU模块识别充电车辆充电操作的启动和停止动作。
所述MCU模块通过外接的石英晶体谐振器和内部的时钟驱动电路来获得系统时钟源，并提供给PWM信号发生器模块使用。
所述CP信号驱动电路带有高低压隔离的四级驱动电路，所述PWM信号经过U1做一次反相，来抵消后面三级驱动电路对信号的反相，随后被分成高低两路电平来分别驱动：反相后的高电平经过D2*3、R7、Q4、R9、Q5、R11、Q6转换成-12V后输出到CP信号线上；而反相后的低电平则经过D1*3、R1、Q1、R3、D3、Q2、R5、Q3、RCP转换成+12V后输出到CP信号线上。
所述四级驱动具体为：第一级驱动是将PWM输入信号经过U1反相；第二级驱动电路按照信号电平分别用低电平驱动Q1导通、或用高电平驱动Q4导通，并由二极管D1和D2防止信号沿跳变到中间电位时出现Q1和Q4同时导通的情况；第三极驱动电路是驱动级链路中的高低压隔离层，防止因某个电子元器失效将±12V电压引致MCU电路中而烧毁逻辑控制器件导致设备失控；第四级驱动是±12V电压控制导引信号CP的输出级，CP信号再经充电枪送出给待充电的车辆。
所述CP信号线的输出端装有TVS1瞬变电压抑制二极管来吸收静电和感应电压。
所述CP信号无干扰分压采样和阻抗变换电路中CP控制导引信号经过电阻R1和R2的分压，R3和C1的滤波，送至电压跟随器U1进行阻抗变换。
所述电压跟随器U1的输出用R4和稳压二极管D1进行了限压，随后再送至电压跟随器U2进行第二次阻抗变换。
相比于现有技术，本发明的优点在于：交流充电设备在使用本电路后，从硬件和软件双方面保证了所输出的CP控制导引信号稳定、精确、可靠，无需再添加额外的软件算法做后期校正。而且不易受环境因素变化的影响，电气特性的漂移低，与待充电车辆之间的交流迅速而准确，所以充电操作过程安全可靠。因极大降低了出问题的几率，使生产设备厂家的售后服务成本降到了可接受甚至可忽略的级别。
附图说明
图1是交流充电设备最大输出电流与PWM脉冲信号占空比的关系图；
图2是本发明的工作原理图；
图3是本发明中的PWM信号发生器模块工作原理图；
图4是本发明中针对CP控制导引信号优化的驱动电路图；
图5是本发明中针对CP控制导引信号采集进行优化的无干扰分压采集电路图；
图6是本发明中对采集信号进行高精度量化的A/D模数转换模块工作原理图。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体的实施例，对本发明作详细描述。
一种交流充电设备CP控制导引信号驱动与采集电路，包括1、可配置的高精度PWM信号发生器模块(以下简称：PWM信号发生器)、2、高可靠性的CP信号驱动电路(以下简称：CP信号驱动电路)、3、高稳定低漂移的CP信号无干扰分压采样和阻抗变换电路(以下简称：采样和阻抗变换电路)、4、高精度的A/D模数转换模块(以下简称：AD转换模块)。
如图2所示，交流充电设备主控制系统中的MCU首先根据设备本身的负载能力计算出PWM信号的占空比，然后对PWM信号发生器进行配置并启动输出产生所需的PWM信号。随后通过CP信号驱动电路将该信号转变成±12V的CP控制导引信号提供给待充电车辆。车辆在接收到准确和稳定的CP信号后对占空比进行测量和确认，计算出可使用的最大充电电流。然后用小于或等于设备可提供的最大电流开始充电，并通过它充电接口上的下拉电阻改变CP信号的电平，以表示其充电操作的启动和停止。采样和阻抗变换电路对CP信号的电平幅度进行分压采样和阻抗转换，以提高CP信号采样电平的稳定性和抗干扰能力。然后将采样电平送至AD转换模块进行模数转换，所得到的数值量化结果提供给MCU识别充电车辆充电操作的启动和停止动作，并让设备作出相对应的动作，以完成安全和正确的充电工作流程。
如图3所示，近现代、非特殊系列的MCU通常都有内置PWM信号发生器模块，所产生的信号频率以及占空比脉冲的高低跳变条件都是由软件事先配置，开始工作后便由模块内的硬件电路自动完成，无需软件的再次干预，所以软件中的各种变数不会对信号的精度产生影响，交流充电设备可选用这些带有内置PWM信号发生器模块的MCU作为主控制器。
石英晶体谐振器制造商通过生产筛选，在市场上销售的产品误差级别可轻易控制在±20ppm(十万分之二)以内，所述MCU模块通过外接的石英晶体谐振器和内部的时钟驱动电路来获得系统时钟源，并提供给PWM信号发生器模块使用。石英晶体谐振器对工作环境的温度变化不敏感，在-40℃～+85℃范围内，即使工作频率产生了漂移，误差也可保持在±100ppm(万分之一)以内。这远远超出了国标《充电系统通用要求GBT 18487.1-2015》中对1000Hz的PWM信号±3％的精度要求(970Hz～1030Hz)。
如图4所示，本电路部分由U1、D1、D2、Q1、R1、R2、Q2、R3、R4、D3、Q3、R5、R6、Q4、R7、R8、Q5、R9、R10、Q6、R11、R12、RCP、TVS1组成带有高低压隔离的四级驱动电路，所述PWM信号经过U1做一次反相，来抵消后面三级驱动电路对信号的反相，随后被分成高低两路电平来分别驱动：反相后的高电平经过D2*3、R7、Q4、R9、Q5、R11、Q6转换成-12V后输出到CP信号线上；而反相后的低电平则经过D1*3、R1、Q1、R3、D3、Q2、R5、Q3、RCP转换成+12V后输出到CP信号线上。
所述四级驱动具体为：第一级驱动是将PWM输入信号经过U1反相；第二级驱动电路按照信号电平分别用低电平驱动Q1导通、或用高电平驱动Q4导通，并由二极管(组)D1和D2防止信号沿跳变到中间电位时出现Q1和Q4同时导通的情况；第三极驱动电路是驱动级链路中的高低压隔离层，防止因某个电子元器失效将±12V电压引致MCU电路中而烧毁逻辑控制器件导致设备失控；第四级驱动是±12V电压控制导引信号CP的输出级，CP信号再经充电枪送出给待充电的车辆。
为了防止来自外部的静电或感应电压损坏驱动电路的输出级，所述CP信号线的输出端装有TVS1瞬变电压抑制二极管来吸收静电和感应电压。
如图5所示，所述CP信号无干扰分压采样和阻抗变换电路中CP控制导引信号经过电阻R1和R2的分压，R3和C1的滤波，送至电压跟随器U1进行阻抗变换。
为了防止电压跟随器输出电压超过AD模数转换电路的极限工作电压，所述电压跟随器U1的输出用R4和稳压二极管D1进行了限压，随后再送至电压跟随器U2进行第二次阻抗变换，将抗干扰能力最大化。
如图6所示，CP控制导引信号经过上一级电路的分压和阻抗变换后得到稳定和精确的采样信号，并实时传递给MCU内置12bit的高精度A/D模数转换模块进行量化转换，其转换精度可达8mV。最后再由软件控制逻辑对量化的结果进行逻辑判断，并随之执行相对应的控制操作，以保证交流充电设备与充电车辆之间能进行安全准确的充电操作。
本发明利用硬件PWM信号发生器模块生成了稳定又高精度的PWM信号源，通过专门针对CP控制导引信号进行优化的高可靠驱动电路，和专门对CP控制导引信号进行无干扰的分压精确采集电路，以及高分辨率的A/D模数转换模块，从源头开始直到后端采集，解决了设备的CP控制导引信号不稳定、工作参数易漂移和采集数据不准确的问题。
在-40℃～+85℃范围内，即使PWM工作频率产生了漂移，误差也可保持在±100ppm(万分之一)以内。这远远超出了国标《充电系统通用要求GBT 18487.1-2015》中对1000Hz的PWM信号±3％的精度要求(970Hz～1030Hz)。
Claims (7)
1.一种交流充电设备CP控制导引信号驱动与采集电路，其特征在于包括PWM信号发生器模块、CP信号驱动电路、CP信号无干扰分压采样和阻抗变换电路和A/D模数转换模块，所述PWM信号发生器模块接受MCU模块的配置和控制，所述CP信号驱动电路接收PWM信号发生器模块产生的PWM信号、并转变成±12V的CP控制导引信号提供给待充电车辆，所述CP信号无干扰分压采样和阻抗变换电路对CP信号的电平幅度进行分压采样和阻抗转换，所述CP信号无干扰分压采样和阻抗变换电路将采样电平送至AD模数转换模块进行模数转换，所得到的数值量化结果提供给MCU模块识别充电车辆充电操作的启动和停止动作。
2.根据权利要求1所述的一种交流充电设备CP控制导引信号驱动与采集电路，其特征在于所述MCU模块通过外接的石英晶体谐振器和内部的时钟驱动电路来获得系统时钟源，并提供给PWM信号发生器模块使用。
3.根据权利要求1所述的一种交流充电设备CP控制导引信号驱动与采集电路，其特征在于所述CP信号驱动电路带有高低压隔离的四级驱动电路，所述PWM信号经过U1做一次反相，来抵消后面三级驱动电路对信号的反相，随后被分成高低两路电平来分别驱动：反相后的高电平经过D2*3、R7、Q4、R9、Q5、R11、Q6转换成-12V后输出到CP信号线上；而反相后的低电平则经过D1*3、R1、Q1、R3、D3、Q2、R5、Q3、RCP转换成+12V后输出到CP信号线上。
4.根据权利要求3所述的一种交流充电设备CP控制导引信号驱动与采集电路，其特征在于所述四级驱动具体为：第一级驱动是将PWM输入信号经过U1反相；第二级驱动电路按照信号电平分别用低电平驱动Q1导通、或用高电平驱动Q4导通，并由二极管D1和D2防止信号沿跳变到中间电位时出现Q1和Q4同时导通的情况；第三极驱动电路是驱动级链路中的高低压隔离层，防止因某个电子元器失效将±12V电压引致MCU电路中而烧毁逻辑控制器件导致设备失控；第四级驱动是±12V电压控制导引信号CP的输出级，CP信号再经充电枪送出给待充电的车辆。
5.根据权利要求4所述的一种交流充电设备CP控制导引信号驱动与采集电路，其特征在于所述CP信号线的输出端装有TVS1瞬变电压抑制二极管来吸收静电和感应电压。
6.根据权利要求1所述的一种交流充电设备CP控制导引信号驱动与采集电路，其特征在于所述CP信号无干扰分压采样和阻抗变换电路中CP控制导引信号经过电阻R1和R2的分压，R3和C1的滤波，送至电压跟随器U1进行阻抗变换。
7.根据权利要求6所述的一种交流充电设备CP控制导引信号驱动与采集电路，其特征在于所述电压跟随器U1的输出用R4和稳压二极管D1进行了限压，随后再送至电压跟随器U2进行第二次阻抗变换。
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