CN103487707A - 车载三相交流供电智能监控单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载三相交流供电设备的智能监控单元，包括功率母板和控制板，其中功率母板包括辅助供电单元、防雷单元和保护动作执行单元，控制板包括三相交流电流检测单元、三相交流电压检测单元，漏电检测单元、主控单元和接地状态检测单元。其中接地状态检测单元采用双重接地测定，控制板集成了CAN总线通信功能和485串行总线通信功能，整个单元具备防雷保护，三相交流过流、短路、漏电保护，三相交流电压过压、欠压保护和接地状态检测保护等多种功能，为车辆驾驶操作人员提供了更加安全的驾车环境。

Description

车载三相交流供电智能监控单元

技术领域

本发明涉及一种监控设备，尤其涉及一种用于三相交流供电设备的监控设备。

背景技术

目前，在通信行业领域，三相交流配电设备一般采用传统的用电保护形式，如断路器加防雷模块进行组合形成交流配电设备，用以实现配电，对用电设备实施过载、断路保护。

在车载供电系统中，车载智能电网包括汽车电源，用于提供电能；智能电网控制单元，与汽车电源相连，可以通过控制单元完成电压转换、电池参数监测、电池状态估算、过电流保护等工作。但是，传统的保护动作执行单元只具备过载、短路或漏电保护功能，保护功能单一，对车载交流供电设备起不到全面的过压、欠压、短路、过载、漏电、接地保护等全面的保护与指示效果。

由于汽车行驶在户外，时常可能会受雷电的影响，因此必须对此安装符合国家标准和行业规范的防雷模块，防雷模块在有雷电入侵电源或供电线路时，迅速将雷电流释放入地面，并将雷电引起的过电压限制在汽车用电设备可以承受的耐压范围之内。但是，防雷模块在释放雷电流时容易引起保护动作执行开关的频繁开合，造成无法连续供电等情况，致使汽车无法恢复行驶。

申请号为201310084591.0的发明专利，公开了一种车载智能电网，包括汽车电源、智能电网控制单元和汽车供电网络。其中智能电网控制单元完成电源转换、电池参数监测和供电过流保护等功能，实现控电分离。又如申请号为200920241786.0的实用新型专利，公开了一种三相智能型交流配电箱。该实用新型包括电源输入模块、防雷模块、用电保护模块和若干分路开关，包括串联在三相交流电源输入输出电路之间的主开关、控制单元、监测并反馈异常的检测模块、防雷模块以及直流稳压模块等，然而缺乏较完备的接地保护模块，使操作人员在使用过程中仍有触电的危险性。由此可知，当前车载供电系统使用三相380V供电时，需要更加完善的漏电保护，保障车载人员生命安全，还需要过流及短路监控功能，避免过流及短路故障造成严重后果，还需要完善接地保护功能和防雷模块工作后关断电路供电后的恢复问题。加之当前常用的车载三相交流供电监控设备仍以简单的模拟控制为主，设备元器件繁多，结构复杂，信息化程度低，不能满足车载条件下三相交流供电设备的供电监控要求。

发明内容

针对背景技术中提到的不足，本发明的目的在于提供一种能够适应三相交流供电监控、各项防护功能更加全面且安全可靠的车载三相交流供电智能监控单元。

本发明的车载三相交流供电设备的智能监控单元，包括功率母板和控制板，其中功率母板包括辅助供电单元、高电压钳位单元、防雷单元和保护动作执行单元，控制板包括三相交流电流检测单元、三相交流电压检测单元，漏电检测单元、主控单元和接地状态检测单元。

其中防雷单元和保护动作执行单元从左至右依次串接在三相交流供电输入端与输出端之间；三相交流电流检测单元、三相交流电压检测单元和漏电检测单元并联在防雷单元和保护动作执行单元之间的相线和中线之间，而三相交流电流检测单元、三相交流电压检测单元和漏电检测单元的输出端与所述主控单元相连；其中接地状态检测单元并联在车体外壳和地桩之间，其输出端与主控单元相连；主控单元与保护动作执行单元相连。

其中，辅助供电单元包括辅助供电模块和高电压钳位单元。该高电压钳位单元，可以采用二极管和三极管配合的钳位电路将高电压钳制到一个确定的低电压上。

接地状态检测单元由接地电压检测电路和接地电阻检测电路并联组成，其中接地电压检测电路输出端和接地电阻检测电路输出端与主控单元相连。

优选地，三相交流电压检测单元包括电源差分采样电路，对三相交流电源输入端的三条火线上的电压进行差分采样和稳压滤波处理，以及对采样电路输出的信号分别进行放大并输入至主控单元相应端口的运算放大器。

优选地，漏电检测单元包括对三相电流电源的感应漏电电流进行采集和稳压滤波处理的漏电检测部，以及对漏电检测部输出的信号分别进行放大并输入至主控单元相应端口的运算放大器。

优选地，主控单元上还可以包括电压显示单元、电流显示单元和接地状态显示单元。

本发明中的三相交流电压检测单元利用了滞环过压/欠压控制技术和电压差分采样原理。滞环控制，也叫做纹波调节器控制，即将输出电压维持在以参考电压为中心的滞环宽度内，电压滞环控制即以电压作为主要反馈信号，采用滞环控制产生主控制信号。滞环控制与其他控制方式相比最大的优点在于它的响应速度。滞环控制不需要复杂的跟随慢的反馈环，在开关周期内，当瞬态变化发生时可以即刻响应负载变化，不存在控制信号对采样信号的滞后现象。

本发明车载三相交流供电智能监控单元有自动重合闸用电保护装置，通过CAN总线和485串行总线通讯功能将设备接口化，使用主控单元对设备进行控制，实现了过流、短路、过压、欠压、漏电保护功能，集人身触电保护、设备漏电保护及自动恢复功能为一体，完善了常用三相配电监控技术在车载环境中的应用。

附图说明

图1为本发明车载三相交流供电智能监控单元的原理框图。

图2为本发明车载三相交流供电智能监控单元的三相交流电压检测单元电压差分采样原理图。

图3为本发明车载三相交流供电智能监控单元的接地状态检测单元原理图。

图4为本发明车载三相交流供电智能监控单元的漏电检测单元原理图。

图5为本发明车载三相交流供电智能监控单元的高电压钳位单元原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述：

如图1所示，本实施例的车载三相交流供电智能监控单元包括连接在三相交流供电输入端和三相交流供电输出端之间的功率母板1和控制板2。

其中，功率母板1包括辅助供电单元U1、防雷单元U2和保护动作执行单元U3，控制板2包括三相交流电流检测单元U4、三相交流电压检测单元U5，漏电检测单元U6、主控单元U7和接地状态检测单元U8。辅助供电单元U1包括辅助供电模块U1a与高电压钳位单元U1b。辅助供电单元U1可以采用常用稳压电路，将输入电压信号进行稳压、过滤，完成对控制板2进行供电。

辅助供电单元U1、防雷单元U2和保护动作执行单元U3依次串接在三相交流供电输入端与三相交流供电输出端之间；三相交流电流检测单元U4、三相交流电压检测单元U5和漏电检测单元U6，三者相互并联，连接在所述防雷单元U2和保护动作执行单元U3之间的相线和中线之间；接地状态检测单元U8连接在车体外壳和地桩之间，采用两个接地保护电路，分别测量车体与地桩之间的电压和电阻，两个电路相互并联共同组成接地状态检测电路，其中任一个出现数据异常，都可以被主控单元U7监测到；三相交流电流检测单元U4、三相交流电压检测单元U5和漏电检测单元U6以及接地状态检测单元U8输出的信号传送给主控单元U7，主控单元U7将采集到的所有信号处理（例如：AD转换）后，转化为控制指令，发送给保护动作执行单元U3，由保护动作执行单元U3执行相关开关的启闭，以对后续用电设备进行保护。

防雷保护：本实施例中防雷单元U2可以采用通用的防雷保护电路，在本实施例的三相交流供电输入端有雷电侵入时，防雷单元U2两端的电压迅速升高，防雷保护电路启动，对地排放电流，将其两端的电压钳制在1500V以下，其内部可以采用防雷击浪涌保护电路进行二级泄放，最终将电压控制在车载电网所需的范围内。

过流/短路保护：本实施例的三相交流电流检测单元U4采集三相交流电输入端三条火线上的输入的电流，所采集的信号经采样电路转换后，传递给控制单元U7的AD采样引脚，控制单元U7对AD采样引脚信号进行AD转换、调整，得到电路中的交流电流值，控制单元U7通过一定数据处理过程对该值进行滤波、比较，判断是否超过合理数值，控制对应的启动保护动作执行单元U3，实现电路过流、短路保护。

过/欠压保护：如图2所示，本实施例的三相交流电压检测单元U5包括三个差分采样电路，对三相交流电输入端三条火线U,V,W的电压信号分别进行差分采样，输出线电压检测信号分别为Vuv，Vvw和Vuw。Vuv，Vvw和Vuw分别表示火线U与V，火线V与W，火线U与W间的电压，三个电压信号传送给主控单元U7，该信号经过AD转换之后，由控制单元U7上的数据处理过程程序进行转换、计算得出三条火线上的原电压，该最终电压与预先设定的过压——高于U、欠压——低于V（U与V都是预先设定在主控单元程序内的电压大小临界值）阈值相比较，对应的启动保护动作执行单元U3，实现过压、欠压保护。差分采样电路输入端连三相交流供电电压的三根火线，三个并联的电路分别包括电阻、电容和运算放大器等元件，运算放大器的正负极还连有电容和电阻，电路有稳压滤波作用，可以将三相交流供电电压源的三根火线相对零线的电压分别采集、稳压、滤波、放大和输出。差分采样电路的输出端为电压采样信号，该信号与运放两端的输入电压差成正比。

其中，线电压Vuv检测信号电路包括运算放大器，三相交流电压U线连接若干电阻后连至运算放大器的反相输入端，三相交流电压V线连接若干电阻后连至运算放大器的同相输入端。运算放大器的负电源端接-12V电源，该电源连接一电容后接地。运算放大器的正电源端接+12V电源，该电源还连有一电容后接地。运算放大器的同相输入端与正电源端的接地点之间并联有一电阻和一电容。运算放大器的反相输入端与输出端之间还并联有一个电阻和一个电容，运算放大器的输出端输出线电压Vuv检测信号。

线电压Vvw检测信号电路包括运算放大器，三相交流电压V线连接若干电阻后连至运算放大器的反相输入端，三相交流电压W线连接若干电阻后连至运算放大器的同相输入端。运算放大器的负电源端接-12V电源，该电源连接一电容后接地。运算放大器的正电源端接+12V电源，该电源还连有一电容后接地。运算放大器的同相输入端与正电源端的接地点之间并联有一电阻和一电容。运算放大器的反相输入端与输出端之间还并联有一个电阻和一个电容，运算放大器的输出端输出线电压Vvw检测信号。

线电压Vvw检测信号电路包括运算放大器，三相交流电压U线连接若干电阻后连至运算放大器的反相输入端，三相交流电压W线连接若干电阻后连至运算放大器的同相输入端,该同相输入端连一电容后接地，该电容两端还并联有一个电阻。运算放大器的反相输入端与输出端之间还并联有一个电阻和一个电容，运算放大器的输出端输出线电压Vuw检测信号。

接地保护：如图3所示，本实施例的接地状态检测单元U8包括相互并联的接地电压检测电路和接地电阻检测电路。两个电路输出端分别输出接地电压检测信号和接地电阻检测信号。

其中，接地电压检测电路包括运算放大器，其正电源端接+12V电压，+12V电压连接电容C3后连至车体端并接地，运算放大器同相输入端从左至右连接有二极管D1与电阻R5地桩线与车体线之间还并联有电阻R6、肖特基二极管Z1、和电容C2。运算放大器负电源端接地，反相输入端接有电阻R4和电阻R1，并连接至+12V电压，运算放大器负电源端与电阻R1、R4的中点之间还并联有电阻R2，电阻R3和电容C1。运算放大器的同相输入端与输出端之间连有电阻R7。运算放大器的输出端还连接有电阻R8，反向连接有肖特基二极管Z2，Z2的负极接地，Z2两端并联有电阻R9。接地电压检测信号由R8与Z2的中点处输出。

接地电阻检测电路包括运算放大器，其正电源端接+12V电压，+12V电压连接电容C6后连至车体端并接地，运算放大器同相输入端从左至右连接有电阻R12，地桩线与车体线之间还并联有电阻R16、肖特基二极管Z3、和电容C5。运算放大器负电源端接地，反相输入端接有电阻R11和电阻R15，并连接至+12V电压，该电压端与地桩间还连接有电阻R10。运算放大器负电源端与电阻R11、R15的中点之间还并联有电阻R13，电阻R14和电容C4。运算放大器的同相输入端与输出端之间连有电阻R17。运算放大器的输出端还连接有电阻R18，反向连接有肖特基二极管Z4，Z4的负极接地，Z4两端并联有电阻R19。接地电阻检测信号由R18与Z4的中点处输出。

以上两个电路中的运算放大器都为反向运算放大器，且皆具有RC震荡电路，都有稳压和滤波的功能，其输出端的电阻与二极管起分压作用。

漏电保护：如图4所示，本实施例的漏电检测单元U6的漏电检测电路包括漏电检测部和运算放大器，通过运算放大器检测出电流信号。

该漏电检测电路的漏电检测部可以通过电流互感器感应三相交流供电电压源的U线、W线、V线和N线上的电流，电流互感器接收端10接电阻R1后连至运算放大器的反相输入端，电流互感器的另一接收端9连至运算放大器的同相输入端。运算放大器的反相输入端与输出端之间并联有电阻R2，输出端输出漏电电流检测信号。在电路中，电流互感器感应到的电流经过电阻和运算放大器，再经过反馈控制实现滤波后输出至主控单元U7，当车体内设备存在漏电——电流大于A时(A为预先设定在主控单元U7程序内的电流大小临界值)，主控单元U7向保护动作执行单元U3发送命令，使其动作，实现漏电保护。

保护动作执行单元U3起到执行主控单元U7命令的作用，即开启或关闭后续电路的供电开关。

高电压钳位：如图5所示，本实施例中高电压钳位单元U1b并联在三相交流供电输入端的U线与V线之间，可以采用二极管和三极管配合的钳位电路将高电压钳制到一个确定的低电压上为控制板2供电。

本实施例中主控单元可以采用TMS320LF2407A处理器（DSP），有16个数模转换采样通道，包括多个I/O接口，大多可以通过配置实现中断、捕获、串行通信功能，包括两个事件管理器模块EVA和EVB，每个模块都包括通用定时器、比较单元、捕获单元、外部输入、正交编码电路等。而每个通用定时器包括增减计数器、定时比较器、周期寄存器、控制寄存器等，可选定内外时钟。因此，主控单元可以能够对欠压保护电压、欠压恢复电压、过压保护电压、过压恢复电压、过流保护电流、短路保护电流、漏电保护条件、接地保护条件等进行程序设定。因此，控制单元接收到三相交流电流检测单元、三相交流电压检测单元、漏电检测单元、接地状态检测单元的信号后，通过相应的数模转换，比较判断之后，对保护动作执行单元下达指令，使其动作，起到多种保护目的。

在上一个实施例的基础上，在主控单元U7上增加电压显示模块、电流显示模块、接地状态显示模块、漏电情况显示模块的至少一个，形成显示单元，可以形成本发明的另一个实施例。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种车载三相交流供电设备的智能监控单元，其特征在于，包括功率母板（1）和控制板（2），

所述功率母板（1）包括辅助供电单元（U1）、防雷单元（U2）和保护动作执行单元（U3），所述控制板（2）包括三相交流电流检测单元（U4）、三相交流电压检测单元（U5），漏电检测单元（U6）、主控单元（U7）和接地状态检测单元（U8）；

所述辅助供电单元（U1）、防雷单元（U2）和保护动作执行单元（U3）从左至右依次串接在三相交流供电输入端与输出端之间；

所述三相交流电流检测单元（U4）、三相交流电压检测单元（U5）和漏电检测单元（U6）并联在所述防雷单元（U2）和保护动作执行单元（U3）之间的相线和中线之间，所述三相交流电流检测单元（U4）、三相交流电压检测单元（U5）和漏电检测单元（U6）的输出端与所述主控单元（U7）相连；

所述接地状态检测单元（U8）并联在车体外壳和地桩之间，其输出端与所述主控单元（U7）相连；

所述主控单元（U7）与保护动作执行单元（U3）相连。

2.根据权利要求1所述的车载三相交流供电设备的智能监控单元，其特征在于，所述辅助供电单元（U1）包括辅助供电模块（U1a）和高电压钳位单元（U1b)，所述高电压钳位单元(U1b)可以采用二极管和三极管配合的钳位电路将高电压钳制到一个确定的低电压上。

3.根据权利要求2所述的车载三相交流供电设备的智能监控单元，其特征在于，所述接地状态检测单元（U8）包括并联连接的接地电压检测电路和接地电阻检测电路；

所述接地电压检测电路包括运算放大器，其正电源端接+12V电压，+12V电压连接电容C3后连至车体端并接地，运算放大器同相输入端从左至右连接有二极管D1与电阻R5地桩线与车体线之间还并联有电阻R6、肖特基二极管Z1、和电容C2，运算放大器负电源端接地，反相输入端接有电阻R4和电阻R1，并连接至+12V电压，运算放大器负电源端与电阻R1、R4的中点之间还并联有电阻R2，电阻R3和电容C1，运算放大器的同相输入端与输出端之间连有电阻R7，运算放大器的输出端还连接有电阻R8，反向连接有肖特基二极管Z2，Z2的负极接地，Z2两端并联有电阻R9，接地电压检测信号由R8与Z2的中点处输出；

所述接地电阻检测电路包括运算放大器，其正电源端接+12V电压，+12V电压连接电容C6后连至车体端并接地，运算放大器同相输入端从左至右连接有电阻R12，地桩线与车体线之间还并联有电阻R16、肖特基二极管Z3、和电容C，运算放大器负电源端接地，反相输入端接有电阻R11和电阻R15，并连接至+12V电压，该电压端与地桩间还连接有电阻R10，运算放大器负电源端与电阻R11、R15的中点之间还并联有电阻R13，电阻R14和电容C4，运算放大器的同相输入端与输出端之间连有电阻R17，运算放大器的输出端还连接有电阻R18，反向连接有肖特基二极管Z4，Z4的负极接地，Z4两端并联有电阻R19，接地电阻检测信号由R18与Z4的中点处输出。

4.根据权利要求3所述的车载三相交流供电设备的智能监控单元，其特征在于，

所述三相交流电压检测单元（U5）包括三个电源差分采样电路，即线电压Vuv检测信号电路、线电压Vvw检测信号电路和线电压Vuw检测信号电路，分别对三相交流电源输入端的火线对零线的电压进行采集和稳压滤波处理；

所述线电压Vuv检测信号电路包括运算放大器，三相交流电压U线连接若干电阻后连至运算放大器的反相输入端，三相交流电压V线连接若干电阻后连至运算放大器的同相输入端，运算放大器的负电源端接-12V电源，该电源连接一电容后接地，运算放大器的正电源端接+12V电源，该电源还连接有一电容，电容的另一端接地，运算放大器的同相输入端与正电源端的接地点之间并联有一电阻和一电容，运算放大器的反相输入端与输出端之间还并联有一个电阻和一个电容，运算放大器的输出端输出线电压Vuv检测信号；

所述线电压Vvw检测信号电路包括运算放大器，三相交流电压V线连接若干电阻后连至运算放大器的反相输入端，三相交流电压W线连接若干电阻后连至运算放大器的同相输入端，运算放大器的负电源端接-12V电源，该电源连接一电容后接地，运算放大器的正电源端接+12V电源，该电源还连有一电容后接地，运算放大器的同相输入端与正电源端的接地点之间并联有一电阻和一电容，运算放大器的反相输入端与输出端之间还并联有一个电阻和一个电容，运算放大器的输出端输出线电压Vvw检测信号；

所述线电压Vvw检测信号电路包括运算放大器，三相交流电压U线连接若干电阻后连至运算放大器的反相输入端，三相交流电压W线连接若干电阻后连至运算放大器的同相输入端,该同相输入端连一电容后接地，该电容两端还并联有一个电阻，运算放大器的反相输入端与输出端之间还并联有一个电阻和一个电容，运算放大器的输出端输出线电压Vuw检测信号。

5.根据权利要求5所述的车载三相交流供电设备的智能监控单元，其特征在于，所述主控单元（U7）上还包括电压显示单元、电流显示单元和接地状态显示单元。

6.根据权利要求5所述的车载三相交流供电设备的智能监控单元，其特征在于，所述漏电检测单元（U6）包括对三相电流电源的感应漏电电流进行采集和稳压滤波处理的漏电检测部，以及对漏电检测部输出的信号分别进行放大并输入至主控单元（U7）相应端口的运算放大器。

7.根据权利要求6所述的车载三相交流供电设备的智能监控单元，其特征在于，所述高电压钳位单元（U1b）并联在三相交流供电输入端的U线与V线之间，其利用二极管和三极管配合的钳位电路将高电压钳制到一个确定的低电压上为控制板（2）供电。

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