CN111381138A - 一种直流充电桩绝缘监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流充电桩绝缘监测系统及方法，所述系统包括电桥电阻监测主回路、主控制器、正极信号采样电路、负极信号采样电路、正极开关驱动电路、负极开关驱动电路和电源模块。本发明通过双侧桥臂开关器件的交替工作，制造两组不平衡电桥，并分别采集两种工况下采样电阻的电压值，从而计算出直流充电桩中高压浮地系统正、负极对大地的绝缘电阻值。相比于传统绝缘监测方法，本发明更加简单，资源消耗更少且精度更高，适用于小型处理器。

Description

一种直流充电桩绝缘监测系统及方法

技术领域

本发明属于电动汽车充电技术领域，特别涉及了一种充电桩绝缘监测系统。

背景技术

随着电动汽车的大规模使用，电动汽车充电桩，尤其是直流充电设备，由于充电速度快等特点，被大量应用。随着国家标准的实施，对于电动汽车在充电过程当中的人员触电防护提出了要求，为了保证电动汽车的充电安全以及人员的人身安全，对于电动汽车充电桩高压浮地系统的绝缘安全性能有着严格的要求。

传统充电桩绝缘监测方法使用IGBT等开关器件，作为不平衡电桥桥臂的控制开关，其控制方式相对比较繁琐，驱动电路较为复杂，而且成本也相对较高。同时传统不平衡电桥计算方法存在诸多冗余繁杂之处，不便于小型处理器的运用。

发明内容

为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明提出了一种直流充电桩绝缘监测系统及方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：

一种直流充电桩绝缘监测系统，包括电桥电阻监测主回路、主控制器、正极信号采样电路、负极信号采样电路、正极开关驱动电路、负极开关驱动电路和电源模块；所述电桥电阻监测主回路包括高压浮地系统直流电源、第一开关管、第二开关管以及第一～第八电阻，高压浮地系统直流电源的正极依次串联第一、第二、第三、第四电阻构成正极电桥桥臂，高压浮地系统直流电源的负极依次串联第八、第七、第六、第五电阻构成负极电桥桥臂，第四电阻与第五电阻串联且其串联接点连接系统大地，第一开关管的集电极连接第一电阻与第二电阻的串联接点，第一开关管的发射极连接第三电阻与第四电阻的串联接点，第二开关管的集电极连接第七电阻与第八电阻的串联接点，第二开关挂的发射极连接第五电阻与第六电阻的串联接点，第三电阻与第四电阻作为正极电桥桥臂的采样电阻，其采样电压记作正极采样电压Up，第五电阻与第六电阻作为负极电桥桥臂的采样电阻，其采样电压记作负极采样电压Un；所述正极开关驱动电路和负极开关驱动电路的输入端分别连接主控制器，所述正极开关驱动电路的输出端连接第一开关管的栅极，所述负极开关驱动电路的输出端连接第二开关管的栅极，所述正极信号采样电路和负极信号采样电路的输出端分别连接主控制器，所述正极信号采样电路的输入端采集正极采样电压Up，所述负极信号采样电路的输入端采集负极采样电压Un，所述电源模块的输出端连接主控制器的供电端；所述主控制器通过正极开关驱动电路和负极开关驱动电路分别向第一开关管和第二开关管发送驱动信号，从而控制第一开关管和第二开关管的通断状态，所述正极信号采样电路和负极信号采样电路分别采集不同开关管状态下的正极采样电压Up和负极采样电压Un并传送给主控制器，主控制器根据接收到的采集电压数据得到绝缘监测结果。

进一步地，该系统还包括通讯模块，所述通讯模块连接主控制器，主控制器通过该通讯模块与监控中心进行数据交互。

进一步地，所述通讯模块包括2个隔离光耦模块，分别提供通讯模块的接收接口和发送接口。

进一步地，所述正极信号采样电路和负极信号采样电路的结构相同，包括运算放大器、第一～第四电容以及第九～第十三电阻，所述运算放大器采用LM158芯片，第九电阻的一端作为整个信号采样电路的输入端，第九电阻的另一端经第十电阻与LM158芯片的3引脚连接，第九电阻与第十电阻的串联接点经第一电容接地，LM158芯片的1引脚与2引脚连接，LM158芯片的4引脚接入外部负电压并经第二电容接地，LM158芯片的5引脚经第十一电阻接地，第四电容与第十一电阻并联，LM158芯片的7引脚经第十二电阻与6引脚连接，LM158芯片的8引脚接入外部正电压并经第三电容接地，第十三电阻的一端连接LM158芯片的6引脚，第十三电阻的另一端作为整个信号采样电路的输出端。

进一步地，所述正极开关驱动电路和负极开关驱动电路均包括隔离光耦模块。

基于上述直流充电桩绝缘监测系统的绝缘监测方法，通过主控制器向第一开关管和第二开关管发送驱动信号，依次控制第一开关管和第二开关管工作在状态1和状态2；

所述状态1为第一开关管断开、第二开关管导通，此时第一～第四电阻构成正极桥臂电阻，记作断开桥臂等效电阻R_b＝R₁+R₂+R₃+R₄，第五电阻和第八电阻构成负极桥臂电阻，记作闭合桥臂等效电阻R_a＝R₅+R₈，此时采集正极采样电压Up＝Up1，负极采样电压Un＝Un1；

所述状态2为第一开关管导通、第二开关管断开，此时第一电阻与第四电阻构成正极桥臂电阻，记作闭合桥臂等效电阻R_a＝R₁+R₄，第五～第八电阻构成负极桥臂电阻，记作断开桥臂等效电阻R_b＝R₅+R₆+R₇+R₈，此时采集正极采样电压Up＝Up2，负极采样电压Un＝Un2；

上述R₁～R₈为第一～第八电阻的阻值，需满足如下数学关系：

R₁+R₂+R₃+R₄＝R₅+R₆+R₇+R₈

R₁+R₄＝R₅+R₈

则高压浮地系统直流电源正极对地绝缘电阻R_p的计算方法如下：

高压浮地系统直流电源负极对地绝缘电阻R_n的计算方法如下：

上式中，

采用上述技术方案带来的有益效果：

本发明通过双侧桥臂开关器件的交替工作，制造两组不平衡电桥，并分别采集两种工况下采样电阻的电压值，分别计算出电动汽车直流充电桩中高压浮地系统正、负极对大地的绝缘电阻值，相比于传统绝缘监测方法更加简单，资源消耗更少且精度更高，适用于小型处理器。

附图说明

图1是本发明系统电路图；

图2是本发明状态1的等效电路图；

图3是本发明状态2的等效电路图；

图4是本发明中信号采样电路图；

图5是本发明中开关驱动电路图；

图6是本发明中通讯模块电路图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。

本发明设计了一种直流充电桩绝缘监测系统及方法，如图1所示，该绝缘监测系统包括电桥电阻监测主回路、主控制器、正极信号采样电路、负极信号采样电路、正极开关驱动电路、负极开关驱动电路、电源模块以及通讯模块。

电桥电阻监测主回路分别由正极电桥桥臂电阻和负极电桥桥臂电阻串联相接而成。高压浮地系统直流电源记为Vs，该电源正极经过桥臂电阻R1、R2、R3、R4串联连接，组成正极电桥桥臂；该电源负极经过桥臂电阻R8、R7、R6、R5串联连接，组成负极电桥桥臂。桥臂电阻R4与桥臂电阻R5串联连接，并同时连接于系统大地PE点。开关器件S1的集电极连接于桥臂电阻R1与桥臂电阻R2的串联接点，其发射极连接于桥臂电阻R3与R4的串联接点。开关器件S2集电极连接于桥臂电阻R7与桥臂电阻R8的串联接点，发射极连接于桥臂电阻R5与R6的串联接点，由此构成电桥电阻监测主回路。其中桥臂电阻R3、R4作为正极电桥桥臂采样电阻，其采样电压记作正极采样电压Up；桥臂电阻R5、R6作为负极电桥桥臂采样电阻，其采样电压记作负极采样电压Un。直流电源Vs正极对大地待测绝缘电阻记作正极绝缘电阻Rp，负极对大地待测绝缘电阻记作负极绝缘电阻Rn。

基于上述直流充电桩绝缘监测系统，系统对地绝缘电阻计算方法如下：

状态1：S1断开，S2闭合。R1、R2、R3、R4构成正极桥臂电阻，记作断开桥臂等效电阻Rb＝R1+R2+R3+R4；R5、R8构成负极桥臂电阻，记作闭合桥臂等效电阻Ra＝R5+R8。此时分别记录正极采样电压UP1，负极采样电压Un1。电桥电阻监测主回路等效电路如图2所示。

桥臂电阻参数需满足以下数学关系：

R₁+R₂+R₃+R₄＝R₅+R₆+R₇+R₈

R₁+R₄＝R₅+R₈

根据状态1等效电路KCL，KVL，结合桥臂电阻参数的数学关系，可得：

状态2：S1闭合，S2断开，R1、R4构成正极桥臂电阻，记作正极桥臂等效电阻Ra＝R1+R4；R5、R6、R7、R8构成负极桥臂电阻，记作负极桥臂等效电阻Rb＝R5+R6+R7+R8。此时分别记录正极采样电压Up2与负极采样电压Un2。电桥电阻监测主回路等效电路如图3所示。

根据状态2等效电路KCL，KVL，结合桥臂电阻参数的数学关系，可得：

联立上述各式，得：

其中，

在本实施例中，主控制器可以采用以PIC18F4580单片机为核心的最小系统，主要用于绝缘电阻计算、相关信号采集，驱动信号触发以及通讯报文收发功能等。

在本实施例中，如图4所示，正极信号采样电路和负极信号包括运算放大器U1、第一～第四电容C1～C4以及第九～第十三电阻R9～R13，所述运算放大器采用LM158芯片。其中，电阻R9、R10以及电容C1构成一阶低通滤波电路。运算放大器U1，电容C2、C3、C4以及电阻R12、R13构成电压采样信号调理电路，用于信号输入与输出的阻抗变换和信号调理。

在本实施例中，如图5所示，正极开关驱动电路和负极开关驱动电路采用隔离光耦U2作为开关驱动模块，隔离光耦U2采用TLP250芯片，电阻R14，电容C5、C6组成开关驱动电路的输入信号调理电路。

在本实施例中，如图6所示，通讯模块采用高速隔离光耦U3、U4作为通讯模块核心器件，提供标准TTL通讯收发接口，隔离光耦U3、U4采用6N137芯片。电阻R15、R16、R17构成通讯总线信号调理电路。

实施例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，均落入本发明保护范围之内。

Claims (6)

1.一种直流充电桩绝缘监测系统，其特征在于：包括电桥电阻监测主回路、主控制器、正极信号采样电路、负极信号采样电路、正极开关驱动电路、负极开关驱动电路和电源模块；所述电桥电阻监测主回路包括高压浮地系统直流电源、第一开关管、第二开关管以及第一～第八电阻，高压浮地系统直流电源的正极依次串联第一、第二、第三、第四电阻构成正极电桥桥臂，高压浮地系统直流电源的负极依次串联第八、第七、第六、第五电阻构成负极电桥桥臂，第四电阻与第五电阻串联且其串联接点连接系统大地，第一开关管的集电极连接第一电阻与第二电阻的串联接点，第一开关管的发射极连接第三电阻与第四电阻的串联接点，第二开关管的集电极连接第七电阻与第八电阻的串联接点，第二开关挂的发射极连接第五电阻与第六电阻的串联接点，第三电阻与第四电阻作为正极电桥桥臂的采样电阻，其采样电压记作正极采样电压Up，第五电阻与第六电阻作为负极电桥桥臂的采样电阻，其采样电压记作负极采样电压Un；所述正极开关驱动电路和负极开关驱动电路的输入端分别连接主控制器，所述正极开关驱动电路的输出端连接第一开关管的栅极，所述负极开关驱动电路的输出端连接第二开关管的栅极，所述正极信号采样电路和负极信号采样电路的输出端分别连接主控制器，所述正极信号采样电路的输入端采集正极采样电压Up，所述负极信号采样电路的输入端采集负极采样电压Un，所述电源模块的输出端连接主控制器的供电端；所述主控制器通过正极开关驱动电路和负极开关驱动电路分别向第一开关管和第二开关管发送驱动信号，从而控制第一开关管和第二开关管的通断状态，所述正极信号采样电路和负极信号采样电路分别采集不同开关管状态下的正极采样电压Up和负极采样电压Un并传送给主控制器，主控制器根据接收到的采集电压数据得到绝缘监测结果。

2.根据权利要求1所述直流充电桩绝缘监测系统，其特征在于：该系统还包括通讯模块，所述通讯模块连接主控制器，主控制器通过该通讯模块与监控中心进行数据交互。

3.根据权利要求2所述直流充电桩绝缘监测系统，其特征在于：所述通讯模块包括2个隔离光耦模块，分别提供通讯模块的接收接口和发送接口。

4.根据权利要求1所述直流充电桩绝缘监测系统，其特征在于：所述正极信号采样电路和负极信号采样电路的结构相同，包括运算放大器、第一～第四电容以及第九～第十三电阻，所述运算放大器采用LM158芯片，第九电阻的一端作为整个信号采样电路的输入端，第九电阻的另一端经第十电阻与LM158芯片的3引脚连接，第九电阻与第十电阻的串联接点经第一电容接地，LM158芯片的1引脚与2引脚连接，LM158芯片的4引脚接入外部负电压并经第二电容接地，LM158芯片的5引脚经第十一电阻接地，第四电容与第十一电阻并联，LM158芯片的7引脚经第十二电阻与6引脚连接，LM158芯片的8引脚接入外部正电压并经第三电容接地，第十三电阻的一端连接LM158芯片的6引脚，第十三电阻的另一端作为整个信号采样电路的输出端。

5.根据权利要求1所述直流充电桩绝缘监测系统，其特征在于：所述正极开关驱动电路和负极开关驱动电路均包括隔离光耦模块。

6.基于权利要求1所述直流充电桩绝缘监测系统的绝缘监测方法，其特征在于：通过主控制器向第一开关管和第二开关管发送驱动信号，依次控制第一开关管和第二开关管工作在状态1和状态2；

所述状态1为第一开关管断开、第二开关管导通，此时第一～第四电阻构成正极桥臂电阻，记作断开桥臂等效电阻R_b＝R₁+R₂+R₃+R₄，第五电阻和第八电阻构成负极桥臂电阻，记作闭合桥臂等效电阻R_a＝R₅+R₈，此时采集正极采样电压Up＝Up1，负极采样电压Un＝Un1；

所述状态2为第一开关管导通、第二开关管断开，此时第一电阻与第四电阻构成正极桥臂电阻，记作闭合桥臂等效电阻R_a＝R₁+R₄，第五～第八电阻构成负极桥臂电阻，记作断开桥臂等效电阻R_b＝R₅+R₆+R₇+R₈，此时采集正极采样电压Up＝Up2，负极采样电压Un＝Un2；

上述R₁～R₈为第一～第八电阻的阻值，需满足如下数学关系：

R₁+R₂+R₃+R₄＝R₅+R₆+R₇+R₈

R₁+R₄＝R₅+R₈

则高压浮地系统直流电源正极对地绝缘电阻R_p的计算方法如下：

高压浮地系统直流电源负极对地绝缘电阻R_n的计算方法如下：

上式中，

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