CN106353599B - 一种直流充电桩绝缘监测电路及检测方法 - Google Patents

一种直流充电桩绝缘监测电路及检测方法 Download PDF

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    • G01R27/02Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/025Measuring very high resistances, e.g. isolation resistances, i.e. megohm-meters

Abstract

本发明公开了一种直流充电桩绝缘监测电路,包括输入正向支路、输入负向支路、输出正向支路和输出负向支路;输入正向支路与输入负向支路均与至少一个电阻通过功率分配单元模块的内部地串联构成一个分压网络,而输出正向支路与输出负向支路均与至少一个投切电阻通过直流充电系统的地串联构成一个分压网络。本发明利用各支路对地电阻作为不平衡电桥检测的初始阻值,外加一路投切电阻即可实现不平衡电桥绝缘检测方案,同时用MCU实现绝缘电阻的计算并上报到集控显示屏。本发明无需实现电桥平衡,同时不受直流充电系统对地分布电容的制约,测量电路成本低,绝缘电阻检测策略简单易实施。并且可通过软件对被测参数进行校准,可实现绝缘电阻高精度测量。

Description

一种直流充电桩绝缘监测电路及检测方法 【技术领域】
[0001] 本发明属于直流充电粧技术领域,涉及一种直流充电粧绝缘监测电路及检测方 法。 【背景技术】
[0002] 2008年10月埃隆•马斯克与Martin Eberhard的团队将首批Tesla Roadster电动 车下线并开始交付,续航里程高达3941(111,0-1001〇11/11加速时间仅需3.98的16 813 1?〇3(18七61 点燃了全球电动汽车市场,全世界迎来了一场引领高科技领域的新能源改革。与此同时,随 着核能发电、太阳能光伏发电以及风能发电原材料价格的下降,进一步推动新能源在本世 纪改革的步伐,全球迎来了一场新能源风暴,同时推动了半导体工业、电动汽车产业、新能 源发电产业以及电力电子领域的快速发展,迫使电力电子行业再一次成为时代进步的领 军,扮演着新能源改革的重要角色。
[0003] 新能源领域的电动汽车产业迅速发展,电动汽车充电粧逐渐成为整个电动汽车产 业发展的瓶颈,国家通过各种途径和手段大力推广充电粧的建设和应用。但近几年出现的 不少电动汽车起火事件,使得电动汽车充电粧的安全性越来越受国家及用户的高度重视。 直流充电粧具有大功率、大体积、高电压、结构与协议复杂的特点,迫使其成为安全问题的 首要引领者。因此,在直流充电粧的设计中不仅增加智能主动防护与柔性充电系统,而且国 标对直流充电粧输出侧对地的绝缘电阻提出了明确的指标要求。
[0004] 从电动汽车充电粧的应用环境出发,不管是直流单粧还是智能群充电系统,通常 都是放置在室外,难免出现高温暴晒、闪电雷击、暴雨潮湿、高浓度硫氮气体以及撞击磨损 的现象,致使高压大电流线缆破损或者直流充电粧内部绝缘器件的不断老化。导致直流充 电粧输出端口正负母线与充电粧外壳通过失效绝缘层形成漏电流回路。这不仅对整套直流 群充电系统的正常工作造成很大影响,而且存在很大的人身安全风险,甚至可能出现爆炸 和火灾。因此,实现在线实时监测充电粧输出直流母线对地的绝缘电阻,对充电安全、客户 安全、车辆安全具有不可估量的实用意义。
[0005] 目前,关于电动汽车智能快速群充电系统中的高效高功率直流充电电源模块,作 为群充电系统主要充电设备rou模块的能量索取单元,与可实现功率分配单元的rou模块共 同构成一个比较复杂的多分支充电网络。在一般情况下,绝缘电阻对直流快速群充电系统 的运行并不影响,但若绝缘电阻过低或者存在接地故障点无法迅速找到并予以修复,又发 生另一点接地故障,轻则导致产生大量的失败订单,重则可能引起重大安全事故的发生。
[0006] 纵观电动汽车智能群充电市场的蓬勃发展,现有直流快充智能群充电系绝缘统检 测的方法主要有电桥平衡法和低频探测原理。根据电桥平衡原理实现的绝缘监测装置被广 泛使用,但它不能检测直流充电系统绝缘电阻动态变化中正负母线各自的绝缘情况,并且 市场上大量出现采用电桥平衡原理设计的绝缘监测装置,只能报出直流充电系统出现几级 绝缘故障,而不能直接测量出直流充电系统对地具体的绝缘电阻阻值。DLT 1392-2-14中指 出用于检测直流充电系统的绝缘电阻精度需满足以下两种工况:1)若被测系统绝缘电阻低 于60K时,绝缘电阻精度要满足± 5 %。2)若被测系统绝缘电阻高于60K时,绝缘电阻精度要 满足±10%。该标准中明确给出绝缘电阻的精度而不是绝缘电阻等级。使用低频探测法测 量接地电阻是近些年常用的一种方法,但它所能检测的绝缘电阻受直流充电系统对地分布 电容的制约,而且低频交流信号易被外围电路干扰。综上所述,电桥平衡原理和低频探测原 理均存在若干难以克服的缺陷。 【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点,提供一种直流充电粧绝缘监测电路 及检测方法。
[0008] 为达到上述目的,本发明采用以下技术方案予以实现:
[0009] 一种直流充电粧绝缘监测电路,包括输入正向支路、输入负向支路、输出正向支路 和输出负向支路;输入正向支路与输入负向支路均与至少一个电阻通过功率分配单元模块 的内部地GND串联构成一个分压网络,而输出正向支路与输出负向支路均与至少一个投切 电阻通过直流充电系统的地PE串联构成一个分压网络;输入正向支路与输入负向支路之间 的连接点接功率分配单元模块的内部地GND,输出正向支路与输出负向支路的连接点接直 流充电系统的地PE,直流充电系统的地PE直接与系统机架连接;功率分配单元模块的内部 地GND与直流充电系统的地PE之间设置有接触器KO。
[0010] 本发明进一步的改进在于:
[0011 ] 所述输入正向支路包括输入正向端口 Vin+,输入正向端口 Vin+通过接触器Ka串联输 入正向端口 Vin+对功率分配单元模块的内部地GND的等效电阻Ra,等效电阻Ra的另一端接功 率分配单元模块的内部地GND。
[0012] 所述输入正向端口 Vin+通过接触器Kl与输出负向端口 VBAT+相连;输入负向支路包 括输入负向端口 Vin-,输入正向端口 Vin-通过接触器K2与输出负向端口 Vout-相连。
[0013] 所述输入正向支路包括四个输入正向端口,输入正向端口 Vinl+通过投切接触器 Kla串联输入正向端口 Vinl+对功率分配单元模块的内部地GND的等效电阻Rla,等效电阻Rla 的另一端接功率分配单元模块的内部地GND;输入正向端口 Vin2+通过投切接触器K2a串联输 入正向端口 Vin2+对功率分配单元模块的内部地GND的等效电阻R2a,等效电阻R2a的另一端 接功率分配单元模块的内部地GND;输入正向端口 Vin3+通过接触器K3a串联输入正向端口 Vin3+对功率分配单元模块的内部地GND的等效电阻R3a,等效电阻R3a的另一端接功率分配 单元模块的内部地GND;输入正向端口 Vin4+通过接触器K4a串联输入正向端口 Vin4+对功率分 配单元模块的内部地GND的等效电阻R4a,等效电阻R4a的另一端接功率分配单元模块的内 部地GND。
[0014] 所述输入负向支路包括输入负向端口 Vin-,输入正向端口 Vin-与输出负向端口 Vout-相连。
[0015] 所述输出正向支路包括输出正向端口 VBAT+,输出正向端口 VBAT+通过等效电阻Rl 与功率分配单元模块的内部地GND相连;输出正向端口 VBAT+通过串接的等效电阻R3和开关 K3与直流充电系统的地PE相连。
[0016] 所述输出负向支路包括输出负向端口 Vout-,输出负向端口 Vout-通过等效电阻R2 与功率分配单元模块的内部地GND相连;输出负向端口 Vout-通过串接的等效电阻R4和开关 K4与直流充电系统的地PE相连。
[0017] —种直流充电粧绝缘监测电路的检测方法,包括以下步骤:
[0018] 1)闭合接触器Kl、接触器Κ2和接触器KO,再闭合接触器Ka,测量出等效电阻Rl的两 端电压Vcl,并得到如下关系式:
Figure CN106353599BD00061
[0020] 其中,Vo是绝缘检测电压值;
[0021] 2)由Vcl求解出输出负向端口Vout-对直流充电系统的地PE的电压VcO,并确定Vcl 与VcO的大小关系,具体的关系式如下:
[0022] VcO = Vo-Vcl
[0023] 3)若VcI>VcO,则闭合开关Κ3,测量出等效电阻Rl的两端电压Vc2,并得到如下关系 式:
Figure CN106353599BD00062
[0025] 4)若Vcl<VcO,则闭合开关K4,测量出Rl两端电压Vc3,并得到如下关系式:
Figure CN106353599BD00063
[0027] 5)由测量得到的Vcl、Vc2、Vc3值,求解出绝缘电阻Rx、Ry的值,具体关系如下:
[0028] 若Vc I > VcO,则对应的Rx、Ry的值,如下述表达式:
Figure CN106353599BD00064
[0031] 若Vc I < VcO,则对应的Rx、Ry的值,如下述表达式:
Figure CN106353599BD00065
[0034] 与现有技术相比,本发明具有以下有益效果:
[0035] 本发明采用不平衡电桥检测总的绝缘电阻,利用各支路对地电阻作为不平衡电桥 检测的初始阻值,外加一路投切电阻即可实现不平衡电桥绝缘检测方案,同时用MCU实现绝 缘电阻的计算并上报到集控显示屏。本发明无需实现电桥平衡,同时不受直流充电系统对 地分布电容的制约,测量电路成本低,绝缘电阻检测策略简单易实施。并且可通过软件对被 测参数进行校准,可实现绝缘电阻高精度测量。本发明充分利用功率分配模块单元内部各 支路输入输出端口对PE的等效电阻组成绝缘检测电路,结合输出端口的投切电阻,通过对 应的投切策略,实现测量出输出端口对地的绝缘等效电阻。 【附图说明】
[0036] 图1为本发明的单路绝缘检测等效电路图;
[0037] 图2为本发明的单模块绝缘检测等效电路图。 【具体实施方式】
[0038] 下面结合附图对本发明做进一步详细描述:
[0039] 本发明提出了直流充电粧绝缘监测电路及检测方法,实现有效处理直流充电系统 功率分配单元模块漏电检测功能。
[0040] 如图1所示,图1为一个单路绝缘检测等效电路,该等效电路主要包括:输入正向支 路,输入负向支路,输出正向支路,输出负向支路构成。其中输入正向与负向支路均与至少 一个电阻通过GND串联构成一个分压网络,而输出正向与输出负向支路均与至少一个投切 电阻通过PE串联构成一个分压网络。该绝缘检测方案中,输入正向支路与输入负向支路之 间的连接点接GND,GND为功率分配单元模块内部地;而输出正向支路与输出负向支路的连 接点接PE,PE为直流充电系统的地(大地),并直接与系统机架连接。
[0041] 如图1所示,输入正向支路由Ra与Rl并联构成,其中Ka是输入正向端口对GND的投 切开关,Ra是输入正向端口对GND的等效电阻,Rl是输出正向端口对GND的等效电阻。输入负 向支路由R2构成,R2是输入负向端口对GND的电阻。需要注意输入正向支路电阻与输入负向 支路电阻都是功率分配单元模块内部电路的等效电阻,不隶属于绝缘检测外加的匹配电 阻,而且其等效电阻的阻值并不相等,即Ra//R1#R2,具体等效阻值能够通过功率分配单元 模块内部电路计算得到。并且在绝缘电阻检测策略中把Ra//Rl与R2的阻值作为绝缘检测策 略的初始入口参数,用于调节绝缘电阻检测的精度。
[0042] 输出正向支路由R3和K3串联构成,其中R3是输出正向端口对PE的等效电阻,K3是 输出正向支路对PE的投切开关。输出负向支路由R4和K4串联构成,其中R4是输出负向端口 对PE的等效电阻,K4是输出负向支路对PE的投切开关。并且功率分配单元模块的输入正向 端口与输出正向端口之间设计一个功率开关K1,输入负向端口与输出负向端口之间设计一 个功率开关K2,功率分配单元模块的内部地GND与直流充电系统的机架地PE之间设有一个 开关K0。其中Vc为计算绝缘电阻的回采电压。
[0043] 如图2所示,图2为一个单模块绝缘检测等效电路,与单路绝缘检测等效电路不同 的是其输入正向支路有四路,每一路可单独工作,四路同时工作也没有问题。
[0044] Vinl+、Vin2+、Vin3+、Vin4+为4路正向输人电压,其负向输人接触器吸合后等效为Vin- 〇 其中,Kla是第一路输入正向端口对GND的投切开关,Rla是第一路输入正向端口对GND的等 效电阻。K2a是第二路输入正向端口对GND的投切开关,R2a是第二路输入正向端口对GND的 等效电阻。K3a是第三路输入正向端口对GND的投切开关,R3a是第三路输入正向端口对GND 的等效电阻。Ma是第四路输入正向端口对GND的投切开关,R4a是第四路输入正向端口对 GND的等效电阻。其余的接触器与电阻均与单路绝缘检测电路保持一致。
[0045] 本发明提出一种新的电动汽车直流智能快速群充电系统在线绝缘检测方法,即采 用不平衡电桥检测总的绝缘电阻,利用各支路对地电阻作为不平衡电桥检测的初始阻值, 外加一路投切电阻即可实现不平衡电桥绝缘检测方案,同时用MCU实现绝缘电阻的计算并 上报到集控显示屏。检测方案如下:
[0046] 1.闭合输入端口与输出端口之间的接触器,闭合内部地与PE之间的接触器,闭合 输入正向端口对GND的接触器,测量输出正向端口对PE的电压。
[0047] 2.由输出正向端口对PE的电压计算出输出负向端口对PE的电压并确定上述两个 电压的大小关系。
[0048] 3.若正向端口对PE的电压大于负向端口对PE的电压,那么闭合输出正向支路对PE 的投切接触器,测量输出正向端口对PE的电压。
[0049] 若正向端口对PE的电压小于负向端口对PE的电压,那么闭合输出负向支路对PE的 投切接触器,测量输出正向端口对PE的电压。
[0050] 4.利用输出正向端口对PE的电压求取输出正向端口与输出负向端口对PE的绝缘 电阻Rx、Ry。
[0051] 上述绝缘检测策略具体的检测步骤如下所述:
[0052] 1)闭合接触器Kl、接触器K2和接触器KO,再闭合接触器Ka,测量出等效电阻Rl的两 端电压Vcl,并得到如下关系式:
Figure CN106353599BD00081
[0054] 其中,Vo是绝缘检测电压值;
[0055] 2)由Vcl求解出输出负向端口Vout-对直流充电系统的地PE的电压VcO,并确定Vcl 与VcO的大小关系,具体的关系式如下:
[0056] VcO = Vo-Vcl
[0057] 3)若VcI>VcO,则闭合开关K3,测量出等效电阻Rl的两端电压Vc2,并得到如下关系 式:
Figure CN106353599BD00082
[0059] 4)若Vcl<VcO,则闭合开关K4,测量出Rl两端电压Vc3,并得到如下关系式:
Figure CN106353599BD00083
[0061] 5)由测量得到的Vcl、Vc2、Vc3值,求解出绝缘电阻Rx、Ry的值,具体关系如下:
[0062] 若Vc I > VcO,则对应的Rx、Ry的值,如下述表达式:
Figure CN106353599BD00084
[0065] 若Vc I < VcO,则对应的Rx、Ry的值,如下述表达式:
Figure CN106353599BD00085
[0068] 其中,Ra是输入正向端口对GND的等效电阻,R1是输出正向端口对GND的等效电阻, R2是输入负向端口对GND的电阻。R3是输出正向端口对PE的等效电阻,R4是输出负向端口对 PE的等效电阻,Rx是输出正向端口对PE的绝缘电阻,Ry是输出负向端口对PE的绝缘电阻,Vo 是绝缘检测电压值。
[0069] 本发明充分利用功率分配模块单元内部各支路输入输出端口对PE的等效电阻组 成绝缘检测电路,结合输出端口的投切电阻,通过对应的投切策略,实现测量出输出端口对 地的绝缘等效电阻。
[0070] 以上内容仅为说明本发明的技术思想,不能以此限定本发明的保护范围,凡是按 照本发明提出的技术思想,在技术方案基础上所做的任何改动,均落入本发明权利要求书 的保护范围之内。

Claims (8)

1. 一种直流充电粧绝缘监测电路,其特征在于,包括输入正向支路、输入负向支路、输 出正向支路和输出负向支路;输入正向支路与输入负向支路均与至少一个电阻通过功率分 配单元模块的内部地GND串联构成一个分压网络,而输出正向支路与输出负向支路均与至 少一个投切电阻通过直流充电系统的地PE串联构成一个分压网络;输入正向支路与输入负 向支路之间的连接点接功率分配单元模块的内部地GND,输出正向支路与输出负向支路的 连接点接直流充电系统的地PE,直流充电系统的地PE直接与系统机架连接;功率分配单元 模块的内部地GND与直流充电系统的地PE之间设置有接触器KO; 所述输入正向支路包括输入正向端口 Vin+,输入正向端口 Vin+通过接触器Ka串联输入正 向端口 Vin+对功率分配单元模块的内部地GND的等效电阻Ra,等效电阻Ra的另一端接功率分 配单元模块的内部地GND。
2. 根据权利要求1所述的直流充电粧绝缘监测电路,其特征在于,所述输入正向端口 Vin+通过接触器Kl与输出正向端口 VBAT+相连;输入负向支路包括输入负向端口 Vin-,输入负 向端口 Vin-通过接触器K2与输出负向端口 Vout-相连。
3. 根据权利要求1或2所述的直流充电粧绝缘监测电路,其特征在于,所述输出正向支 路包括输出正向端口 VBAT+,输出正向端口 VBAT+通过等效电阻Rl与功率分配单元模块的内 部地GND相连;输出正向端口 VBAT+通过串接的等效电阻R3和开关K3与直流充电系统的地PE 相连。
4. 根据权利要求1或2所述的直流充电粧绝缘监测电路,其特征在于,所述输出负向支 路包括输出负向端口 Vout-,输出负向端口 Vout-通过等效电阻R2与功率分配单元模块的内 部地GND相连;输出负向端口 Vout-通过串接的等效电阻R4和开关K4与直流充电系统的地PE 相连。
5. —种直流充电粧绝缘监测电路,其特征在于,包括输入正向支路、输入负向支路、输 出正向支路和输出负向支路;输入正向支路与输入负向支路均与至少一个电阻通过功率分 配单元模块的内部地GND串联构成一个分压网络,而输出正向支路与输出负向支路均与至 少一个投切电阻通过直流充电系统的地PE串联构成一个分压网络;输入正向支路与输入负 向支路之间的连接点接功率分配单元模块的内部地GND,输出正向支路与输出负向支路的 连接点接直流充电系统的地PE,直流充电系统的地PE直接与系统机架连接;功率分配单元 模块的内部地GND与直流充电系统的地PE之间设置有接触器KO; 所述输入正向支路包括四个输入正向端口,输入正向端口 Vinl+通过投切接触器KI a串联 输入正向端口 Vinl+对功率分配单元模块的内部地GND的等效电阻Rla,等效电阻Rla的另一 端接功率分配单元模块的内部地GND;输入正向端口 Vin2+通过投切接触器K2a串联输入正向 端口 Vin2+对功率分配单元模块的内部地GND的等效电阻R2a,等效电阻R2a的另一端接功率 分配单元模块的内部地GND;输入正向端口 Vin3+通过接触器K3a串联输入正向端口 Vin3+对功 率分配单元模块的内部地GND的等效电阻R3a,等效电阻R3a的另一端接功率分配单元模块 的内部地GND;输入正向端口 Vin4+通过接触器K4a串联输入正向端口 Vin4+对功率分配单元模 块的内部地GND的等效电阻R4a,等效电阻R4a的另一端接功率分配单元模块的内部地GND; 所述输入负向支路包括输入负向端口 Vin-,输入负向端口 Vin-与输出负向端口 Vout-相 连。
6. 根据权利要求5所述的直流充电粧绝缘监测电路,其特征在于,所述输出正向支路包 括输出正向端口 VBAT+,输出正向端口 VBAT+通过等效电阻Rl与功率分配单元模块的内部地 GND相连;输出正向端口 VBAT+通过串接的等效电阻R3和开关K3与直流充电系统的地PE相 连。
7. 根据权利要求5所述的直流充电粧绝缘监测电路,其特征在于,所述输出负向支路包 括输出负向端口 Vout-,输出负向端口 Vout-通过等效电阻R2与功率分配单元模块的内部地 GND相连;输出负向端口 Vout-通过串接的等效电阻R4和开关K4与直流充电系统的地PE相 连。
8. —种采用权利要求2或5所述直流充电粧绝缘监测电路的检测方法,其特征在于,包 括以下步骤: 1) 闭合接触器Kl、接触器K2和接触器KO,再闭合接触器Ka,测量出等效电阻Rl的两端电 压Vcl,并得到如下关系式:
Figure CN106353599BC00031
其中,Vo是绝缘检测电压值; 2) 由Vc 1求解出输出负向端口 Vout-对直流充电系统的地PE的电压VcO,并确定Vc 1与 VcO的大小关系,具体的关系式如下: VcO = Vo-Vcl 3) 若Vcl>VcO,则闭合开关K3,测量出等效电阻Rl的两端电压Vc2,并得到如下关系式:
Figure CN106353599BC00032
4) 若VcKVcO,则闭合开关K4,测量出Rl两端电压Vc3,并得到如下关系式:
Figure CN106353599BC00033
5) 由测量得到的Vcl、Vc2、Vc3值,求解出绝缘电阻Rx、Ry的值,具体关系如下: 若Vc I > VcO,则对应的Rx、Ry的值,如下述表达式:
Figure CN106353599BC00034
若Vc I < VcO,则对应的Rx、Ry的值,如下述表达式:
Figure CN106353599BC00035
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