CN107677882A - 一种直流充电桩检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直流充电桩检测系统及其检测方法，包括充电电路、开关阻抗网络、电压采集单元及控制单元，所述开关阻抗网络的输入端与充电电路连接通过充电电路向其供电，开关阻抗网络的输出端与电压采集单元的输入端连接，所述电压采集单元的输出端与控制单元的输入端连接。本发明所示的直流充电桩检测系统及其检测方法，电路设计简单，使用器件少，充电桩电压检测和对地绝缘检测共用取样电阻，电压和对地绝缘检测只用ADC一路通道，减小了电路所占PCB面积，减少产品器件成本，电压采集电路均只需单电源供电，实现充电桩在充电的过程中，实时、精确地监测充电桩正负母线同时有接地情况时对地绝缘电阻大小。

Description

一种直流充电桩检测系统及其检测方法

技术领域

本发明涉及充电桩检测技术领域，具体涉及一种直流充电桩检测系统及其检测方法。

背景技术

随着电动汽车充电桩的大量建设及应用，其安全性越来越受到厂家和用户的重视。尤其是直流充电桩，具有充电功率大、体积大、电压等级高、电气结构复杂等特点。因此，在直流充电桩的设计中，对直流侧输出电压电流的检测及直流母线对地的绝缘性能提出了较高的要求。

直流充电桩对地绝缘不良，将造成直流正负母线通过绝缘层和充电桩外壳构成漏电回路，这不仅会危及用户的人身安全，还将影响充电桩和电动汽车中其它系统的正常工作，造成设备的损坏，甚至引发火灾。因此，实时检测充电桩直流侧对地的绝缘性能，对保证用户安全、电气设备安全和车辆安全具有重要意义。并且，实时检测直流充电桩的充电电压及总的直流充电电流，可以对整个充电桩系统进行过压保护及过流保护，提高充电桩的安全性。

现有的直流绝缘检测方法主要有平衡电桥法、低频信号注入法和漏电流检测法。市场上平衡电桥法的装置很多，它们很多只能定性判断绝缘故障，并不能得到接地电阻数值；并且当正负极接地电阻同时下降时，即使已经超越报警界限，装置也不会动作。低频信号注入法受系统对地分布电容影响较大，接地检测及支路查找成功率低；而且低频交流信号的注入增大了直流系统的电压纹波，影响直流系统的安全运行,并且低频交流信号也容易受外界的干扰。漏电流法检测精度不受系统分布电容影响，但开关的频繁切换会造成分布电容的频繁充放电，很容易引起继电保护等控制设备的误动作。

另外，现有的市场上很多桩体的绝缘检测系统，仅仅对桩体进行直流母线的对地绝缘电阻进行检测，而没有对直流母线的电压和电流同时进行实时检测，并且很多对地绝缘检测电路设计复杂，不仅降低了系统的稳定性，还增加了成本。所以，能有一种能同时检测直流母线的电压和电流以及直流母线的对地绝缘电阻的方法，并且直流母线的对地绝缘电阻可实现实时在线的高精度测量显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种直流充电桩检测系统及其检测方法，实现同时对直流充电桩母线电压、电流以及母线正、负端对大地的绝缘电阻大小的精确检测，提高系统的稳定性和安全性。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：包括充电电路、开关阻抗网络、电压采集单元及控制单元，所述开关阻抗网络的输入端与充电电路连接通过充电电路向其供电，开关阻抗网络的输出端与电压采集单元的输入端连接，所述电压采集单元的输出端与控制单元的输入端连接。

上述方案中，所述开关阻抗网络包括电阻R₀、R₁、R₂、R_正、R_负、r及开关S₁、S₂，所述开关S₂的一端通过电阻R₁与充电电路的正极端连接，开关S₂的另一端依次通过电阻R₂、r与充电电路的负极端及接地端连接，所述电阻R₀的一端与电阻r的接地端连接，电阻R₀的另一端依次经电阻R_负、R_正与充电电路的正极端连接，所述开关S₁的一端连接在开关S₂与R₂之间的节点处，开关S₁的另一端接地且与电阻R_正、R_负之间的节点连接。

上述方案中，所述电压采集单元包括滤波放大电路、电压线性隔离电路及 ADC采样电路，所述滤波放大电路的输入端与开关阻抗网络的输出端连接，其输出端通过电压线性隔离电路与ADC采样电路的输入端连接，ADC采样电路的输出端与控制电路的输入端连接。

上述方案中，所述控制电路包括MCU控制器及与MCU控制器输出端连接的通讯单元、控制单元及故障报警单元。

上述方案中，所述充电电路由多个AC/DC电源模块组成。

一种直流充电桩检测系统的检测方法，包括以下步骤：

(1)充电电路输出的直流电压信号通过开关阻抗网络得到两路弱电直流电压信号；

(2)两路弱电直流电压通过电压采集单元进行滤波处理以及放大处理后，再将处理后的直流电压信号转换成数字信号；

(3)电压采集单元将转换成的数字信号传送给MCU控制器，通过MCU控制器对开关阻抗网络不同的开关状态控制，测算出充电桩直流母线的电压、充电桩母线电流、母线正端对地电阻和负端对地电阻。

上述步骤中，通过MCU控制器对开关阻抗网络不同的开关状态控制，测算出充电桩直流母线的电压、充电桩母线电流、母线正端对地电阻和负端对地电阻，具体如下：MCU控制器检测充电桩直流母线的电压，并输出开关控制信号给开关阻抗网络，通过开关阻抗网络中的开关开断以及电压采集单元输出的数字信号大小计算充电桩直流母线的电压、充电桩母线电流、母线正端对地电阻和负端对地电阻。

由上述技术方案可知，本发明所示的直流充电桩检测系统及其检测方法，电路设计简单，使用器件少，充电桩电压检测和对地绝缘检测共用取样电阻，电压和对地绝缘检测只用ADC一路通道，减小了电路所占PCB面积，减少产品器件成本。取样电阻和分流器共地，取样电压都为正值，后端运算放大器电路及ADC采样电路均只需单电源供电，电路设计再次得到简化；本发明可实现充电桩在充电的过程中，实时监测充电桩正负母线的对地绝缘电阻大小；并且当直流充电桩的正、负母线对机壳都绝缘不良时，可同时检测出正、负母线对机壳的绝缘电阻大小；电路可同时并精确地测算出直流充电桩的电压、电流以及桩体直流母线对大地的绝缘电阻大小。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的开关阻抗网络的电路原理图；

图3是发明的开关阻抗网络只闭合开关S₂时的等效电路；

图4是本发明的开关阻抗网络按方法一中只闭合开关S₁时的等效电路；

图5是本发明的开关阻抗网络按方法一中开关S₂和S₂同时闭合时的等效电路；

图6是本发明的开关阻抗网络按方法二中只闭合开关S₁时的等效电路；

图7是本发明的开关阻抗网络按方法二中开关S₂和S₂同时闭合时的等效电路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，本实施例的直流充电桩检测系统，包括充电电路1、开关阻抗网络2、电压采集单元3及控制单元4，该开关阻抗网络2的输入端与充电电路1连接、通过充电电路向其供电，开关阻抗网络2的输出端与电压采集单元3的输入端连接，电压采集单元3的输出端与控制单元4的输入端连接。

该充电电路1由多个AC/DC电源模块组成；开关阻抗网络2包括电阻R₀、 R₁、R₂、R_正、R_负、r及开关S₁、S₂，该开关S₂的一端通过电阻R₁与充电电路的正极端连接，开关S₂的另一端依次通过电阻R₂、r与充电电路1的负极端及接地端连接，电阻R₀的一端与电阻r的接地端连接，电阻R₀的另一端依次经电阻R_负、R_正与充电电路1的正极端连接，开关S₁的一端连接在开关S₂与R₂之间的节点处，开关S₁的另一端接地且与电阻R_正、R_负之间的节点连接。

电压采集单元3包括滤波放大电路31、电压线性隔离电路32及ADC采样电路33，滤波放大电路31的输入端与开关阻抗网络2的输出端连接，其输出端与电压线性隔离电路32的输入端连接，电压线性隔离电路32的输出端与ADC 采样电路33的输入端连接，ADC采样电路33的输出端与控制电路4的输入端连接。本实施例的控制电路4由MCU控制器41、通讯单元42、控制单元43及故障报警单元44，该通讯单元42与MCU控制器41的输出端连接，实现与控制单元43的通讯，控制单元43与MCU控制器41的输出端连接，实现MCU控制器41的功能控制，故障报警44与MCU控制器41输出端连接实现故障报警功能，该MCU控制器41的输入端与ADC采样电路33的输出端连接。

工作原理：充电电路1输出的直流电压信号通过开关阻抗网络2得到两路弱电直流电压信号，两路弱电直流电压首先进入电压采集单元3的滤波放大电路31，进行滤波处理以及放大处理后，再进入电压线性隔离电路32；电压线性隔离电路32实现了对两路弱电直流电压的线性隔离，然后再将线性隔离之后的信号输出给ADC采样模块33；ADC采样模块33实现了把线性隔离之后直流电压信号转换成数字信号，然后ADC采样模块33再通过SPI或者I²C等串行通讯方式，与MCU控制器41进行通讯，把转换成的数字信号传送给MCU控制器41中，通过MCU控制器对开关阻抗网络不同的开关状态控制，测算出充电桩直流母线的电压、充电桩母线电流、母线正端对地电阻和负端对地电阻。

如图1、2所示，DC+和DC-分别代表直流充电桩直流母线的正端和负端，其DC+和DC-两端的压差为母线电压，用U表示。该开关阻抗网络2的一路输入为充电桩直流母线的DC+和DC-，充电桩直流母线即为充电模块单元的输出；另一路输入为MCU控制器41的开关控制信号，此输入信号控制开关阻抗网络内部开关S₁和开关S₂的开和关；开关阻抗网络2的输出信号为两路弱电直流电压信号。该开关阻抗网络2的电路中，电阻R₁和电阻R₂为限流电阻，r为电压取样电阻r,两个隔离高压电子开关S₁和S₂，一个分流器电阻R₀，R_正和R_负分别表示充电桩直流母线正端对大地和负端对大地的绝缘电阻。

如图2所示，充电电路1输出为两路弱电直流电压信号,一路为取样电阻r 两端的电压u，另一路为分流器R₀两端电压u₀；当只闭合开关S₂时，开关阻抗网络的等效电路即如图3所示，取样电阻r两端的电压定义为u₃；当只闭合开关S₁时，开关阻抗网络的等效电路即如图4或图6所示，取样电阻r两端的电压定义为u₁；当开关S₂和S₁都闭合时，开关阻抗网络的等效电路即如图5或图 7所示，取样电阻r两端的电压定义为u₂。

具体通过MCU控制单元对开关阻抗网络不同的开关状态控制，测算出充电桩直流母线的电压U、充电桩母线电流I₀、母线正端对地电阻R_正和负端对地电阻R_负的过程如下：

电路首先检测充电桩直流母线的电压U，MCU控制器41输出开关控制信号给开关阻抗网络2，使开关阻抗网络2中的开关S₂闭合、S₁断开，此时开关阻抗网,2的等效电路如图3所示，电压U转换为取样电阻r上的弱电直流电压信号u₃，开关阻抗网络2输出弱电直流电压信号u₃给电压采集单元3；电压采集单元3把弱电直流电压信号u₃转换成数字信号，输出给MCU控制器41；MCU控制器41经过公式推算出充电桩直流母线的电压：

其次开始检测充电桩母线电流I₀，MCU控制器41输出开关控制信号给开关阻抗网络2，使开关阻抗网络2中的开关S₂断开、S₁断开；此时开关阻抗网络 2的等效电路如图2所示，开关阻抗网络2输出分流器R₀两端弱电直流电压信号u₀给电压采集单元；电压采集单元3把弱电直流电压信号u₀转换成数字信号，输出给MCU控制器41；MCU控制器41经过公式推算出充电桩母线电流：

再次开始检测充电桩母线正端对地电阻R_正和负端对地电阻R_负，MCU控制器41输出开关控制信号给开关阻抗网络2，使开关阻抗网络2中的开关S₂断开、S₁闭合；此时开关阻抗网络2的等效电路如图4或者图6所示，取样电阻 r上的弱电直流电压信号定义为u₁；开关阻抗网络2输出弱电直流电压信u₁给电压采集单元，电压采集单元3把弱电直流电压信号u₁转换成数字信号，输出给MCU控制器41；MCU控制器41获取到u₁的电压后，再次输出开关控制信号给开关阻抗网络2，使开关阻抗网络2中的开关S₂和S₁同时闭合；此时开关阻抗网络2的等效电路如图5或者图7所示，取样电阻r上的弱电直流电压信号定义为u₂；开关阻抗网络输出弱电直流电压信u₂给电压采集单元，电压采集单元把弱电直流电压信号u₂转换成数字信号，输出给MCU控制器41；MCU控制器 41获取到u₂的电压后，再经过公式推算出充电桩母线正端对地电阻R_正和负端对地电阻R_负；以下有两种方法计算R_正和R_负，方法一可实现直流充电桩母线正负端同时有接地电阻时,推算出R_正和R_负的情况，无论R_正和R_负是否相等，方法二都能精确的测算出R_正和R_负的阻值。

通过方法一可推算出：

方法二：可实现直流充电桩正母线和负母线有且仅有一条母线有接地电阻时，推算出R_正和R_负的情况，也就是说方法二的推算方法只能检测当直流充电桩正母线对大地有绝缘电阻R_正时，直流充电桩的负母线对地绝缘电阻必须为无穷大，可得出：

当直流充电桩负母线对大地有绝缘电阻R_负时，直流充电桩的正母线对地绝缘电阻必须为无穷大，得出：

此时，已经测算出了直流母线的电压U、电流I₀，还有母线正端对地电阻R_正和负端对地电阻R_负，MCU控制单元通过对测试结果I₀、U、R_正、R_负判断的分析，判断是否故障报警及控制单元的动作，以及上报通讯单元此刻的控制信息及故障信息。

对于直流充电桩电压、电流及对地绝缘电阻具体计算方法：

1、充电桩直流母线的电压U的推算：在开关S₂闭合S₁断开的情况下，其等效电路如图3所示，取样电阻r两端电压u₃。如图3所示，可列方程：

计算出直流充电桩正负母线DC+和DC-两端电压：

2、充电桩母线电流I₀的推算：当开关阻抗网络中的开关S₂断开、S₁断开；此时开关阻抗网络的等效电路如图2所示，开关阻抗网络输出分流器R₀两端弱电直流电压信号u₀给电压采集单元；电压采集单元把弱电直流电压信号u₀转换成数字信号，输出给MCU控制单元；此时可测算出分流器R₀两端电压u₀，得到直流充电桩母线电流：

3.直流充电桩母线正端对地电阻R_正和直流充电桩母线负端对地电阻R_负的推算，有两种方法推算：方法一，可实现直流充电桩母线正负端同时有接地电阻的情况；方法二，可测算直流充电桩正母线和负母线有且仅有一条母线有接地电阻的情况，具体如下：

方法一，具体步骤如下：

(1)在开关S₁闭合S₂断开的情况下，等效电路如图4所示。由于分流器的阻值很小，在微欧级别，即使在大电流充电过程中，分流器R₀两端电压最大值不会超过75mV，对于分流器在电路中的影响可以忽略不计。所以对于等效电路图4所列方程，分流器的影响可以忽略。根据电流叠加原理可列如下方程：

(2)在开关S₁和S₂同时闭合的情况下，等效电路如图5所示。同理，分流器在电路中的影响可以忽略不计，根据电流叠加原理可列如下方程：

(3)在实际电路设计中，可以把两个桥臂电阻设置相等，简化计算公式，所以可以设置：

R₁＝R₂＝R.....................(c)

(4)通过等式(a)、(b)、(c)可计算出直流充电桩母线正端对地电阻R_正和直流充电桩母线负端对地电阻R_负的表达式如下：

方法二，具体步骤如下：

(A)当只有正母线有接地电阻的情况时，只闭合开关S₁，等效电路如图6 所示。可得如下方程：

(B)当只有负母线有接地电阻的情况时，同时闭合开关S₁和S₂，等效电路如图7所示。同理，分流器在电路中的影响可以忽略不计，根据电流叠加原理可列如下方程：

(C)同样的情况，在实际电路设计中，可以把两个桥臂R₁和R₂电阻设置相等，简化计算公式，所以可以设置：

R₁＝R₂＝R.....................(c)

通过等式(d)、(e)、(c)可计算出当直流充电桩正母线和负母线有且仅有一条母线有接地电阻的情况时，正负接地电阻分别为：

上所述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，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种直流充电桩检测系统，其特征在于：包括充电电路、开关阻抗网络、电压采集单元及控制单元，所述开关阻抗网络的输入端与充电电路连接通过充电电路向其供电，开关阻抗网络的输出端与电压采集单元的输入端连接，所述电压采集单元的输出端与控制单元的输入端连接。

2.根据权利要求1所述的直流充电桩检测系统，其特征在于：所述开关阻抗网络包括电阻R₀、R₁、R₂、R_正、R_负、r及开关S₁、S₂，所述开关S₂的一端通过电阻R₁与充电电路的正极端连接，开关S₂的另一端依次通过电阻R₂、r与充电电路的负极端及接地端连接，所述电阻R₀的一端与电阻r的接地端连接，电阻R₀的另一端依次经电阻R_负、R_正与充电电路的正极端连接，所述开关S₁的一端连接在开关S₂与R₂之间的节点处，开关S₁的另一端接地且与电阻R_正、R_负之间的节点连接。

3.根据权利要求1或2所述的直流充电桩检测系统，其特征在于：所述电压采集单元包括滤波放大电路、电压线性隔离电路及ADC采样电路，所述滤波放大电路的输入端与开关阻抗网络的输出端连接，其输出端通过电压线性隔离电路与ADC采样电路的输入端连接，ADC采样电路的输出端与控制电路的输入端连接。

4.根据权利要求3所述的直流充电桩检测系统，其特征在于：所述控制电路包括MCU控制器及与MCU控制器输出端连接的通讯单元、控制单元及故障报警单元。

5.根据权利要求1所述的直流充电桩检测系统，其特征在于：所述充电电路由多个AC/DC电源模块组成。

6.根据权利要求1所述的一种直流充电桩检测系统的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)充电电路输出的直流电压信号通过开关阻抗网络得到两路弱电直流电压信号；

(2)两路弱电直流电压通过电压采集单元进行滤波处理以及放大处理后，再将处理后的直流电压信号转换成数字信号；

(3)电压采集单元将转换成的数字信号传送给MCU控制器，通过MCU控制器对开关阻抗网络不同的开关状态控制，测算出充电桩直流母线的电压、充电桩母线电流、母线正端对地电阻和负端对地电阻。

7.根据权利要求6所述的直流充电桩检测系统的检测方法，其特征在于：步骤(3)中，通过MCU控制器对开关阻抗网络不同的开关状态控制，测算出充电桩直流母线的电压、充电桩母线电流、母线正端对地电阻和负端对地电阻，具体如下：

MCU控制器检测充电桩直流母线的电压，并输出开关控制信号给开关阻抗网络，通过开关阻抗网络中的开关开断以及电压采集单元输出的数字信号大小计算充电桩直流母线的电压、充电桩母线电流、母线正端对地电阻和负端对地电阻。