CN108152692A - 直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统,包括：电池电压测量电路、充电桩电压检测电路和绝缘检测电路；主控电路通过通信电路分别与以上各电路连接；所述主控电路根据所述电动汽车电池的电压极性与所述充电桩的电压极性一致，发出充电指令，否则发出禁止启动充电的指令；同时，所述主控电路根据所述绝缘电阻值计算出充电桩对地的绝缘电阻值，并判断其阻值是否无穷大，以分析出该充电桩是否绝缘，从而发出是否充电的指令。采用本发明所述的直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统，能够同时检测是否反接和是否绝缘的情形，从而做出是否可以进行充电的指令，安全性高。

Description

直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统

技术领域

本发明属于电动汽车充电桩技术领域，具体涉及一种直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统。

背景技术

由于全球节能减排和环保意识不断增加，新能源汽车发展越来越快，续航里程增强，电池组容量也越来越大，与此同时配套设备充电桩也越来越普及。充电桩由于其充电速度快，功率大，体积大，电流大，电压高，被广泛运用，同时其安全性越来越得到厂家和用户的重视。充电桩对地绝缘性的检测，保障充电设施正常，充电桩和车内电池组安全连接充电，具有重要的意义。

充电桩往往安装在户外工作，日晒雨淋，高温，严寒，工作环境恶劣，容量引起充电桩绝缘材料的老化，绝缘性能下降。如果充电桩绝缘不佳，人体触碰车体或者桩体容易导致触电危险,同时还会影响充电设备和电动汽车的正常工作。安装充电桩绝缘检测及保护装置，防患于未然，十分有必要。

新能源汽车快速发展，新能源汽车厂商越来越多，各家的产品都不一样，电动汽车电池组容量越来越大，电池组正负极动辄几百伏的直流电压，充电桩对车内电池组进行充电时，必须要确保直流电压正负极和电池组正负极相对应，不能出现反接情况。一旦反接充电，后果不堪设想。

传统的绝缘检测设备都是以功能单一为主,测量绝缘电阻值、桩侧电压、桩侧电流、汽车电池电压等功能之一，单独的设备安装占用空间较多。就单独论绝缘检测，已经存在大量的专利技术，例如公开号为CN104330712A、CN105717433A、CN105527535A、CN106841962A、CN102759693A、CN102830283A等，都采用不平衡桥的原理，但是没有对电压和电流进行实时采集，会出现过压、过流的情况，轻则损坏充电桩，汽车；重则，测试桩侧电压或汽车电池电压数值时,只测试正电压，对于负电压不予测量甚至忽略，造成了极大的安全隐患。若充电桩输出正负极反了或者电池正负极反了，充电将会造成电池充电爆炸事故。传统绝缘检测装置对充电桩的绝缘性进行检测，并不能确定充电桩和汽车电池组的安全连接。出于安全性以及安装便捷性的考虑，防反接充电的绝缘检测系统应运而生。

发明内容

为了解决上述反接充电和绝缘问题，本发明的目的在于提供一种直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统，能够同时检测是否反接和是否绝缘的情形，从而做出是否可以进行充电的指令，安全性高。

为实现上述目的，本发明按以下技术方案予以实现的：

本发明所述的直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统，包括：

电池电压测量电路，用于采集电动汽车电池的分压采样信息；

充电桩电压检测电路，用于采集充电桩的输出电压电流信息；

绝缘检测电路，用于检测充电桩的直流输出正极对地的电阻值和直流输出负极对地的绝缘电阻值；

主控电路，通过通信电路分别与以上各电路连接；

所述主控电路根据所述电池的分压采样信息计算出电动汽车电池的正负电压值，并分析出电动汽车电池的电压极性；所述主控电路根据上述输出电压电流信息，判断所述充电桩的电压极性，然后所述主控电路根据所述电动汽车电池的电压极性与所述充电桩的电压极性一致，发出充电指令，否则发出禁止启动充电的指令；

同时，所述主控电路根据所述绝缘电阻值计算出充电桩对地的绝缘电阻值，并判断其阻值是否无穷大，以分析出该充电桩是否绝缘，从而发出是否充电的指令。

进一步地，所述电池电压检测电路包括顺次串联的电压互感器、采样电阻、信号调理子电路和电压采集子电路，用于对电动汽车的电池进行分压采样，并将采样信息通过通信电路发送至主控电路，以计算出电动汽车电池的正负电压值。

进一步地，所述信号调理子电路包括三路顺次串联的运算放大器U2A、U2B和U3B；所述电压互感器将电动汽车的电池电压同比例缩小，然后通过采样电阻,滤波处理，经由所述运算放大器U2A的高阻抗隔离处理、U2B的信号调理以及U3B的高阻抗隔离处理后，送入所述电压采集子电路处理。

进一步地，所述充电桩电压检测电路包括串联的电压采集子电路和电流采集子电路；所述电压采集子电路用于对充电桩输出电压进行分压采样，并将采样信息通过通信电路发送至主控电路，以计算出充电桩的电压值；所述电流采集子电路用于对充电桩输出电流进行转换采样，并将采样信息通过通信电路发送至主控电路，以计算出充电桩的电流值；所述主控电路根据所述电压值和电流值，获取充电桩对应的电压极性和输出电流值。

进一步地，所述绝缘检测电路包括用于检测充电桩的直流输出正极对地的电阻值的第一检测子电路和用于检测充电桩的直流输出负极对地的电阻值的第二检测子电路；所述第一检测子电路与所述第二检测子电路并联；所述第一检测子电路的一端连接充电桩的正极CD+，另一端通过电压采集子电路与主控电路连接；所述第二检测子电路的一端与充电桩的负极CD-连接，另一端通过电压采集子电路与主控电路连接。

进一步地，所述第一检测子电路包括第一开关S1、第一电阻R1和第二电阻R2；所述第一开关S1与第二电阻R2串联后，并与第一电阻R1并联。

进一步地，所述第二检测子电路包括第二开关S2、第三电阻R3和第四电阻R4；所述第二开关S2与第四电阻R4串联后，并与第三电阻R3并联。

进一步地，所述电压采集子电路包括分压单元或电压隔离单元。

进一步地，所述主控电路还连接有用于显示整个系统状态的状态指示电路。

进一步地，所述状态指示电路包括相互并联的运行指示子电路、通信指示子电路和故障指示子电路。

进一步地，所述通信电路通过RS485接口分别与电池电压检测电路、充电桩电压电流采集电路和绝缘检测电路进行数据交换。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明所述的直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统，通过电池电压检测电路、充电桩电压电流采集电路和主控电路完成对电动汽车的电池极性和充电桩的极性分析，从而判断二者的极性是否一致，如果一致，则发出充电指令，否则发出停止充电的指令。

同时，通过绝缘检测电路与主控电路完成对充电桩对地的正负绝缘电阻值，进而判断其是否无穷大，如果是，则绝缘，如果绝缘数值下降，则意味着供电电路有一定的漏电流漏到地(PE)系统中，即绝缘存在安全隐患。

本发明所述的直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统，在进行以上操作的过程中，计算精度高，安全性强，并且安装简单，成本低，值得大力推广。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明所述的直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统的电路原理框图；

图2是本发明所述的直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统中电池电压测量电路的检测原理图；

图3是本发明所述的直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统中电压互感器和采用电阻的电路原理图；

图4是本发明所述的直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统中信号调理子电路的电路原理图；

图5是本发明所述的直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统中充电桩电压检测电路的检测原理图；

图6是本发明所述的直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统中绝缘检测电路的电路图；

图7和图8分别是本发明所述的直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统中绝缘检测电路在实施过程中的电路图。

图中：

1：电池电压测量电路 2：充电桩电压检测电路

3：绝缘检测电路

31：第一检测子电路 32：第二检测子电路

4：主控电路 5：通信电路 6：状态指示电路

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明所述的直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统，通过同时对电动汽车电池的电压极性与充电桩的电压极性进行一致性判断。同时，通过绝缘检测电路获取充电桩的对地的绝缘电阻值，二者在主控电路的分析下，同时完成防反接和绝缘检测的目的，功能齐全，安全性强，并且结构简单，成本低，值得大力推广。

其中，所述直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统具体包括电池电压检测电路1、充电桩电压检测电路2、绝缘检测电路3、主控电路4和通信电路5；其中，所述主控电路4通过通信电路5分别与所述电池电压检测电路1、充电桩电压检测电路2和绝缘检测电路3连接。

所述电池电压检测电路1是用于采集电动汽车电池的分压采集信息，并将该分压采集信息通过通信电路5传输至主控电路4，所述主控电路2根据上述分压采集信息计算出电动汽车电池的正负电压值，从而分析出该电动汽车电池的电压极性。同时，所述充电桩电压检测电路2会将采集的充电桩的输出电压电流信息发送至主控电路4，所述主控电路4根据上述输出电压电流信息，判断所述充电桩的电压极性和输出电流值，进而由所述主控电路4对电动汽车电池的电压极性与充电桩的电压极性进行一致性判断，如果一致，即电动汽车电池的正极与充电桩的正极连接，电动汽车电池的负极与充电桩的负极连接，发出充电指令；如果不一致，表示存在反接隐患，则发出停止充电的指令，最终实现防反接的目的。

在了解本发明所述的绝缘检测电路之前，先对绝缘检测的原理做一下说明：其全称为对地绝缘电阻值检测，意为检测充电桩直流输出正负极对地(PE)的电阻阻值，用来指示正负极供电线路的绝缘性能，检测高压输电线路是否有绝缘故障，线路是否漏电等问题。用欧姆定理表示：R＝U/I理想的绝缘电路，绝缘电阻是无穷大。

当充电桩输出的电压恒定，系统绝缘数值下降时，意味着供电电路有一定的漏电流漏到地(PE)系统中，即绝缘存在安全隐患。

所述绝缘检测电路3是用于检测充电桩对地的绝缘电阻值，具体地包括直流输出正极对地的电阻值和直流输出负极对地的绝缘电阻值，然后该绝缘电阻值传输至所述主控电路4，并由所述主控电路4计算出充电桩对地的绝缘电阻值，从而判断其是否无穷大，如果是，则发出充电的指令，否则存在安全隐患，禁止启动充电。

为了更进一步对以上原理更清楚的了解，则结合具体的电路图或等效电路做如下说明：

如图2所示，所述电池电压检测电路1包括顺次连接的电压互感器、采样电阻、信号调理子电路和电压采集子电路，用于对电动汽车的电池进行分压采样，并将采样信息通过通信电路发送至主控电路，以计算出电动汽车电池的正负电压值。当计算出电池的电压大于0时，即电动汽车电池电压为正值，说明电池电压极性为正；当计算出电池的电压小于0时，即电动汽车电池电压为负值，说明汽车电池电压反接，此时为反接故障，提示系统绝缘监测极性反，禁止系统充电。状态指示灯显示故障，同时通过通信电路5发送故障给充电桩。

具体地，如图3和图4所示，所述信号调理子电路包括三路顺次串联的运算放大器U2A、U2B和U3B；所述电压互感器U1(CHV-25P，是一种精密霍尔传感器，采用的是线圈感应原理)将电动汽车的电池电压同比例缩小，变成0-1.0V量程的电压，缩放比例为1000倍(具体可根据实际调整缩小比例)，转换以后，从pin3输出来至Vout1，然后通过采样电阻，滤波处理，经由所述运算放大器U2A的高阻抗隔离处理、U2B的信号调理以及U3B的高阻抗隔离处理后，送入所述电压采集子电路处理。最后，通过主控电路4进行分析判断，以2.2V电位作为判断点，2.2V-3.3V位电池正接；0-2.19V位电池反接。

如图5所示，所述充电桩电压检测电路2包括串联的电压采集子电路和电流采集子电路；所述电压采集子电路用于对充电桩输出电压进行分压采样，并将采样信息通过通信电路发送至主控电路4，以计算出充电桩的电压值；所述电流采集子电路用于对充电桩输出电流进行转换采样，并将采样信息通过通信电路发送至主控电路4，以计算出充电桩的电流值；所述主控电路根据所述电压值和电流值，获取充电桩对应的电压极性和输出电流值。

具体地，当计算出充电桩输出电压大于0时，即充电桩输出电压为正值，说明充电桩输出电压极性正常。此时，可以根据采样电压值，同步计算出充电桩输出电流值；当计算出电池的电压小于0时，即充电桩输出电压为负值，说明充电桩输出电压极性反接，此时为充电桩输出反接故障，提示系统绝缘监测极性反，禁止系统充电。状态指示灯显示故障，同时通过通信电路5发送故障给充电桩。

如图6所示，所述绝缘检测电路3包括用于检测充电桩的直流输出正极对地的电阻值的第一检测子电路31和用于检测充电桩的直流输出负极对地的电阻值的第二检测子电路32；所述第一检测子电路31与所述第二检测子电路32并联；所述第一检测子电路31的一端连接充电桩的正极CD+，另一端通过电压采集子电路与主控电路4连接；所述第二检测子电路32的一端与充电桩的负极CD-连接，另一端通过电压采集子电路与主控电路4连接。所述电压采集子电路包括分压单元或电压隔离单元，其中分压单元由电阻分压，把高压降成低压；所述电压隔离单元则是用光耦或者霍尔传感器进行隔离。二者都能完成电压采集的功能。

其中，所述第一检测子电路31包括第一开关S1、第一电阻R1和第二电阻R2；所述第一开关S1与第二电阻R2串联后，并与第一电阻R1并联。所述第二检测子电路32包括第二开关S2、第三电阻R3和第四电阻R4；所述第二开关S2与第四电阻R4串联后，并与第三电阻R3并联。

以上所述绝缘检测电路3采用不平衡桥原理，精确计算对地绝缘电阻值。

其中，DC+为充电桩正极电压，DC-为充电桩负极电压，R2为充电桩直流电压正极的投放电阻，和S1串联，通过S1闭合，把电阻投放到闭合回路中。R1为充电桩正极并联电阻。Rg+为充电桩正极的绝缘电阻。

其中，R4为充电桩直流电压负极的投放电阻，和S2串联，通过S2闭合，把电阻投放到闭合回路中。R3为充电桩负极并联电阻。Rg-为充电桩负极的绝缘电阻。

对所述充电桩进行绝缘电阻检测方法，步骤如下：

步聚1：如图7所示，闭合开关S1，MCU读取ADC的电压值，可以计算出V1，V2的电压值。然后断开开关K1.

由于R1，R2,Rg+构成并联关系，R3和Rg-构成并联关系

V1/(R1//R2//Rg+)＝V2/(R3//Rg-)

步骤2：如图8所示，闭合开关S2，MCU读取ADC的电压值，可以计算出V4，V3的电压值。然后断开开关S2.

由于R3,R4和Rg-构成并联关系,R2,Rg+构成并联关系，

V3/(R3//R4//Rg-)＝V4/(R2//Rg+)

步骤3：两式代入，可精确求出充电桩正极绝缘电阻Rg+,负极绝缘电阻Rg-

求解方程，得出绝缘电阻公式:

K1＝V2/V1

K2＝V4/V3

令Rg1+＝(K2*K1–1)*R2/(1+K1)

计算得Rg+＝(Rg1+*R1)/(R1-Rg1+)

同理

令Rg1-＝(K2*K1–1)*R2/(1+K2)

计算得Rg-＝(Rg1-*R1)/(R1–Rg1-)

对于本发明所述主控电路4，其采用的是意法半导体的M3内核单片机(MCU),内置12位ADC，分辨率高，转换速率快，对送入单片机的数值进行处理，可以精确计算出电压、电流、电阻等数值。

为了便于更直观的现实检测结果，所述主控电路4还连接有状态指示电路6，其包含运行指示子电路，通信指示子电路和故障指示子电路。其中，所述运行指示子电路在单片机运行时点亮，所述通信指示子电路在通信正常时闪烁，无通信则熄灭。所述故障指示子电路在检测到电池电压极性与充电桩电压极性相反时闪烁，无故障则熄灭；同时，对于绝缘检测，也是故障时闪烁，无故障则熄。

同时，所述通信电路5通过RS485接口分别与电池电压检测电路1、充电桩电压电流采集电路2和绝缘检测电路3进行数据交换。

本发明所述的直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统其它结构参见现有技术，在此不再赘述。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统，其特征在于，包括：

电池电压测量电路，用于采集电动汽车电池的分压采样信息；

充电桩电压检测电路，用于采集充电桩的输出电压电流信息；

绝缘检测电路，用于检测充电桩的直流输出正极对地的电阻值和直流输出负极对地的绝缘电阻值；

主控电路，通过通信电路分别与以上各电路连接；

所述主控电路根据所述电池的分压采样信息计算出电动汽车电池的正负电压值，并分析出电动汽车电池的电压极性；所述主控电路根据上述输出电压电流信息，判断所述充电桩的电压极性；然后所述主控电路根据所述电动汽车电池的电压极性与所述充电桩的电压极性一致，发出充电指令，否则发出禁止启动充电的指令；

同时，所述主控电路根据所述绝缘电阻值计算出充电桩对地的绝缘电阻值，并判断其阻值是否无穷大，以分析出该充电桩是否绝缘，从而发出是否充电的指令。

2.根据权利要求1所述的直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统，其特征在于：

所述电池电压检测电路包括顺次串联的电压互感器、采样电阻、信号调理子电路和电压采集子电路，用于对电动汽车的电池进行分压采样，并将采样信息通过通信电路发送至主控电路，以计算出电动汽车电池的正负电压值。

3.根据权利要求2所述的直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统，其特征在于：

所述信号调理子电路包括三路顺次串联的运算放大器U2A、U2B和U3B；

所述电压互感器将电动汽车的电池电压同比例缩小，然后通过采样电阻，滤波处理，经由所述运算放大器U2A的高阻抗隔离处理、U2B的信号调理以及U3B的高阻抗隔离处理后，送入所述电压采集子电路处理。

4.根据权利要求1所述的直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统，其特征在于：

所述充电桩电压检测电路包括串联的电压采集子电路和电流采集子电路；

所述电压采集子电路用于对充电桩输出电压进行分压采样，并将采样信息通过通信电路发送至主控电路，以计算出充电桩的电压值；

所述电流采集子电路用于对充电桩输出电流进行转换采样，并将采样信息通过通信电路发送至主控电路，以计算出充电桩的电流值；

所述主控电路根据所述电压值和电流值，获取充电桩对应的电压极性和输出电流值。

5.根据权利要求1所述的直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统，其特征在于：

所述绝缘检测电路包括用于检测充电桩的直流输出正极对地的电阻值的第一检测子电路和用于检测充电桩的直流输出负极对地的电阻值的第二检测子电路；

所述第一检测子电路与所述第二检测子电路并联；

所述第一检测子电路的一端连接充电桩的正极CD+，另一端通过电压采集子电路与主控电路连接；

所述第二检测子电路的一端与充电桩的负极CD-连接，另一端通过电压采集子电路与主控电路连接。

6.根据权利要求5所述的直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统，其特征在于：

所述第一检测子电路包括第一开关S1、第一电阻R1和第二电阻R2；

所述第一开S1与第二电阻R2串联后，并与第一电阻R1并联。

7.根据权利要求5所述的直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统，其特征在于：

所述第二检测子电路包括第二开关S2、第三电阻R3和第四电阻R4；

所述第二开关S2与第四电阻R4串联后，并与第三电阻R3并联。

8.根据权利要求1所述的直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统，其特征在于：

所述主控电路还连接有用于显示整个系统状态的状态指示电路。

9.根据权利要求8所述的直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统，其特征在于：

所述状态指示电路包括相互并联的运行指示子电路、通信指示子电路和故障指示子电路。

10.根据权利要求1所述的直流充电桩防反接充电保护的绝缘检测系统，其特征在于：

所述通信电路通过RS485接口分别与电池电压检测电路、充电桩电压电流采集电路和绝缘检测电路进行数据交换。