电动汽车直流充电枪导引电压检测系统及方法
技术领域
本公开属于电动汽车充电领域,具体涉及一种电动汽车直流充电枪导引电压检测系统及方法。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息,不必然构成在先技术。
电动汽车直流充电枪导引电压检测系统是通过电子或者机械的方式,用于监控电动汽车和电动汽车供电设备(直流充电桩)之间连接状态。
而在新兴电动汽车充电行业中,由于充电电压较高,电流较大,所以相应电动汽车直流充电枪导引电压检测要求很高,其检测精度和检测速度严重威胁到人身和设备的安全。在国标GB/T 18487.1-2015中明确指出:“B.3.7.4在充电过程中,非车载充电机控制装置通过对检测点1的电压进行检测,如果判断开关S由闭合变为断开,应在50ms内将输出电流降至5A或以下。”和“B.3.7.5在充电过程中,非车载充电机控制装置通过对检测点1的电压进行检测,如果判断车辆接口由完全连接变为断开,则控制非车载充电机停止充电,应在100ms内断开K1、K2、K3和K4”。
目前电动汽车充电行业内部,现有的电动汽车直流充电枪导引电压检测方法大都是采用简单的电阻分压进行检测,这种方法检测精度低,因导引电压连接大地,所以很容易将大地上的干扰引入采集系统中,对电路板上的小信号造成干扰,容易引起误动作,也影响了检测的时效性。
发明内容
本公开为了解决上述问题,提出了一种电动汽车直流充电枪导引电压检测系统及方法,本公开克服了传统的电阻分压弊端,提高了检测速度。
根据一些实施例,本公开采用如下技术方案:
一种电动汽车直流充电枪导引电压检测系统,包括信号处理单元和主控单元,其中:
所述信号处理单元包括滤波跟随单元和并行的两路支路,所述滤波跟随单元被配置为接收充电枪导引电压,对其进行滤波降压处理,得到第一输出信号;
第一支路包括依次连接的隔离放大单元和A/D采样单元,对第一输出信号进行放大、转换,输出第二输出信号至所述主控单元;
第二支路包括依次连接的迟滞比较单元和光耦隔离单元,将第一输出信号与标准预警信号进行比较、隔离,输出第三输出信号至所述主控单元;
所述主控单元被配置为,若所述第三输出信号没有发生变化,则根据所述第二输出信号计算并输出导引电压模拟量值,实现充电;若所述第三输出信号发生变化,中断所述第二输出信号的后续接收,判断当前第三输出信号和第二输出信号是否同时异常,如果是则切换充电线路并报警,如果不是则继续充电。
上述技术方案中,通过并行的两路支路,得到两个输出信号(导引电压模拟量值以及导引电压数字IO信号)。
加入了信号隔离放大单元,模拟量AD采集电路从而能精确的显示出导引电压的具体数值;同时又增加了硬件同向迟滞比较器单元,对采集导引电压模拟量和比较值进行综合优先级判断,输出准确的导引电压信号,根据导引电压数字IO信号快速识别是否有充电隐患,如果是,再综合进行判断是否为异常,提高了检测速度和反应速度,完全满足国标(GB/T 18487.1-2015)规定的异常情况短时间(100ms)内关断直流充电枪电气连接的要求,又通过设置迟滞比较单元,有效的屏蔽了大地对导引电压检测系统的干扰。
所述滤波跟随电路单元包括阻容滤波电阻、滤波电容和跟随运算放大器,其中,充电枪导引电压输入端连接滤波电容的一端,另一端接地,阻容滤波电阻一端连接所述充电枪导引电压输入端,另一端接地,阻容滤波电阻支路上连接跟随运算放大器。
作为可选择的实施方式,所述隔离放大电路单元包括限流电阻、第二运算放大器、限流电阻、高线性模拟光电耦合器、运算放大器以及二阶RC低通滤波电路,其中,所述限流电阻一端连接所述滤波跟随电路单元的输出端,另一端连接至所述滤波跟随电路的运算放大器,运算放大器的输出端经过限流电阻连接高线性模拟光电耦合器,高线性模拟光电耦合器的输出端连接第二运算放大器的输入端,第二运算放大器的输出端连接二阶RC低通滤波电路。
作为可选择的实施方式,所述迟滞比较电路单元采用双阈值迟滞比较电路。
作为可选择的实施方式,所述双阈值迟滞比较电路包括精密电阻,形成阈值标准电压,两路阈值标准电压分别经过两路运放比较器,两路运放比较器的输出端分别经过上拉、隔离后,输出两个IO信号。
作为可选择的实施方式,所述滤波跟随电路单元包括电阻R9,阻容滤波电阻R11和R15,滤波电容C71和C72和跟随运算放大器U8A,其中,所述电阻R9一端连接供电电源,另一端连接充电枪导引电压输入端CHK1,滤波电容C71的一端连接所述充电枪导引电压输入端CHK1,另一端接地,阻容滤波电阻R11和R15串联,阻容滤波电阻R11的一端连接所述充电枪导引电压输入端CHK1,阻容滤波电阻R15另一端接地,阻容滤波电阻R15并联有滤波电容C72,且阻容滤波电阻R11和R15的连接点连接跟随运算放大器U8A的正相输入端。
作为可选择的实施方式,所述隔离放大电路单元包括限流电阻R12、运算放大器U8B、限流电阻R10、高线性模拟光电耦合器HCNR200、运算放大器U9A、反馈电阻R1、滤波电容C17以及二阶RC低通滤波电路,其中,所述限流电阻R12一端连接所述滤波跟随电路单元的输出端,另一端连接至运算放大器U8B的反相输入端,运算放大器U8B的反相输入端和输出端之间设置有滤波电容C37,运算放大器U8B的输出端经过限流电阻R10连接高线性模拟光电耦合器HCNR200,高线性模拟光电耦合器HCNR200的输出端连接运算放大器U9A的输入端,运算放大器U9A的输入端和输出端之间连接有并联的反馈电阻R1、滤波电容C17,运算放大器U9A的输出端连接二阶RC低通滤波电路。
作为可选择的实施方式,所述迟滞比较电路单元采用双阈值迟滞比较电路。
作为进一步的限定,所述双阈值迟滞比较电路包括串联的精密电阻R141,R142和R163,形成阈值标准电压,两路阈值标准电压分别经过运放比较器U52A和U52B,运放比较器U52A的另一输出端经过限流电阻R122连接至所述滤波跟随电路单元的输出端,运放比较器U52B的另一输出端经过限流电阻R155连接至所述滤波跟随电路单元的输出端,运放比较器U52A和U52B的输出端分别经过上拉电阻R126、R157进入对应的隔离光耦U4、U6,隔离之后的信号再分别经过上拉电阻R28和R152,最终输出两个IO信号CHECKOUT1和CHECKOUT2。
作为可选择的实施方式,所述A/D采样单元为主控单元内部的A/D转换器。
作为可选择的实施方式,所述主控单元采用STM32型ARM单片机。
作为可选择的实施方式,所述主控单元还连接/包括报警单元。
作为可选择的实施方式,所述主控单元还连接/包括通讯单元,与上级控制系统通讯。
基于上述电动汽车直流充电枪导引电压检测系统的工作方法,包括以下步骤:
当电动汽车直流充电枪连接到充电装置,导引电压通过滤波跟随电路单元输出电压信号;
电压信号经过隔离放大单元输出信号进入A/D采样单元,得到转换后的A/D采样数字量值信号;
主控单元采样A/D采样数字量值,经过非线性回归分析法计算出导引电压,通过多次求平均值得到最终的导引电压模拟量值;
电压信号同时进入同向迟滞比较器电路与标准预警信号比较再通过光耦隔离将IO信号传给主控单元;
主控单元综合判断导引电压模拟量信号和导引电压数字IO信号,当导引电压数字IO信号没有发生变化时认为电动汽车直流充电枪与充电装置连接正常,进行充电操作;一旦电压信号发生异常改变,主控单元采用最高优先级的中断IO进行判断电平变化,中断采集导引电压信号对应的模拟量值,综合判断导引电压IO信号和模拟量信号,只有两者都发生异常时输出导引电压值,并立即切换充电回路进行报警。
与现有技术相比,本公开的有益效果为:
本公开增加了硬件比较器电路,所以提高了检测速度,完全满足国标GB/T18487.1-2015中规定的异常情况100ms关断直流充电枪电气连接,又因为电路中增加了迟滞功能,有效的屏蔽了大地对导引电压检测系统的干扰。
本公开的主控单元对导引电压的采用模拟量检测和迟滞比较IO判断两种方式综合判断,精确度更高,告警输出方式更多样,在某些情况下可以通过导引电压IO信号判断直接控制输出报警信号,不经过主控单元MCU,更节省CPU成本和提高报警响应速度;
本公开的主控单元对A/D采样单元的数字量进行非线性回归分析计算法,较传统的线性计算更准确。
本公开的通讯单元可配置成问答模式和自动上传模式,上传速率可设置,增加了电动汽车直流充电枪导引电压检测的灵活性,通过通讯单元使得充电装置(充电桩)能够与后台系统进行通讯,实时检测充电装置(充电桩)的导引电压变化情况,可靠地保障了人身设置安全。
附图说明
构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解,本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开,并不构成对本公开的不当限定。
图1是本实施例电动汽车直流充电枪导引电压检测系统总体结构框图;
图2是本实施例导引电压模拟量及IO检测电压拓扑图。
图3是本实施例主控单元MCU对导引电压采集检测软件控制流程图。
具体实施方式:
下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。
应该指出,以下详细说明都是例示性的,旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
一种电动汽车直流充电枪导引电压检测系统及方法,该系统及方法克服了传统的电阻分压弊端,加入了信号隔离放大单元,模拟量AD采集电路从而能精确的显示出导引电压的具体数值;同时又增加了硬件同向迟滞比较器单元,通过软件对采集导引电压模拟量和比较值进行综合优先级判断,最后输出准确的导引电压信号。
因为在电动汽车直流充电枪导引电压检测系统及方法中增加了硬件比较器电路,所以提高了检测速度,完全满足国标GB/T 18487.1-2015中规定的异常情况100ms关断直流充电枪电气连接,又因为电路中增加了迟滞功能,所有有效的屏蔽了大地对导引电压检测系统的干扰。
为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
在一个或多个实施方式中,一种电动汽车直流充电枪导引电压检测系统,如图1所示,包括:滤波跟随电路单元、隔离放大单元、A/D采样单元、迟滞比较电路单元、主控单元、CAN通讯单元和蜂鸣器报警单元。滤波跟随电路单元连接的输出端一路经过隔离放大单元、A/D采样单元传输至主控单元,另一路经过迟滞比较电路单元和隔离单元传输至主控单元。
如图2所示,跟随电路单元包括电阻R9,阻容滤波电阻R11和R15,滤波电容C71和C72和跟随运算放大器U8A,电阻R9一端连接供电电源,另一端连接充电枪导引电压输入端CHK1,滤波电容C71的一端连接所述充电枪导引电压输入端CHK1,另一端接地,阻容滤波电阻R11和R15串联,阻容滤波电阻R11的一端连接所述充电枪导引电压输入端CHK1,阻容滤波电阻R15另一端接地,阻容滤波电阻R15并联有滤波电容C72,且阻容滤波电阻R11和R15的连接点连接跟随运算放大器U8A的正相输入端。在具体参数的选择上需要注意滤波电阻R11和R15的比例及大小,阻值偏小造成分压过大影响采样精度,阻值偏大会削弱有效信号,在本实施例中可以取100K级别;滤波电容C71应偏大,可以有效消除大地导引的干扰,且该电容原件耐压等级需要提高,大地上的干扰信号有时候会很大,这里取uF级别;C72应偏小,这里取pF级别,否则会造成跟随电路有纹波,电路失效。跟随电路单元输出后信号进入隔离放大单元。
隔离放大电路单元包括限流电阻R12,运算放大器U8B,限流电阻R10,高线性模拟光电耦合器HCNR200,运算放大器U9A,反馈电阻R1,滤波电容C17,二阶RC低通滤波电路R13,CD19,R14和C73。限流电阻R12一端连接所述滤波跟随电路单元的输出端,另一端连接至运算放大器U8B的反相输入端,运算放大器U8B的反相输入端和输出端之间设置有滤波电容C37,运算放大器U8B的输出端经过限流电阻R10连接高线性模拟光电耦合器HCNR200,高线性模拟光电耦合器HCNR200的输出端连接运算放大器U9A的输入端,运算放大器U9A的输入端和输出端之间连接有并联的反馈电阻R1、滤波电容C17,运算放大器U9A的输出端连接二阶RC低通滤波电路。
在本实施例中,采用的HCNR200是一种高线性度模拟光电耦合器,采用先进的封装形式,保证了光耦的高线性度和稳定的增益特性。隔离滤波之后的信号然后再经过双向保护二极管D16输出连接所述A/D采样单元。
A/D采样单元采用MCU芯片内部A/D转换器,A/D转换器是12位逐次逼近型的模拟数字转换器,转换速率2.4Mhz,也就是转换时间0.41us。其中A/D采样基准电源电压采用独立高精度电压基准芯片实现。这样设计不仅节省电路空间和器件成本,同时也保证了主控单元在采集和处理中更快的运算。
主控单元MCU采用STM32型ARM单片机。
迟滞比较电路单元采用双阈值迟滞比较电路包括由精密电阻R141,R142和R163组成阈值标准电压、两路运放比较器U52A和U52B、限流电阻R122和R155,迟滞电阻R24和R146,以及上拉电阻R26、R151、R126、R157和对应的隔离光耦U4、U6,阈值标准电压分别经过运放比较器U52A和U52B,运放比较器U52A的另一输出端经过限流电阻R122连接至所述滤波跟随电路单元的输出端,运放比较器U52B的另一输出端经过限流电阻R155连接至所述滤波跟随电路单元的输出端,运放比较器U52A和U52B的输出端分别经过上拉电阻R126、R157进入对应的隔离光耦U4、U6,隔离之后的MCU端的上拉电阻R28和R152,最终输出两个IO信号CHECKOUT1和CHECKOUT2进入MCU的IO检测管脚。在最新的国标GB/T 18487.1-2015中,充电中导引电压要求在3.2V-4.8V满足充电要求,小于3.2V或者大于4.8V都要求100ms断开充电接触器连接。故本迟滞比较电路采用双路阈值检测电路。
在本实施例中,CAN通讯单元完成和上级控制系统通讯,系统可配置为自动上传模式和问答响应模式。
在本实施例中,报警单元采用主控单元MCU控制蜂鸣器实现。
下面说明一种电动汽车直流充电枪导引电压检测电路的工作方法,这里通过主控单元MCU的软件计算方法及控制方案操作CAN通讯单元和蜂鸣器报警单元完成整个闭环回路控制。
如图3所示,具体包括以下步骤:
(1)当电动汽车直流充电枪连接到充电装置(充电桩),如图2所示,导引电压CHK1通过滤波跟随电路单元输出电压信号COMCHK1,其转换公式:
(2)电压信号COMCHK1经过隔离放大单元输出信号Vin进入到MCU内部的A/D采样单元,其转换公式:
这样,导引电压模拟量总输入Vchk1和总输出Vin之间的关系如下:
在本电路中,取R
1=R
12,
最终总输入V
chk1和总输出V
in:
Vin=Vchk1/4
(3)主控单元通过DMA采样MCU内部A/D采样数字量值,经过非线性回归分析法计算出导引电压,再通过多次求平均值得到最终的导引电压模拟量值;
(4)同时导引电压信号经过滤波跟随单元后,信号同时也会进入同向迟滞比较器电路与标准预警信号比较再通过光耦隔离将IO信号传给主控单元MCU,这里之所以使用带迟滞功能的比较器,主要是防止导引电压受到干扰在阈值附近反复跳变造成比较器电路反复进行比较切换IO电平,进而产生误动作;这样提高了电路的抗干扰能力。在使用过程中COMCHK1电压大小处于VRE1和VREF2之间,三者大小关系Ver2<Vcomchk1<Ver1,当COMCHK1>VRE1或者COMCHK1<VRE2,我们认为是导引电压IO异常;对应到参考图2电路拓扑图,比较器U52A采用上门限电压阈值VH,比较器U52B采用下门限电压阈值VL,上下门限阈值VH和VL计算公式如下:
(5)主控单元MCU主控单元综合判断导引电压模拟量信号和导引电压数字IO信号,当导引电压数字IO信号没有发生变化时我们认为电动汽车直流充电枪与充电装置(充电桩)连接正常,可以进行下一步充电操作,此时主控单元MCU按照标准协议正常通过CAN通讯单元实时输出导引电压模拟量值,此时不会触发蜂鸣器报警电路;
(6)一旦导引电压发生异常改变,信号经过滤波跟随单元,会优先进入同向迟滞比较器电路与标准预警信号比较再通过光耦隔离将IO信号传给主控单元MCU,主控单元MCU采用最高优先级的中断IO进行判断电平变化,并加入软件算法进行滤波,以免由于干扰造成IO变化引起误操作,此过程在可在几ms内完成,同时主控单元MCU通过DMA中断采集导引电压信号对应的模拟量值,主控单元MCU综合判断导引电压IO信号和模拟量信号,只有两者都发生异常时,才会通过CAN通讯单元及时输出导引电压值,并立即切换充电回路,触发蜂鸣器报警电路;因为A/D采样单元转换速率2.4Mhz,并且采用DMA中断多次求平均方法,省去了CPU采样等待的时间。
经过试验,本实施例可在25ms内完成整个综合的导引电压故障报警及动作,完全满足国标GB/T 18487.1-2015中对导引电压检测要求。
本领域内的技术人员应明白,本公开的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本公开可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本公开可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本公开是参照根据本公开实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅为本公开的优选实施例而已,并不用于限制本公开,对于本领域的技术人员来说,本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本公开的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述,但并非对本公开保护范围的限制,所属领域技术人员应该明白,在本公开的技术方案的基础上,本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。