CN103001282A - 充电变流保护器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种充电变流保护器，其包括控制装置，其独立于汽车内部的电源设置，包括壳体，在壳体上设有与外部电网电源连接的、可更换的电流输入插头，与充电设备连接的、可更换的电流输出插头，在壳体内设有充电保护电路。本实施例结构简单，具有集成电网隔离稳压、大功率交流变流功能；可以对不同的故障采取不同的措施，而在遇到灾难性故障时，冗余关断模块中设有的两路互不干涉的冗余关断保护系统，及第一运算放大器与第二运算放大器，可以对灾难性故障作出及时处理；同时电流输入、输出接口可以随时更换，可以对各种需要充电的设备进行充电，应用广泛。

Description

充电变流保护器

技术领域

本发明涉及充电保护领域，具体涉及一种充电变流保护器。

背景技术

目前，混合驱动汽车、电动汽车以及增程式电动汽车是新能源汽车的主要发展方向。由于上述形式的新能源汽车均需要进行充电，因此，上述形式的新能源汽车一般均配备有充电设备，为了保证汽车充电设备充电时的安全，需要设置相应的充电设备保护装置。而现有技术中的充电器保护装置一般集成在被充电设备的内部，一般被充电侧与电网不隔离，一旦电网电路出现短路、过电流等情况时，设备内部的保护装置往往不能及时有效切断电流，同时无法实时地、直观地监控充电状态，容易出现危险，对人身及财产造成巨大的损害。

此外，目前电动车或充电设备的接口标准不一致，现有的一些单独的保护器无法适应与不同接口的充电设备，在实际应用中造成诸多不便。

发明内容

为解决现有技术存在的不足，本发明提供了一种在出现短路、过电流等情况时，能够及时有效切断电流，同时可以实时、直观地监控充电状态，适用于多种充电设备的充电变流保护器。

为实现上述目的，本发明的一种充电变流保护器，其独立于汽车内部的电源设置，包括壳体，在壳体上设有与外部电网电源连接的、可更换的电流输入插头，与充电设备连接的、可更换的电流输出插头，在壳体内设有充电保护电路。

作为对本发明的限定：所述充电保护电路包括：

用于对电网电压进行隔离变流稳压输出的隔离变流稳压模块，其输入端连接电网电源，电源输出端连接充电设备；

用于对充电设备进行断电保护的开关继电器模块，其连接于电网电源与隔离交流稳压模块之间；

用于对输入与输出的电压或电流进行监控的监控模块，其采集信号输入端分别连接开关继电器模块和隔离变流稳压模块；

用于接收监控模块采集到线路中的电压或电流信号后作出控制的中央处理模块，其信号输入端连接监控模块的采集信号输出端，控制信号输出端分别连接开关继电器模块与隔离变流稳压模块；

用于出现短路或过电流严重故障时对充电设备进行保护的冗余关断模块，其信号输入端连接监控模块的采集信号输出端，信号输出端连接中央处理模块的冗余关断信号输入端。

作为对本发明的进一步限定：所述充电保护电路还包括显示模块，其信号输入端连接中央处理模块的显示信号输出端；

报警模块，其信号输入端连接中央处理模块的报警信号输出端。

作为对上述方式的限定：所述充电保护还包括按键输入模块，其信号输出端连接中央处理模块的信号输入端。

作为对开关继电器模块的限定：所述开关继电器模块包括第一开关继电器与第二开关继电器，外部电网的L连接第一开关继电器的常开触点的一端，第一开关继电器的常开触点的另一端连接隔离变流稳压模块，第一开关继电器的线圈一端连接中央处理模块，另一端通过第十二电阻与第七二极管的串联电路接地，同时连接电源；

所述外部电网的N相连接第二开关继电器的常开触点的一端，第二开关继电器的常开触点的另一端连接隔离变流稳压模块，第二开关继电器的线圈一端连接中央处理模块，另一端通过第十六电阻与第八二极管的串联电路接地，同时连接电源。

作为对隔离变流稳压模块的限定：所述隔离变流稳压模块包括变压器，所述变压器的输入线圈的一端连接第一开关继电器的常开触点，另一端连接第二继电器的常开触点；输出线圈的一端直接作为输出电源的负极，另一端通过串接去耦电容器与第一电感的串联电路后作为输出电源的正极，同时还通过第三电容器连接绝缘栅双极型晶体管的集电极，所述绝缘栅双极型晶体管的集电极通过第四电容器与第六二极管构成的并联电路连接自身的发射极，同时还通过稳压管与第十一电阻构成的并联电路连接自身的门集，所述门集还连接中央处理模块的控制信号输出端。

作为对监控模块的限定：所述监控模块包括输入电源监控模块与输出电源检测模块，所述输入电源监控模块包括电网网侧电压检测器和第一电流互感器，其中电网网侧电压检测器的第一管脚与第三管教分别连接电网的L相与N相，第二管脚与第四管脚分别连接中央处理模块；第一电流互感器串接在电流输入端与第一开关继电器的常开触点之间，同时其信号输出端连接中央处理模块的电流信号输入端；

所述输出电源检测模块包括输出电压检测器与第二电流互感器，其中输出电压检测器的第一管脚与第三管脚分别连接中央处理模块的第一输出电压检测信号输入端与第二电压检测信号输入端，第二管脚与第四管脚分别连接输出端的正极与负极；第二电流互感器串接在第一电感线圈与输出端的正极之间，同时其信号输出端连接中央处理模块的电流信号输入端。

作为对冗余关断模块的限定：所述冗余关断模块包括第一运算放大器与第二运算放大器，所述第一运算放大器的反相输入端通过第二电阻与第三电阻的串联电路连接输出电压检测器的第三管脚；同相输入端通过第四电阻与第一电容器的串联电路连接第二电阻与第三电阻串联电路的中间节点；输出端通过第一二极管与第六电阻的串联电路连接中央处理模块的冗余关断报警信号的输入端；

所述第二运算放大器的反相输入端通过第七电阻与第八电阻的串联电路连接输出电压检测器的第一管脚；同相输入端通过第九电阻与第二电容器的串联电路连接自身的反向输入端，同时，还同第二二极管与第六电阻的串联电路连接第七电阻与第八电阻串联电路的中间节点；输出端连接中央处理模块的冗余关断报警信号的输入端。

采用以上技术方案，其效果如下：

（1）本发明设置有隔离交流稳压模块，具有将外部电网的交流电进行隔离稳压、大功率交流变流的功能，可以为充电设备提供较为稳定的充电电流；

（2）由于设置有开关继电器模块，且采用双路开关继电器进行保护，可以对充电设备有效进行断电保护；

（3）设置有监控模块，可以实时检测充电过程中电流、电压的变化，然后将检测到的信息传送个中央处理模块，中央处理模块在发现充电电流或电压出现异常时，可以控制冗余关断模块动作，切断充电设备的电流，保证充电设备的安全，同时控制报警模块进行报警，提示工作人员有充电异常；

（4）此外，本发明独立于充电设备设置，且电流输入、输出接口均可以更换，可以对不同厂家生产的不同充电设备连接充电，适用范围广，不仅可以用于保护汽车的充电设备，还可以用于保护工业上的充电设备。

附图说明

下面结合附图及具体实施方式作本发明作更进一步详细说明：

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明的电路原理图。

具体实施方式

本实施例涉及的充电变流保护器如图1所示，包括壳体，在壳体上设有与外部电网电源连接的电流输入插头，与充电设备连接的电流输出插头，所述的电流输出插头可以根据充电设备的不同进行更换。在壳体内设有当电网电源出现异常时，可以断开充电设备与电源之间的连接，有效保护充电设备安全的充电保护电路，所述充电保护电路包括：

隔离变流稳压模块，其输入端连接电网电源，电源输出端连接充电设备，可以对电网电压进行隔离稳压、大功率交流变流输出后，输出给充电设备进行充电。

开关继电器模块，其连接于电网电源与隔离交流稳压模块的输入端之间，用于对充电设备进行断电保护。

监控模块，包括输入电源监控模块与输出电源监控模块，所述输入电源监控模块的信号输入端连接开关继电器模块的电源输入端，用于对输入开关继电器模块的电压电流进行实时监控；输出电源监控模块的信号输入端连接隔离变流稳压模块的电源输出端，用于对隔离变流稳压模块输出的电压或电流进行实时地监控。

中央处理模块，可采用单片机等，其信号输入端连接监控模块的采集信号输出端；用于接收监控模块采集到充电线路中的电压或电流值，同时，中央处理模块的内部存储有充电设备充电时的基准电压或电流值，可以对监控模块检测到的电压或电流值与其存储的基准值进行对比，并根据比对的结果作出相应的控制。中央处理模块的控制信号输出端分别连接开关继电器模块与隔离变流稳压模块。

冗余关断模块，其信号输入端连接监控模块的采集信号输出端，信号输出端连接中央处理模块的冗余关断信号输入端，同时由输出电源监控模块为其提供电源。当电路中出现短路或过电流故障时，监控模块将检测到的数值分别传送给中央处理模块和冗余关断模块，中央处理模块会将接收到的数值与存储的基准值比对得出线路故障的信息，一旦充电电路中的电流或电压信号超出的范围可以开启冗余关断模块时，冗余关断模块工作，直接关闭继电器模块并给中央处理模块冗余关断信号，中央控制模块控制开关继电器模块与隔离变流稳压模块切断充电通路输出。

显示模块，其信号输入端连接中央处理模块的显示信号输出端，可以对监控模块监控到的信息以及充电工作状态进行显示。

报警模块，其信号输入端连接中央处理模块的报警信号输出端，当充电线路发生故障时，在中央处理模块的控制下发出报警信号。

按键输入模块，其信号输出端连接中央处理模块的信号输入端，可以控制显示模块显示不同的信息。

如图2所示的是本实施例的电路原理图：其中所述开关继电器模块包括第一开关继电器与第二开关继电器，外部电网的L相通过第一开关继电器的常开触点K1的一端，第一开关继电器的常开触点K1的另一端连接隔离变流稳压模块，第一开关继电器线圈J1的一端连接中央处理模块的控制信号输出端，另一端连接电源VCC，同时还通过第十二电阻R12连接第七二极管D7的阳极，第七二极管D7的阴极接地。

所述外部电网的N相连接第二开关继电器的常开触点K2的一端，第二开关继电器的常开触点K2的另一端连接隔离变流稳压模块，第二开关继电器线圈J2的一端连接中央处理模块的控制信号输出端，另一端连接电源VCC，同时还通过第十六电阻R16连接第八二极管D8的阳极，第八二极管D8的阴极接地。

所述隔离变流稳压模块包括变压器T1，所述变压器T1的输入线圈的一端连接第一开关继电器的常开触点K1，另一端连接第二继电器的常开触点K2；输出线圈的一端直接作为输出电源的负极，另一端通过串接去耦电容器C与第一电感L1的串联电路作为输出电源的正极（所述第一电感L1还通过第五电容器C5接地），同时还通过第三电容器C3连接绝缘栅双极型晶体管Q1的集电极，所述绝缘栅双极型晶体管Q1的集电极通过第四电容器C4与第六二极管D6构成的并联电路连接自身的发射极，同时还通过稳压管D5与第十一电阻R11构成的并联电路连接自身的门集，所述门集还连接中央处理模块的驱动信号输出端IG1。

所述监控模块包括电网网侧电压检测器U1、电网网侧电流检测器I1、输出电压检测器U2、输出电流检测器I2，所述电网网侧电压检测器U1的第一管脚与第三管脚分别连接电网电源的L相与N相，第二管脚与第四管脚分别连接中央处理模块第四电网网侧电压检测信号输入端CV4与第三电网网侧电压检测信号输入端CV3；所述电网网侧电流检测器I1串接在电网电源的L相与第一开关继电器常开触点K1之间，其信号输出端连接中央处理模块的电网网侧电流检测信号输入端CT2。

所述输出电压检测器U2的第一管脚与第三管脚分别连接中央处理模块第二电网网侧电压检测信号输入端CV2与第一电网网侧电压检测信号输入端CV1；所述输出电流检测器I2串接在第一电感L1与电压输出正极之间，其信号输出端连接中央处理模块的输出电流检测信号输入端CT1。

所述冗余关断模块包括第一运算放大器U1A与第二运算放大器U1B，所述第一运算放大器U1A的反相输入端通过第三电阻R3与第二电阻R3的串联电路连接输出电压检测器的第三管脚CV1，同相输入端通过第四电阻R4与第一电容器C1的串联电路连接第二电阻R2与第三电阻R3串联电路的中间节点，同时通过第五电阻R5接地；输出端通过第一二极管D1与第六电阻R6的串联电路连接中央处理模块的冗余关断报警信号的输入端OFF＿DC；第八管脚连接+12V电源，同时还通过第一电阻R1连接第一电容器C1与第四电阻R4串联电路的中间节点。

所述第二运算放大器U1B的反相输入端通过第七电阻R7与第八电阻R8的串联电路连接输出电压检测器的第一管脚CV2；同相输入端通过第九电阻R9与第二电容器C2的串联电路连接第八电阻R8与第七电阻R7串联电路的中间节点，同时，还同第二二极管D2与第六电阻R6的串联电路连接自身的输出端；输出端连接中央处理模块的冗余关断报警信号的输入端OFF＿DC；第四管脚接地，同时通过第十电阻R10连接第八电阻R8与第七电阻R7串联电路的中间节点，此外，第四管脚还通过第四二极管D4连接第八电阻R8与第七电阻R7串联电路的中间节点。所述第一电容器C1与第四电阻R4串联的中间节点连接第八二极管D8的阳极，第八二极管D8的阴极连接第二电容器C2与第九电阻R9串联电路的中间节点。

在为充电设备进行充电时，电网电流由开关继电器模块经监控模块监控后、由隔离变流模块输出，为被充电设备进行充电；中央处理模块、冗余关断模块从监控模块获得采集的电压、电流信号判断此时器件的功率负载情况：

当电压、电流或者电压电流波动值高于中央处理模块内部设定基准值的20%以内时，中央处理模块输出一级报警模式信号，并控制隔离变流模块开始工作，使整个充电保护器进入降功率充电模式，以控制充电电流至低功率安全值以下；此时报警模块发出一级报警警告信息，冗余关断模块监控但不动作；

当电压、电流或者电压电流波动值高于中央处理模块内部设定基准值的20%以上或进入一级报警模式后特定时间内隔离变流模块控流仍然未将电流控制在低功率安全值以下时，中央控制模块发出二级警报信号，控制开关继电器模块与隔离变流模块同时切断充电通路输出，报警模块发出二级报警警报信息，冗余关断模块监控但不动作；

当电压、电流或者电压电流波动值高于保护器内部设定基准值的50%时，冗余关断模块由监控模块获得检测的信号后将发生动作，直接控制使开关继电器模块与隔离变流模块切断充电通路输出，同时将冗余关断信号传动给中央控制模块，中央控制模块控制报警模块输出灾难性故障信号。

充电保护器进入一级保护模式后，只要电压、电流或者电压电流波动值回复内部设定基准值以内，充电保护器中央处理模块将控制自动退出降功率充电模式。

充电保护器进入二级保护模式后，充电保护器不能自动退出二级保护模式正常工作，整个器件必须在用户排除充电故障后经由输入模块输入特定信息后才能退出二级保护模式正常工作。

充电保护器进入灾难性故障模式后，充电保护器不能自动退出灾难性故障模式正常工作，整个器件必须送专业维修地点经由专业人员检修后经特殊手段复原后才能退出灾难性故障模式正常工作。 

本实施例结构简单，具有集成电网隔离稳压、大功率交流变流功能；可以对不同的故障采取不同的措施，而在遇到灾难性故障时，冗余关断模块中设有的两路互不干涉的冗余关断保护系统，既第一运算放大器与第二运算放大器，可以对灾难性故障作出及时处理；同时电流输入、输出接口可以随时更换，可以对各种需要充电的设备进行充电，应用广泛。

Claims (8)

1.一种充电变流保护器，其独立于充电设备独立设置，其特征在于：包括壳体，在壳体上设有与外部电网电源连接的、可更换的电流输入插头，与充电设备连接的、可更换的电流输出插头，在壳体内设有充电保护电路。

2.根据权利要求1所述的充电变流保护器，其特征在于：所述充电保护电路包括：

用于对电网电压进行隔离变流稳压输出的隔离变流稳压模块，其输入端连接电网电源，电源输出端连接充电设备；

用于对充电设备进行断电保护的开关继电器模块，其连接于电网电源与隔离交流稳压模块之间；

用于对输入与输出的电压或电流进行监控的监控模块，其采集信号输入端分别连接开关继电器模块和隔离变流稳压模块；

用于接收监控模块采集到线路中的电压或电流信号后作出控制的中央处理模块，其信号输入端连接监控模块的采集信号输出端，控制信号输出端分别连接开关继电器模块与隔离变流稳压模块；

用于出现短路或过电流严重故障时对充电设备进行保护的冗余关断模块，其信号输入端连接监控模块的采集信号输出端，信号输出端连接中央处理模块的冗余关断信号输入端。

3.根据权利要求2所述的充电变流保护器，其特征在于：所述充电保护电路还包括显示模块，其信号输入端连接中央处理模块的显示信号输出端；

报警模块，其信号输入端连接中央处理模块的报警信号输出端。

4.根据权利要求2或3所述的充电变流保护器，其特征在于：所述充电保护还包括按键输入模块，其信号输出端连接中央处理模块的信号输入端。

5.根据权利要求2所述的充电变流保护器，其特征在于：所述开关继电器模块包括第一开关继电器与第二开关继电器，外部电网的L连接第一开关继电器的常开触点的一端，第一开关继电器的常开触点的另一端连接隔离变流稳压模块，第一开关继电器的线圈一端连接中央处理模块，另一端通过第十二电阻与第七二极管的串联电路接地，同时连接电源；

所述外部电网的N相连接第二开关继电器的常开触点的一端，第二开关继电器的常开触点的另一端连接隔离变流稳压模块，第二开关继电器的线圈一端连接中央处理模块，另一端通过第十六电阻与第八二极管的串联电路接地，同时连接电源。

6.根据权利要求5所述的充电变流保护器，其特征在于：所述隔离变流稳压模块包括变压器，所述变压器的输入线圈的一端连接第一开关继电器的常开触点，另一端连接第二继电器的常开触点；输出线圈的一端直接作为输出电源的负极，另一端通过串接去耦电容器与第一电感的串联电路后作为输出电源的正极，同时还通过第三电容器连接绝缘栅双极型晶体管的集电极，所述绝缘栅双极型晶体管的集电极通过第四电容器与第六二极管构成的并联电路连接自身的发射极，同时还通过稳压管与第十一电阻构成的并联电路连接自身的门集，所述门集还连接中央处理模块的控制信号输出端。

7.根据权利要求6所述的充电变流保护器，其特征在于：所述监控模块包括输入电源监控模块与输出电源检测模块，所述输入电源监控模块包括电网网侧电压检测器和第一电流互感器，其中电网网侧电压检测器的第一管脚与第三管教分别连接电网的L相与N相，第二管脚与第四管脚分别连接中央处理模块；第一电流互感器串接在电流输入端与第一开关继电器的常开触点之间，同时其信号输出端连接中央处理模块的电流信号输入端；

所述输出电源检测模块包括输出电压检测器与第二电流互感器，其中输出电压检测器的第一管脚与第三管脚分别连接中央处理模块的第一输出电压检测信号输入端与第二电压检测信号输入端，第二管脚与第四管脚分别连接输出端的正极与负极；第二电流互感器串接在第一电感线圈与输出端的正极之间，同时其信号输出端连接中央处理模块的电流信号输入端。

8.根据权利要求7所述的充电变流保护器，其特征在于：所述冗余关断模块包括第一运算放大器与第二运算放大器，所述第一运算放大器的反相输入端通过第二电阻与第三电阻的串联电路连接输出电压检测器的第三管脚；同相输入端通过第四电阻与第一电容器的串联电路连接第二电阻与第三电阻串联电路的中间节点；输出端通过第一二极管与第六电阻的串联电路连接中央处理模块的冗余关断报警信号的输入端；

所述第二运算放大器的反相输入端通过第七电阻与第八电阻的串联电路连接输出电压检测器的第一管脚；同相输入端通过第九电阻与第二电容器的串联电路连接自身的反向输入端，同时，还同第二二极管与第六电阻的串联电路连接第七电阻与第八电阻串联电路的中间节点；输出端连接中央处理模块的冗余关断报警信号的输入端。

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