CN103532087A - 车载单相交流供电智能监控单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种车载单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；控制板包括单相交流电流检测单元、单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检测电路，控制板集成了CAN总线通信功能和485串行总线通信功能。整个监控单元具备防雷保护、单相交流过流/短路/漏电保护、单相交流电压过压/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

车载单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的监控设备。

背景技术

目前，在通信行业领域，单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200920184834.7的实用新型专利提出了一种能够自动重合闸、且防护功能全面、安全可靠的单相智能型用电保护装置，包括主开关、直流稳压电路模块、单片机、驱动电路模块、过/欠压检测电路模块、短路/过载检测电路模块、漏电检测电路模块和故障指示电路模块。过/欠压检测电路模块、短路/过载检测电路模块、漏电检测电路模块和故障指示电路模块可以对电源电路进行实时检测，并将数据报送给单片机进行判断处理，如果检测到单相电源电路中存在过压、欠压、短路、过载、漏电等故障时，单片机会及时通过驱动电路模块控制电路，对被保护设备或系统实施保护，并且有故障指示灯。但是该实用新型用于所有用电保护开关，并不专门针对车载供电系统，缺少车载供电系统所特需的保护措施，仍有需要完善的地方。又如申请号为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有进行控制器电源转换、电池参数监测和供电过流保护等功能，实现控电分离。由此可知，当前车载供电系统使用单相220VAC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。

发明内容

针对背景技术中提到的传统用电保护开关存在的不足，本发明的目的在于提供一种能够自动重合闸、且防护功能更加全面和安全可靠的车载单相交流供电设备的智能监控单元。

本发明的车载单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，控制板包括单相交流电流检测单元、单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，辅助供电单元、防雷单元和保护动作执行单元从左至右依次串接在单相交流供电输入端与单相交流供电输出端之间；单相交流电流检测单元、单相交流电压检测单元和漏电检测单元并联在所述防雷单元和保护动作执行单元之间的相线和中线之间；单相交流电流检测单元、单相交流电压检测单元和漏电检测单元输出的信号传送给所述主控单元

单相交流电压检测单元包括电源差分采样电路，对单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，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。

漏电检测单元设置有运算放大器，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，所述漏电检测单元的电路还对单相电流电源的感应漏电电流进行采集和稳压滤波处理。

接地状态检测单元由接地电压检测单元和接地电阻检测单元并联组成，接地电压检测单元输出接地电压检测信号，接地电阻检测信号输出接地电阻检测信号。接地状态检测单元并联在车体外壳和地桩之间，其输出的信号传送给所述主控单元，所述主控单元采集到的所有信号被处理后，转化为控制命令，发送给保护动作执行单元。

本发明车载单相交流供电设备的智能监控单元的主控单元还有控制自动重合闸功能，其单相交流电压检测单元采用了滞环过压/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。

本发明车载单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DSP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。

附图说明

图1为本发明的原理框图，其中：1-功率母板，2-控制板，U1-辅助供电单元，U2-防雷单元，U3-保护动作执行单元，U4-单相交流电流检测单元，U5-单相交流电压检测单元，U6-漏电检测单元，U7-主控单元，U8-接地状态检测单元；；

图2为本发明的单相交流电压检测单元电压差分采样原理图；

图3为本发明的接地状态检测单元原理图；

图4为本发明的漏电检测单元原理图。

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本实施例的车载单相交流供电智能监控单元的原理框图所示，本发明包括连接在单相交流供电输入端和单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包括单相交流电流检测单元U4、单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，将单相交流输入信号进行稳压调整，再对整个控制板2提供电源。

辅助供电单元U1、防雷单元U2和保护动作执行单元U3依次串接在单相交流供电输入端与单相交流供电输出端之间；单相交流电流检测单元U4、单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，采用双重接地保护电路，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；单相交流电流检测单元U4、单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，转化为命令，下达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。

实际应用中，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，对控制板2进行供电。

防雷保护：本实施例中防雷单元U2可以是防雷保护电路，在本实施例的单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：本实施例的单相交流电流检测单元U4采集输入端输入的电流，所采集的信号经采样电路转换后，传递给主控单元U7的AD采样引脚，主控单元U7上写入的软件对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，主控单元U7上的程序通过一定算法对该值进行滤波、比较，判断是否超过合理数值，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，本实施例的单相交流电压检测单元U5包括电源差分采样电路，对单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，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U7相应端口的运算放大器。

单相交流供电电压源的火线连接若干电阻后连至运算放大器的反相输入端，单相交流供电电压源的零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。在工作过程中，单相交流电压检测单元U5对输入端输入的电压信号进行差分采样并传送给主控单元U7，该信号经过AD转换之后，由主控单元U7上的程序进行转换、计算，得出采样信号。差分采样电路的输出端输出电压采样信号，该信号与运放两端的输入电压差成正比，其与预先设定的过压——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）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，。

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。

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。

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0序电流互感器和运算放大器和电流互感器，电流互感器接收端6连接电阻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5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(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。

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，主控单元接收到单相交流电流检测单元、单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 (6)

1.一种车载单相交流供电智能监控单元，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）包括单相交流电流检测单元（U4）、单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单相交流供电输入端与输出端之间；

所述单相交流电流检测单元（U4）、单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，所述单相交流电流检测单元（U4）、单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所述的车载单相交流供电智能监控单元，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的正极，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。

3.根据权利要求2所述的车载单相交流供电智能监控单元，其特征在于，所述单相交流电压检测单元（U5）包括电源差分采样电路，对单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，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（U7）相应端口的运算放大器。

4.根据权利要求3所述的车载单相交流供电智能监控单元，其特征在于，所述电源差分采样电路包括运算放大器，单相交流供电电压的火线连接若干电阻后连至运算放大器的反相输入端，单相交流供电电压的零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。

5.根据权利要求3所述的车载单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）设置有运算放大器，对漏电检测部输出的信号分别进行放大并传输至主控单元（U7）的相应端口，所述漏电检测单元（U6）的电路还对单相电流电源的感应漏电电流进行采集和稳压滤波处理。

6.根据权利要求5所述的车载单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。

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