CN112285476A - 一种基于定量分析的交流充电桩短路保护测试电路及方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于定量分析的交流充电桩短路保护测试电路及方法，电路包括：电流互感器(1)、短路电阻阵列(2)、DSP处理单元(4)、人机交互单元(5)、可控硅驱动电路(6)和采样模块，电流互感器(1)的一次侧接入零线，二次侧与采样模块的输入端相连接；短路电阻阵列(2)的一端与零线相连接，另一端与火线相连接，短路电阻阵列(2)包括多路并联的短路电阻支路，短路电阻支路包括串联连接的短路电阻和可控开关；DSP处理单元(4)与采样模块的输出端、人机交互单元(5)和可控硅驱动电路(6)相连接，用于计算I2t，接收人机交互单元(5)的输入，向人机交互单元(5)输出测试结果，并确定投入短路保护测试的短路电阻支路数量。
Description
技术领域
本发明属于仪器仪表技术领域，更具体地，涉及一种基于定量分析的交流充电桩短路保护测试电路及方法。
背景技术
交流充电桩目前在充电桩市场上的应用数量占比非常高，根据《NB/T33002-2018电动汽车交流充电桩技术条件》第7.7.1节的要求充电桩应该具备短路保护功能，《NB/T33008.2-2018电动汽车充电设备检验试验规范第2部分:交流充电桩》的5.4.1输出保护试验要求对交流充电桩进行短路保护进行试验，目前常规的短路试验是直接通过开关进行短接或通过开关串联一个电阻进行短接，该试验方法由于短路电流大，属于破坏性试验。
1、由于短路阻抗小，短路电流大，降低开关的使用寿命；
2、由于短路阻抗小，短路电流大，假如电路线路阻抗的容量不足，容易造成火灾等事故；
3、由于短路阻抗小，短路电流大需要配置更大的供电容量才能做试验，否则会造成电网供电开关频繁跳闸；
4、无法对交流充电桩的短路保护进行热能值I2t的定量分析；
5、根据《GB/T 18487.1-2015_电动汽车传导充电系统第1部分:通用要求》充电电缆发现短路保护时，在模式3(方式C)供电设备的车辆插头的I2t值应不80000A2s，直接短路方式无法进行定量分析和判断。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于定量分析的交流充电桩短路保护测试电路及方法，可实现对充电桩的短路保护的试验，而不会对充电桩造成破坏性或对电网造成冲击。
本发明采用如下的技术方案。一种基于定量分析的交流充电桩短路保护测试电路，包括：电流互感器、短路电阻阵列、DSP处理单元、人机交互单元、可控硅驱动电路和采样模块，电流互感器的一次侧接入零线，二次侧与采样模块的输入端相连接；短路电阻阵列的一端与零线相连接，另一端与火线相连接，短路电阻阵列包括多路并联的短路电阻支路，短路电阻支路包括串联连接的短路电阻和可控开关；DSP处理单元与采样模块的输出端、人机交互单元和可控硅驱动电路相连接，用于计算热能值I2t，接收人机交互单元的输入，向人机交互单元输出测试结果，并确定投入短路保护测试的短路电阻支路数量。
优选地，采样模块包括：IV反馈电阻、运算放大器和A/D转换器，IV反馈电阻的一端与电流互感器二次侧的第二输出端子相连接，另一端与运算放大器的输出端相连接，运算放大器的输出端与A/D转换器的输入端相连接。
优选地，短路电阻阵列包括：并联连接的第一电阻、第二电阻、第三电阻和第四电阻，与第一电阻串联连接的第一双向可控硅、与第二电阻串联连接的第二双向可控硅、与第三电阻串联连接的第三双向可控硅和与第四电阻串联连接的第四双向可控硅。
优选地，交流充电桩短路保护测试电路还包括：开关电源，开关电源的输入端与外部220V交流电源相连接，输出端提供±5V工作电源。
优选地，DSP处理单元包括SPI1、IO输出模块、采集计算I2t及控制输出模块和控制管理模块，SPI1的与A/D转换器相连接，进行通信，将数据发送至采集计算热能值I2t及控制输出模块，采集计算热能值I2t及控制输出模块还分别与IO输出模块和控制管理模块相连接，IO输出模块还与可控硅驱动电路相连接，其中，SPI是指串行外围设备接口。
优选地，人机交互单元与DSP处理单元的控制管理模块相连接，人机交互单元包括显示设备和输入设备。
优选地，可控硅驱动电路包括：第一5V转5V隔离电源(65a)、第二5V转5V隔离电源、第三5V转5V隔离电源和第四5V转5V隔离电源(65d)，每个5V转5V隔离电源包括：驱动电阻Rin、光隔、输出上拉电阻Rout和跟踪驱动放大器。
优选地，运算放大器采用OPA343，谐波失真度+噪音小于0.0007％。
优选地，A/D转换器采用32Bit SAR类型的A/D转换器LTC2500，采样率设定为1MSPS，其中MSPS是指每秒采样百万次。
本发明还提供了一种基于所述交流充电桩短路保护测试电路的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，通过人机交互单元设置交流充电桩的额定电流值Iset。
步骤2，可控硅驱动电路驱动短路电阻阵列在电压信号的过零处进行短路，DSP处理单元启动以如下公式计算热能值I2t，
式中：
n表示采样点数，
Ij表示采样点电流瞬时值，
f表示A/D转换器9的采样率，
T表示时间长度；
步骤3，DSP处理单元根据设定的额定电流值Iset，在设定的时间内决定投入的短路电路路数；
步骤4，延时设定时间，DSP处理单元4根据短路电流判断是否跳闸；
步骤5，若未发生跳闸，则表示短路保护拒动，不符合要求；若发生跳闸，人机交互单元显示热能值I2t值，则判断热能值I2t是否超过阈值，若超过阈值，短路保护跳闸热能值I2t不符合要求，如不超过阈值，短路保护跳闸热能值I2t符合要求；
步骤6，通过人机交互单元显示测试结果。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明根据不同的容量(额定电流)的交流充电桩投入不同的容量的短路电阻(不同的短路电流)，减少对充电桩开关和线路破坏，并且通过晶闸管控制短路电阻过零投切，进一步减低对充电桩的破坏和对电网的冲击，同时利用DSP计算I2t的值，对交流的充电桩的短路的热能值I2t做定量分析。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于定量分析的交流充电桩短路保护测试电路；
图2为可控硅驱动电路的示意图；
图3为DSP处理单元的示意图；
图4为本发明提供的一种基于定量分析的交流充电桩短路保护测试方法的流程图。
图中：
1-电流互感器；
2-短路电阻阵列，R1-第一电阻，R2-第二电阻，R3-第三电阻，R4-第四电阻，G1-第一双向可控硅，G2-第二双向可控硅，G3-第三双向可控硅，G4-第四双向可控硅；
3-开关电源；
4-DSP处理单元，41-SPI1，43-IO输出模块，44-采集计算I2t及控制输出模块，46-控制管理模块；
5-人机交互单元；
6-可控硅驱动电路，61-驱动电阻Rin，62-光隔，63-输出上拉电阻Rout，64-跟踪驱动放大器，65a-第一5V转5V隔离电源，65d-第四5V转5V隔离电源；
7-IV反馈电阻Rf；
8-运算放大器；
9-A/D转换器。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
实施例1：一种基于定量分析的交流充电桩短路保护测试电路
如图1所示，本发明提供了一种基于定量分析的交流充电桩短路保护测试电路，包括：电流互感器1、短路电阻阵列2、开关电源3、DSP处理单元4、人机交互单元5、可控硅驱动电路6和采样模块。采样模块包括：IV反馈电阻7、运算放大器8和A/D转换器9。
电流互感器1的一次侧接入零线N，二次侧的第一输出端子S1和第二输出端子S2与运算放大器8的输入端相连接。一个优选但非限制性的实施方式为采用0.01级的零磁通电流互感器，保证测量的准确度。
短路电阻阵列2一端与零线N相连接，另一端与火线相连接；短路电阻阵列2包括：并联连接的第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4，一个优选但非限制性的实施方式为R1＝R2＝R3＝R4＝8Ω。短路电阻阵列2还包括：与第一电阻R1串联连接的第一双向可控硅G1、与第二电阻R2串联连接的第二双向可控硅G2、与第三电阻R3串联连接的第三双向可控硅G3和与第四电阻R4串联连接的第四双向可控硅G4，双向可控硅可实现在过零时刻的快速关断和快速开启，一个优选但非限制性的实施方式为实现10μs级别的快速关断和快速开启。双向可控硅短路时的冲击最小，同时通过A/D转换器9可准确计算热能值I2t，一个优选但非限制性的实施方式为，双向可控硅选择额定电流值为100A的可控硅，每路双向可控硅正常短路电流为
220V/8Ω＝27.5A。
开关电源3的输入端与外部220V交流电源相连接，输出端提供芯片工作的±5V工作电源。
DSP处理单元4，如图3所示，包括：SPI1 41(SPI，即Serial Peripheralinterface，串行外围设备接口)、IO输出模块43、采集计算热能值I2t及控制输出模块44和控制管理模块46。一个优选但非限制性的实施方式为，DSP处理单元4采用ADSP BF609芯片，ADSP BF609芯片具备非常丰富的片上资源，本优选实施例只采样其中部分资源。SPI1 41的与A/D转换器9相连接，进行通信，将数据发送至采集计算热能值I2t及控制输出模块44，采集计算热能值I2t及控制输出模块44还分别与IO输出模块43和控制管理模块46相连接。IO输出模块43还与可控硅驱动电路6相连接。
人机交互单元5与DSP处理单元4的控制管理模块46相连接。一个优选但非限制性的实施方式为，人机交互单元5包括显示设备和输入设备。
可控硅驱动电路6，如图2所示，包括：第一5V转5V隔离电源65a、第二5V转5V隔离电源、第三5V转5V隔离电源和第四5V转5V隔离电源65d、驱动电阻Rin 61、光隔62、输出上拉电阻Rout 63和跟踪驱动放大器。5V转5V隔离电源用于实现5V到5V的隔离输出，输出电流1A。一个优选但非限制性的实施方式为，驱动电阻Rin 61和输出上拉电阻Rout 63为1kΩ的贴片电阻，光隔62使用10MHz的6N137，跟踪驱动放大器64为轨对轨的50mA以上的运算放大器。跟踪驱动放大器64用于增加驱动电流，可靠控制可控硅，同时有4个通用的控制电路分布控制短路电阻阵列2的第一双向可控硅G1、第二双向可控硅G2、第三双向可控硅G3和第四双向可控硅G4。
IV反馈电阻7的一端与电流互感器1二次侧的第二输出端子S2相连接，另一端与运算放大器8的输出端相连接。一个优选但非限制性的实施方式为，采用温漂为1ppm(partper million，百万分之一)的精密电阻，且初始准确度为0.01％，保证测量的准确度。
运算放大器8的输出端与A/D转换器9的输入端相连接。一个优选但非限制性的实施方式为，运算放大器8采用OPA343，谐波失真度+噪音小于0.0007％，保证测量的准确度。
A/D转换器9的输出端与DSP处理单元4的SPI1相连接。一个优选但非限制性的实施方式为，A/D转换器9采用32Bit SAR类型的A/D转换器LTC2500，保证高准确度，同时采样率设定到1MSPS(Million Samples per Second，每秒采样百万次)。
实施例2：一种基于定量分析的交流充电桩短路保护测试方法
如图4所示，本发明还提供了一种基于实施例1所述交流充电桩短路保护测试电路的测试方法，包括以下步骤：
步骤1，通过人机交互单元5设置交流充电桩的额定电流值Iset。
步骤2，可控硅驱动电路6驱动短路电阻阵列2在电压信号的过零处进行短路，继续减小电流冲击并且根据充电桩的容量选择短路电流，也就是既可以达到测试短路的目的，又不会造成太多的短路电流的破坏性后果。DSP处理单元4启动以如下公式计算热能值，即热能值I2t，
式中：
n表示采样点数，
Ij表示采样点电流瞬时值，
f表示A/D转换器9的采样率，一个优选但非限制的实施方式为，f＝1MSPS，即每秒采样百万次，累计时间为1μs，
T表示时间长度，一个优选但非限制性的实施方式为，时间长度为DSP处理单元4启动开始后2s。
热能值I2t的准确度由电流互感器1和IV反馈电阻7决定。I2t的计算准确度可到0.02％，A/D转换器9为32Bit的高速A/D，线性度可达1ppm，影响可忽略。
运算放大器8谐波失真度+噪音小于0.0007％，影响可忽略。
步骤3，DSP处理单元4根据设定的额定电流值Iset，在设定的时间内，优选但不限于，在100ms内决定投入的短路电路路数。
判断如下表所示
| I<sub>set</sub> | 投入电阻 | 短路电路值 |
| ≤16A | R1 | 短路电流220V/8Ω＝27.5A |
| 32A | R1、R2 | 短路电流220V/4Ω＝55A |
| 63A | R1、R2、R3、R4 | 短路电流220V/4Ω＝110A |
步骤4，延时一秒钟，DSP处理单元4根据短路电流判断是否跳闸。一般充电桩的跳闸时间小于100ms，延时1s，保证在跳闸后进行判断。
步骤5，若未发生跳闸，则表示短路保护拒动，不符合要求；若发生跳闸，人机交互单元5显示热能值I2t值，则判断热能值I2t是否超过阈值，一个优选但非限制性的实施方式为，根据《GB/T 18487.1-2015_电动汽车传导充电系统第1部分:通用要求》充电电缆发现短路保护时，在模式3(方式C)供电设备的车辆插头的热能值I2t不应超过80000A2s。若超过阈值，短路保护跳闸热能值I2t不符合要求，如不超过阈值，短路保护跳闸热能值I2t符合要求。
步骤6，通过人机交互单元5显示测试结果。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比，本发明根据不同的容量(额定电流)的交流充电桩投入不同的容量的短路电阻(不同的短路电流)，减少对充电桩开关和线路破坏，并且通过晶闸管控制短路电阻过零投切，进一步减低对充电桩的破坏和对电网的冲击，同时利用DSP计算I2t的值，对交流的充电桩的短路的热能值I2t做定量分析。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于定量分析的交流充电桩短路保护测试电路，包括：电流互感器(1)、短路电阻阵列(2)、DSP处理单元(4)、人机交互单元(5)、可控硅驱动电路(6)和采样模块，其特征在于，
电流互感器(1)的一次侧接入零线，二次侧与采样模块的输入端相连接；
短路电阻阵列(2)的一端与零线相连接，另一端与火线相连接，短路电阻阵列(2)包括多路并联的短路电阻支路，短路电阻支路包括串联连接的短路电阻和可控开关；
DSP处理单元(4)与采样模块的输出端、人机交互单元(5)和可控硅驱动电路(6)相连接，用于计算热能值，接收人机交互单元(5)的输入，向人机交互单元(5)输出测试结果，并确定投入短路保护测试的短路电阻支路数量。
2.根据权利要求1所述的基于定量分析的交流充电桩短路保护测试电路，其特征在于：
采样模块包括：IV反馈电阻(7)、运算放大器(8)和A/D转换器(9)，IV反馈电阻(7)的一端与电流互感器(1)二次侧的第二输出端子(S2)相连接，另一端与运算放大器(8)的输出端相连接，运算放大器(8)的输出端与A/D转换器(9)的输入端相连接。
3.根据权利要求2所述的基于定量分析的交流充电桩短路保护测试电路，其特征在于：
短路电阻阵列(2)包括：并联连接的第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)和第四电阻(R4)，与第一电阻(R1)串联连接的第一双向可控硅(G1)、与第二电阻(R2)串联连接的第二双向可控硅(G2)、与第三电阻(R3)串联连接的第三双向可控硅(G3)和与第四电阻(R4)串联连接的第四双向可控硅(G4)。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于定量分析的交流充电桩短路保护测试电路，其特征在于：
交流充电桩短路保护测试电路还包括：开关电源(3)，开关电源(3)的输入端与外部220V交流电源相连接，输出端提供±5V工作电源。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的基于定量分析的交流充电桩短路保护测试电路，其特征在于：
DSP处理单元(4)包括SPI1(41)、IO输出模块(43)、采集计算热能值及控制输出模块(44)和控制管理模块(46)，SPI1(41)的与A/D转换器(9)相连接，进行通信，将数据发送至采集计算热能值及控制输出模块(44)，采集计算热能值及控制输出模块(44)还分别与IO输出模块(43)和控制管理模块(46)相连接，IO输出模块(43)还与可控硅驱动电路(6)相连接，
其中，SPI是指串行外围设备接口。
6.根据权利要求5所述的基于定量分析的交流充电桩短路保护测试电路，其特征在于：
人机交互单元(5)与DSP处理单元(4)的控制管理模块(46)相连接，人机交互单元(5)包括显示设备和输入设备。
7.根据权利要求1至3中任一项所述的基于定量分析的交流充电桩短路保护测试电路，其特征在于：
可控硅驱动电路(6)包括：第一5V转5V隔离电源(65a)、第二5V转5V隔离电源、第三5V转5V隔离电源和第四5V转5V隔离电源(65d)，每个5V转5V隔离电源包括：驱动电阻Rin(61)、光隔(62)、输出上拉电阻Rout(63)和跟踪驱动放大器(64)。
8.根据权利要求2或3所述的基于定量分析的交流充电桩短路保护测试电路，其特征在于：
运算放大器(8)采用OPA343，谐波失真度+噪音小于0.0007％。
9.根据权利要求2或3所述的基于定量分析的交流充电桩短路保护测试电路，其特征在于：
A/D转换器(9)采用32Bit SAR类型的A/D转换器LTC2500，采样率设定为1MSPS，其中MSPS是指每秒采样百万次。
10.一种基于权利要求1-9中任一项所述交流充电桩短路保护测试电路的测试方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，通过人机交互单元(5)设置交流充电桩的额定电流值Iset。
步骤2，可控硅驱动电路(6)驱动短路电阻阵列(2)在电压信号的过零处进行短路，DSP处理单元(4)启动以如下公式计算热能值I2t，
式中：
n表示采样点数，
Ij表示采样点电流瞬时值，
f表示A/D转换器9的采样率，
T表示时间长度；
步骤3，DSP处理单元(4)根据设定的额定电流值Iset，在设定的时间内决定投入的短路电路路数；
步骤4，延时设定时间，DSP处理单元4根据短路电流判断是否跳闸；
步骤5，若未发生跳闸，则表示短路保护拒动，不符合要求；若发生跳闸，人机交互单元(5)显示热能值I2t值，则判断热能值I2t是否超过阈值，若超过阈值，短路保护跳闸热能值I2t不符合要求，如不超过阈值，短路保护跳闸热能值I2t符合要求；
步骤6，通过人机交互单元(5)显示测试结果。
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