CN112440803A - 一种中高压电动汽车充电站串联模组冗余监测方案 - Google Patents

Abstract

本发明设计一种中高压电动汽车充电站串联模组冗余监测方案，通过电压采样及比较，经光耦隔离后将冗余状态送至主控芯片，能够实时反馈冗余状态。该技术方案包括，电压采样及放大、电压比较、信号隔离及加速，实现对模组输入状态的实时监测，以及冗余状态的监控。具有电压采样精度高、冗余状态反馈快、安全性高、成本低等一系列优点。

Description

一种中高压电动汽车充电站串联模组冗余监测方案

技术领域

本发明涉及中高压电动汽车充电站领域，尤其涉及一种中高压电动汽车充电站串联模组冗余监测方案。

技术背景

传统方案往往采用带辅助触点的冗余继电器，通过辅助触点的状态判断模组的冗余状态。该模式需要继电器额外增加一组触点，增加继电器成本、同时降低继电器寿命。且辅助触点长时间氧化后，容易出现接触不良的问题，造成反馈信号不可靠。

中高压电动汽车充电站采用输入串联输出并联型拓扑方案，降低了交流侧单个模组的开关频率和器件耐压等级，使得交流侧可直接并入中高压电网。为提高整个系统的稳定性，在串联模组出现故障情况时，将故障模组冗余旁路，使得整个充电站仍能正常工作。同时，在将模组冗余之后，充电站需要根据当前模组数量切换算法，为此能够快速反馈模组冗余状态就十分必要。

发明内容

本发明针对上述需求，设计一种中高压电动汽车充电站串联模组冗余监测方案，通过电压采样及比较，经光耦隔离后将冗余状态送至主控芯片，能够实时反馈冗余状态。同时本发明方案能够实现输入电压频率探测，有助于协助主控实时监测输入电压状态。本方案无需继电器的辅助触点反馈，能够避免因辅助触点造成的高成本、低可靠性问题。

步骤1：输入端接入交流电压后，经第一级运放电路将输入电压按比例缩小，并将交流信号变为直流信号，滤除高频信号，为第二级运放提供更加稳定的输入信号。

所述“第一级运放电路”，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R10、R11、 R12、R13、R14、R16，其中R1+R2+R3+R4+R5＝R10+R11+R12+ R13+R14、R6＝R16；电容C1、C4；二极管VD1、VD2；运放D1A构成。其传递函数为：

其中：

V_ac为图2中输入端交流电压值；

V_out1为图2中第一级运放电路输出电压值；

V_VCC2.5为图2中VCC2.5处电压值。

步骤2：第一级运放电路输出电压V_out1作为第二级运放电路输入信号，由第二级运放电路进行信号放大处理，从而获得整体放大的电压信号V_out。其传递函数为：

本发明中的电压采样对于交流有效值高达1000V的输入电压，过零期间的小电压仍能够精确采集；电压采样采用先缩小再放大的两级运放电路，综合考虑整体电路的抗干扰性以及动态响应速度，经两级运放后电压整体放大1.35 倍，利用运放本身输出限压，实际只监控输入电压范围为-1.843V～+1.843V；本电路的优势在于，只采样输入电压的临近过零点部分时段的电压，从宽范围的输入电压中提取部分电压进行放大分析，能够有效提高电压检测精度，以及后级输出响应速度。

所述“第二级运放电路”，电阻R7、R8、R9、R15；电容C2、C3；运放D1B 构成；所述“交流有效值高达1000V的输入电压”、“两级运放后电压整体放大1.35 倍”、“输入电压范围为-1.843V～+1.843V”中的数值非特定值，可以根据实际需求调整为其他值；

步骤3：本发明中的电压比较，通过精确设置电压比较阈值，可以精确区分冗余功能是通过晶闸管动作还是继电器动作；输入端冗余采用晶闸管与继电器并联方案，在主控发出冗余指令后，晶闸管及继电器会先后动作，两者动作后均能使模组输入电压降至接近0V，需要区分晶闸管动作还是继电器动作；由于晶闸管导通最小压降为Vf＝0.6V，而继电器动作后导通压降低于0.03V，将比较器阈值电压设置为输入电压等于±0.5V时运放输出电压，可以有效区分晶闸管动作还是继电器动作；即在主控发出冗余命令之后，晶闸管先动作将模组冗余，但此时冗余状态信号“TZA”仍正常输出过零脉冲信号，之后继电器动作，将模组完全冗余，冗余状态信号“TZA”持续输出低电平，主控收到冗余反馈；

步骤4：比较器信号经光耦隔离后输入至主控，可以实现主控与强电之间的电气隔离，能有效提高主控端的抗干扰性以及使用过程中的安全性；光耦输出经加速电路可以有效提高光耦通信速率，速率可达1M以上，且其成本相对高速光耦大大降低；所述隔离由光耦O1，配合电阻R17、R18实现，所述加速电路由三极管VT1，配合电阻R19、R20实现。

输入端接入交流电压后，在模组正常工作期间，可以在每个输入电压过零期间触发一个低电平信号，可以作为输入频率检测信号；冗余状态信号“TZA”，在输入电压使V_ref1<V_out<V_ref2期间，冗余状态信号“TZA”为低电平，V_out<V_ref1或V_out>V_ref2时冗余状态信号“TZA”为高电平，从而获得一个周期脉冲，以此获知输入频率；

其中：

V_ref1为比较器D2A输入参考电压；

V_ref2为比较器D2B输入参考电压；

本发明的优点在于：实时监控输入状态，有效区分输入未接和输入冗余的情况；输入状态监控精确，可以有效区分晶闸管导通和继电器导通；响应速度快，通过只采样输入电压的临近过零点部分时段的电压，从宽范围的输入电压中提取部分电压进行放大分析，能够有效提高电压检测精度，以及后级输出响应速度；强弱电实现隔离，工作安全可靠；使用普通光耦加三极管加速方案，成本低、速度快。

附图说明

图1为中高压电动汽车充电站串联模组拓扑结构图。

图2为冗余监测原理图。

具体实施方式

以下，结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。

本发明应用的中高压电动汽车充电站串联模组拓扑结构图如图1所示，其模组冗余监测方案原理如图2所示：

本发明的电路工作原理如下：

步骤1：输入端接入交流电压后，经第一级运放电路将输入电压按比例缩小，并将交流信号变为直流信号，滤除高频信号，为第二级运放提供更加稳定的输入信号。

所述“第一级运放电路”，由图2中电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R10、 R11、R12、R13、R14、R16，其中R1+R2+R3+R4+R5＝R10+R11+R12+ R13+R14、R6＝R16；电容C1、C4；二极管VD1、VD2；运放D1A构成。其传递函数为：

其中：

V_ac为图2中输入端交流电压值；

V_out1为图2中第一级运放电路输出电压值；

V_VCC2.5为图2中VCC2.5处电压值。

步骤2：第一级运放电路输出电压V_out1作为第二级运放电路输入信号，由第二级运放电路进行信号放大处理，从而获得整体放大的电压信号V_out。其传递函数为：

本发明中的电压采样对于交流有效值高达1000V的输入电压，过零期间的小电压仍能够精确采集；电压采样采用先缩小再放大的两级运放电路，综合考虑整体电路的抗干扰性以及动态响应速度，经两级运放后电压整体放大1.35 倍，利用运放本身输出限压，实际只监控输入电压范围为-1.843V～+1.843V；本电路的优势在于，只采样输入电压的临近过零点部分时段的电压，从宽范围的输入电压中提取部分电压进行放大分析，能够有效提高电压检测精度，以及后级输出响应速度。

所述“第二级运放电路”，由图2中电阻R7、R8、R9、R15；电容C2、C3；运放D1B构成；所述“交流有效值高达1000V的输入电压”、“两级运放后电压整体放大1.35倍”、“输入电压范围为-1.843V～+1.843V”中的数值非特定值，可以根据实际需求调整为其他值；

步骤3：本发明中的电压比较，通过精确设置电压比较阈值，可以精确区分冗余功能是通过晶闸管动作还是继电器动作；输入端冗余采用晶闸管与继电器并联方案，在主控发出冗余指令后，晶闸管及继电器会先后动作，两者动作后均能使模组输入电压降至接近0V，需要区分晶闸管动作还是继电器动作；由于晶闸管导通最小压降为Vf＝0.6V，而继电器动作后导通压降低于0.03V，将比较器阈值电压设置为输入电压等于±0.5V时运放输出电压，可以有效区分晶闸管动作还是继电器动作；即在主控发出冗余命令之后，晶闸管先动作将模组冗余，但此时冗余状态信号“TZA”仍正常输出过零脉冲信号，之后继电器动作，将模组完全冗余，冗余状态信号“TZA”持续输出低电平，主控收到冗余反馈；

步骤4：比较器信号经光耦隔离后输入至主控，可以实现主控与强电之间的电气隔离，能有效提高主控端的抗干扰性以及使用过程中的安全性；光耦输出经加速电路可以有效提高光耦通信速率，速率可达1M以上，且其成本相对高速光耦大大降低；所述隔离由光耦O1，配合电阻R17、R18实现，所述加速电路由三极管VT1，配合电阻R19、R20实现。

输入端接入交流电压后，在模组正常工作期间，可以在每个输入电压过零期间触发一个低电平信号，可以作为输入频率检测信号；如图2所示冗余状态信号冗余状态信号“TZA”，在输入电压使V_ref1＜V_out＜V_ref2期间，冗余状态信号“TZA”为低电平，V_out＜V_ref1或V_out＞V_ref2时冗余状态信号“TZA”为高电平，从而获得一个周期脉冲，以此获知输入频率；

其中：

V_ref1为比较器D2A输入参考电压；

V_ref2为比较器D2B输入参考电压。

本发明的优点在于：实时监控输入状态，有效区分输入未接和输入冗余的情况；输入状态监控精确，可以有效区分晶闸管导通和继电器导通；响应速度快，通过只采样输入电压的临近过零点部分时段的电压，从宽范围的输入电压中提取部分电压进行放大分析，能够有效提高电压检测精度，以及后级输出响应速度；强弱电实现隔离，工作安全可靠；使用普通光耦加三极管加速方案，成本低、速度快。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种中高压电动汽车充电站串联模组冗余监测方案，其特征在于，通过电压采样及比较，经光耦隔离后将冗余状态送至主控芯片，能够实时反馈冗余状态，所述方法包括如下步骤：

步骤1：输入端接入交流电压后，经第一级运放电路将输入电压按比例缩小，并将交流信号变为直流信号，滤除高频信号，为第二级运放提供更加稳定的输入信号；

所述“第一级运放电路”，电阻R1、R2、R3、R4、R5、R6、R10、R11、R12、R13、R14、R16，其中R1+R2+R3+R4+R5＝R10+R11+R12+R13+R14、R6＝R16；电容C1、C4；二极管VD1、VD2；运放D1A构成其传递函数为：

其中：

V_ac为输入端交流电压值；

V_out1为第一级运放电路输出电压值；

V_VCC2.5为VCC2.5处电压值；

步骤2：第一级运放电路输出电压V_out1作为第二级运放电路输入信号，由第二级运放电路进行信号放大处理，从而获得整体放大的电压信号V_out；其传递函数为：

本发明中的电压采样对于交流有效值高达1000V的输入电压，过零期间的小电压仍能够精确采集；电压采样采用先缩小再放大的两级运放电路，综合考虑整体电路的抗干扰性以及动态响应速度，经两级运放后电压整体放大1.35倍，利用运放本身输出限压，实际只监控输入电压范围为-1.843V～+1.843V；只采样输入电压的临近过零点部分时段的电压，从宽范围的输入电压中提取部分电压进行放大分析，能够有效提高电压检测精度，以及后级输出响应速度；

所述“第二级运放电路”，电阻R7、R8、R9、R15；电容C2、C3；运放D1B构成；所述“交流有效值高达1000V的输入电压”、“两级运放后电压整体放大1.35倍”、“输入电压范围为-1.843V～+1.843V”中的数值非特定值，可以根据实际需求调整为其他值；

步骤3：本发明中的电压比较，通过精确设置电压比较阈值，可以精确区分冗余功能是通过晶闸管动作还是继电器动作；输入端冗余采用晶闸管与继电器并联方案，在主控发出冗余指令后，晶闸管及继电器会先后动作，两者动作后均能使模组输入电压降至接近0V，需要区分晶闸管动作还是继电器动作；由于晶闸管导通最小压降为Vf＝0.6V，而继电器动作后导通压降低于0.03V，将比较器阈值电压设置为输入电压等于±0.5V时运放输出电压，可以有效区分晶闸管动作还是继电器动作；即在主控发出冗余命令之后，晶闸管先动作将模组冗余，但此时冗余状态信号“TZA”仍正常输出过零脉冲信号，之后继电器动作，将模组完全冗余，冗余状态信号“TZA”持续输出低电平，主控收到冗余反馈；

步骤4：比较器信号经光耦隔离后输入至主控，可以实现主控与强电之间的电气隔离，能有效提高主控端的抗干扰性以及使用过程中的安全性；光耦输出经加速电路可以有效提高光耦通信速率，速率可达1M以上，且其成本相对高速光耦大大降低；所述隔离由光耦O1，配合电阻R17、R18实现，所述加速电路由三极管VT1，配合电阻R19、R20实现；

输入端接入交流电压后，在模组正常工作期间，可以在每个输入电压过零期间触发一个低电平信号，可以作为输入频率检测信号；冗余状态信号“TZA”，在输入电压使V_ref1<V_out<V_ref2期间，冗余状态信号“TZA”为低电平，V_out<V_ref1或V_out>V_ref2时冗余状态信号“TZA”为高电平，从而获得一个周期脉冲，以此获知输入频率；

其中：

V_ref1为比较器D2A输入参考电压；

V_ref2为比较器D2B输入参考电压。

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