如何构建一个电动汽车EV充电器

在这个项目中我构建了自己的7.2kWEV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240V32A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6mm²SWA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50AMCB，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50AMCB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20mA，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40A250VL&N继电器，将电源切换到充电插头

为飞行员生成+/-12V1kHzPWM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/277AC/DC电源模块。这会产生+/-15V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5mA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，20mA负载下的压差在0℃时约为1.6V，这使我们能够在必要时将运算放大器电压提升至约13.4V。

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Atmega328PArduino。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0-5VPWM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。13.6V600W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1W47R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2mA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0V）。想象一下，如果电流互感器向U2的V端施加50uA电流。运算放大器会将其输出电压降至-5V，以便50uA完全通过R2拉出（V=IxR=50uAx100K）。因此，V-端子正好保持在0V。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0.7V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4.3V齐纳二极管也将输出钳位到~4V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ArduinoADC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》10V，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PCBV2.0。

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50Hz5mA方波通过5圈测试线圈来执行自检。这基本上模拟了25mA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。+12VDC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1kHzPWM。

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6mA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12ms（交流波形开始到蓝色波形的上升沿。因此，10ms的继电器释放时间将在22ms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。