CN109738744B - 一种快速反应和可靠的设备保护接地连续性监测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种快速反应和可靠的设备保护接地连续性监测器，包括高压隔离安全保护组件、电源波形采样组件、模拟到数字的信号电气形态变换组件、地线连接状态实时监测模块、地线连接状态报告的输出组件。本发明的监测器可简单而快速的运用到现有的设备上，采用了低廉可靠的常规电子元器件，降低了成本。本发明的监测器在工作过程中对安全保护地线PE的连接状态最快可在10毫秒内做出快速而准确的判定，为主控制设备在安全保护地线PE的连接性出现故障时赢得充裕的处理时间，从而保护了相关设备和操作人员的安全，避免了重大财产损失和人身伤害的情况发生。

Description

一种快速反应和可靠的设备保护接地连续性监测器

技术领域

本发明涉及一种地线连接状态监测器，特别涉及一种快速反应和可靠的设备保护接地连续性监测器，属于新能源汽车技术领域。

背景技术

充电机是用来给新能源电动汽车充电的设备。为了规范充电设备与新能源电动汽车之间的电气连接、以及用户能安全可靠的操作充电设备，国家特为此制定了相关的标准。目前执行的标准《GB/T 18487.1-2015电动汽车传导充电系统第1部分：通用要求》里，在描述充电设备和新能源电动汽车之间的连接模式2、3、4中，都要求对接地保护的电气连续性进行持续性的监测。在检测到失去接地保护的连接时，充电设备必须在100毫秒内作出反应和切断电源。否则有可能会干扰和损坏设备与汽车中的电气控制回路、出现火灾隐患，并给操作人员带来触电危险的后果。

针对国标中的该项要求，需要有一个稳定可靠的功能设备来完成此监测工作，该功能设备必须要做到：1、安全地线连接状态输出端和高电压的电力输入端应该有安全可靠的隔离措施；2、不得在供电的电力系统上产生不必要的负担和干扰；3、在整个监测的过程中必须稳定可靠、和及时在保护接地的连接出现故障时做出反馈；4、输出信号应该符合数字电路的电气要求，以便于主控制器上的微控制器MCU能准确无误的接收和识别相关信息。

但在目前，国内的市场上还没有具备了这些功能且质优价廉的产品，给起步不久的新能源汽车行业中的充电设备生产企业造成了不小的技术门槛。也因为如此，此前对国标中该项功能的检测是非强制性的，以便留出时间让企业解决技术上的相关问题。不过该宽限时间已经到期，在新发布生效的国标《GB/T 34657.1-2017电动汽车传导充电互操作性测试规范第1部分：供电设备》的中，对该功能的检测由之前的非强制性变成了今后必须强制性检测的项目，意味着不具备此功能或此功能工作状态不佳的充电设备将不允许在市场上销售，让未能及时解决该问题的企业面临生死攸关的困难境地。

发明内容

为了解决新能源汽车充电产品生产企业的技术门槛难题、同时又不在生产成本上造成压力，本发明提供一种快速反应和可靠的设备保护接地连续性监测器，该监测器使用少量的常规电子元器件设计而成。因常规电子元器件在国内使用上有很多年的经验积累和持续的生产工艺改良，不仅在持续不间断的工作时性能稳定可靠，而且价格也十分低廉。并且，我国生产常规电子元器件的企业在生产上有着悠久的历史和技术经验，从而避免了因外企在关键技术上的垄断所造成的被动局面。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种快速反应和可靠的设备保护接地连续性监测器，其特征在于：包括高压隔离安全保护组件、电源波形采样组件、模拟到数字的信号电气形态变换组件、地线连接状态实时监测模块、地线连接状态报告的输出组件。

更进一步地，所述高压隔离安全保护组件的输入端与电力线的火线和地线相连，输出端连接至电源波形采样组件，所述高压隔离安全保护组件用于隔离电力线中的高压相线和从高压相线上取得当前电力线状态的微弱采样电流。

更进一步地，所述电源波形采样组件包括信号放大器，信号放大器将取自高压隔离安全保护组件的交流工作回路的电气状态实时地反馈给模拟到数字的信号电气形态变换组件。

更进一步地，所述模拟到数字的信号电气形态变换组件包括转换器，转换器将输入的强采样信号转变成稳定且连续的数字式脉冲信号，输出给地线连接状态实时监测模块使用。

更进一步地，所述地线连接状态实时监测模块在获得连续性的数字式脉冲信号输入后对其进行逻辑判断；当高压相线与安全保护地线PE的连接为故障状态时，地线连接状态实时监测模块输出信号给地线连接状态报告的输出组件。

更进一步地，所述地线连接状态报告的输出组件包括状态转换驱动器和通信驱动电路，利用约定的高/低电平状态输出方式，所述状态转换驱动器将来自地线连接状态实时监测模块的报告状态由数字形式转换成高/低电平强驱动信号并送到监测器的输出端子上，所述通信驱动电路将来自地线连接状态实时监测模块的数字通信信号转变成指定形式的通信电气驱动信号，通过监测器的通信输出端子发送给主控制设备供其处理。

更进一步地，所述高压隔离安全保护组件包括隔离电路，所述高压隔离电路包括高阻值的电阻R1、整流二极管D1、分压电阻R2、整流二极管D2、分压电阻R3，所述整流二极管D1和分压电阻R2构成第一串联支路，所述整流二极管D2和分压电阻R3构成第二串联支路，第一串联支路和第二串联支路并联后，其一端通过高阻值的电阻R1连接至电力线的火线，另一端接地，从所述整流二极管D1和分压电阻R2之间引出正半周回路状态输出端，从所述整流二极管D2和分压电阻R3之间引出负半周回路状态输出端。

更进一步地，当采样电流与安全保护地线PE间形成交流方式的工作回路时，电源波形采样组件实时获取到安全保护地线PE的连接为正确状态；当无法形成交流工作回路时，电源波形采样组件实时获取到安全保护地线PE连接为故障状态。

更进一步地，所述地线连接状态实时监测模块包括数字逻辑电路或微控制器。

更进一步地，当地线连接状态实时监测模块收到固定频率和固定宽度的数字式脉冲信号时，电力供应端的安全保护地线PE连接状态正常；当监测到的脉冲宽度或频率发生变化，判定高压相线与安全保护地线PE的连接状态为故障。

本发明具有如下技术效果：

本发明的监测器可简单而快速的运用到现有的设备上，为设备生产厂家节约了巨大的研发成本和漫长的测试验证时间，并且采用了低廉可靠的常规电子元器件避免了给设备生产厂家带来大的成本负担。

本发明的监测器在工作过程中对安全保护地线PE的连接状态最快可在10毫秒内做出快速而准确的判定，为主控制设备在安全保护地线PE的连接性出现故障时赢得充裕的处理时间，从而保护了相关设备和操作人员的安全，避免了重大财产损失和人身伤害的情况发生。

附图说明

图1是本发明监测器的整体组成图；

图2是高压隔离安全保护组件的电路结构图；

图3是电源波形采样组件的示意图；

图4是模拟到数字的信号电气形态变换组件的示意图；

图5是地线连接状态实时监测模块的示意图；

图6是地线连接状态报告的输出组件的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细说明。

为了解决新能源汽车充电产品生产企业的技术门槛难题、同时又不在生产成本上造成压力，本发明提供一种快速反应和可靠的设备保护接地连续性监测器。该监测器包括高压隔离安全保护组件、电源波形采样组件、模拟到数字的信号电气形态变换组件、地线连接状态实时监测模块、地线连接状态报告的输出组件。

本发明的监测器可简单而快速的运用到现有的设备上，采用了低廉可靠的常规电子元器件，降低了成本。本发明的监测器在工作过程中对安全保护地线PE的连接状态最快可在10毫秒内做出快速而准确的判定，为主控制设备在安全保护地线PE的连接性出现故障时赢得充裕的处理时间，从而保护了相关设备和操作人员的安全。

实施例一

本实施例提供一种如图1所示的快速反应和可靠的设备保护接地连续性监测器。

本实施例的监测器包括高压隔离安全保护组件1、电源波形采样组件2、模拟到数字的信号电气形态变换组件3、地线连接状态实时监测模块4、地线连接状态报告的输出组件5。各组件和模块的工作电源由电源模块提供。其中：

高压隔离安全保护组件1如图2所示，包括高阻值的电阻R1、整流二极管D1、分压电阻R2、整流二极管D2、分压电阻R3，通过监测器的电力线输入端子连接到需要监测的电力线上。用于将电力线中的高压相线(在单相三线制中俗称“火线”或“L”线)与高压隔离安全保护组件1的低压工作组件隔离开，同时又可以安全地从高压相线上取得当前电力线状态的微弱采样电流。在采样电流与安全保护地线PE间形成一个交流方式的工作回路时，电源波形采样组件2就能实时获取到安全保护地线PE的正确连接状态。若无法形成交流工作回路，则电源波形采样组件2将获取到实时的安全保护地线PE连接故障状态。

电源波形采样组件2如图3所示，包括信号放大器U1、U2，放大器负责将取自高压隔离安全保护组件1的交流工作回路电气状态实时地反馈给模拟到数字的信号电气形态变换组件3。这是因为来自高压隔离安全保护组件1的微弱采样电流无法直接驱动模拟信号转换数字脉冲的电路，因此电源波形采样组件2将输入的弱采样信号放大成稳定的具有高驱动能力的强采样信号后输出给模拟到数字的信号电气形态变换组件3使用。

模拟到数字的信号电气形态变换组件3如图4所示，包括转换器U3、U4。输入的强采样信号是一种大范围动态变化的模拟类交流电气信号，转换器负责将其转变成稳定且连续的50Hz/60Hz(半周期采样)或100Hz/120Hz(正负全周期采样)数字式脉冲信号，然后输出给地线连接状态实时监测模块4使用。而脉冲的频率将依赖于电力系统供电时使用的交流电50Hz或60Hz形式。

地线连接状态实时监测模块4如图5所示，包括数字逻辑电路或微控制器。地线连接状态实时监测模块4在获得连续性的数字式脉冲信号输入后对其进行逻辑判断。在正常的电力供电系统中，电源是以50Hz或60Hz稳定不间断的交流形态提供的。因此，只要电力供应端的安全保护地线PE连接正常，则地线连接状态实时监测模块4可收到固定频率和固定宽度的数字式脉冲信号。如果监测到脉冲宽度或频率发生变化，则可以判定高压相线与安全保护地线PE在连接上出现了故障。由于高压相线为设备提供电源，当高压相线出现连接故障时整个设备将不带电，所以此状态可忽略。而另一种是安全保护地线PE连接故障则必须要给地线连接状态报告的输出组件5进一步处理。由于接收的脉冲信号周期是固定的50Hz/60Hz，所以对连接中出现的故障可在10毫秒(全周波监测)或20毫秒(半周波监测)内检测到。相对于国标《GB/T 18487.1-2015电动汽车传导充电系统第1部分：通用要求》中长达100毫秒内响应和切断电源的时长规定，为充电机的主控制系统留出了宽裕的处理时间。

地线连接状态报告的输出组件5如图6所示，包括状态转换驱动器U5和通信驱动电路U6。利用约定的高/低电平状态输出方式，U5将来自地线连接状态实时监测模块4的报告状态由数字形式转换成明确的高/低电平强驱动信号并送到监测器的输出端子上，供主控制设备检索、或直接驱动带分励脱扣的断路器来切断电源。而U6将来自地线连接状态实时监测模块4的数字通信信号转变成指定形式的通信电气驱动信号(例如RS232、RS485等)，然后通过本监测器的通信输出端子发送给主控制设备供其处理。这些状态报告让主控制设备在PE线的连接发生故障时能实时采取相对应的措施进行处理，以保护相关设备和操作人员的安全。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种快速反应和可靠的设备保护接地连续性监测器，其特征在于：包括依次连接的高压隔离安全保护组件、电源波形采样组件、模拟到数字的信号电气形态变换组件、地线连接状态实时监测模块、地线连接状态报告的输出组件；所述地线连接状态实时监测模块在获得连续性的数字式脉冲信号输入后对其进行逻辑判断；当高压相线与安全保护地线PE的连接为故障状态时，地线连接状态实时监测模块输出信号给地线连接状态报告的输出组件；

所述电源波形采样组件包括信号放大器，信号放大器将取自高压隔离安全保护组件的交流工作回路的电气状态实时地反馈给模拟到数字的信号电气形态变换组件；

所述模拟到数字的信号电气形态变换组件包括转换器，转换器将输入的强采样信号转变成稳定且连续的数字式脉冲信号，输出给地线连接状态实时监测模块使用；

所述地线连接状态报告的输出组件包括状态转换驱动器和通信驱动电路，利用约定的高/低电平状态输出方式，所述状态转换驱动器将来自地线连接状态实时监测模块的报告状态由数字形式转换成高/低电平强驱动信号并送到监测器的输出端子上，所述通信驱动电路将来自地线连接状态实时监测模块的数字通信信号转变成指定形式的通信电气驱动信号，通过监测器的通信输出端子发送给主控制设备供其处理；

所述高压隔离安全保护组件包括隔离电路，所述高压隔离电路包括高阻值的电阻R1、整流二极管D1、分压电阻R2、整流二极管D2、分压电阻R3，所述整流二极管D1和分压电阻R2构成第一串联支路，所述整流二极管D2和分压电阻R3构成第二串联支路，第一串联支路和第二串联支路并联后，其一端通过高阻值的电阻R1连接至电力线的火线，另一端接地，从所述整流二极管D1和分压电阻R2之间引出正半周回路状态输出端，从所述整流二极管D2和分压电阻R3之间引出负半周回路状态输出端。

2.根据权利要求1所述的快速反应和可靠的设备保护接地连续性监测器，其特征在于：所述高压隔离安全保护组件的输入端与电力线的火线和地线相连，输出端连接至电源波形采样组件，所述高压隔离安全保护组件用于隔离电力线中的高压相线和从高压相线上取得当前电力线状态的微弱采样电流。

3.根据权利要求1所述的快速反应和可靠的设备保护接地连续性监测器，其特征在于：当采样电流与安全保护地线PE间形成交流方式的工作回路时，电源波形采样组件实时获取到安全保护地线PE的连接为正确状态；当无法形成交流工作回路时，电源波形采样组件实时获取到安全保护地线PE连接为故障状态。

4.根据权利要求1所述的快速反应和可靠的设备保护接地连续性监测器，其特征在于：所述地线连接状态实时监测模块包括数字逻辑电路或微控制器。

5.根据权利要求1所述的快速反应和可靠的设备保护接地连续性监测器，其特征在于：当地线连接状态实时监测模块收到固定频率和固定宽度的数字式脉冲信号时，电力供应端的安全保护地线PE连接状态正常；当监测到的脉冲宽度或频率发生变化，判定高压相线与安全保护地线PE的连接状态为故障。

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