CN112477669B - 一种充电模块输出关键器件故障自识别保护方法 - Google Patents

一种充电模块输出关键器件故障自识别保护方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种充电模块输出关键器件故障自识别保护方法，通过充电模块主动使能模块内部输出的泄放电路，当泄放电路工作后，实时检测输出逆止二极管内侧的输出电压，通过检测到的输出电压下降斜率，精确识别泄放电路是否发生故障断路，同时也能识别出输出逆止二极管是否出现短路直通。本发明提出的多次判断检测输出电压进行判断，极大的降低了误判风险，避免了充电模块输出关键器件故障带来的安全隐患。

Description

一种充电模块输出关键器件故障自识别保护方法
技术领域
本发明涉及高频数字电源领域，尤其涉及一种充电模块输出关键器件故障自识别保护方法。
背景技术
随着电动汽车行业的快速发展，电动汽车的充电设施也越来越趋于标准化、统一化。目前电动汽车充电电压基本采用几百伏甚至上千伏的直流电压，远远高于安全电压。为了保证电动汽车充电的安全性、充电电压的可控性，一般会在充电设施中输出电压两端增加泄放电路，在充电过程中能迅速的控制输出电压，在充电结束后能将输出电压迅速降到安全电压范围内，以保证充电安全；同时为了防止模块内部输出短路造成电动汽车电池端短路，在充电模块输出侧增加了逆止二极管，极大的提升了电动汽车充电的安全性。
输出泄放电路和输出逆止二极管对于电动汽车充电来说至关重要，输出泄放电路发生故障，在充电结束后充电电压没法迅速下降到安全电压，这会给现场维护和充电人员带来极大的安全隐患；输出逆止二极管故障后，一旦充电模块再发生内部短路故障，该模块无法立即脱离充电，导致电动汽车电池端短路，这将给电动汽车带来更大的安全隐患。在充电设施中，泄放电路一般设计在充电模块中，每个充电模块都有单独的泄放电路。如图1所示，充电模块的泄放电路由泄放电阻Rs和泄放开关管Qs组成，通常设计在逆止二极管的前端，用于泄放输出母线电容Cout中残留虚电压。所以每台充电模块的泄放电路都有失效的风险，一旦泄放电路出现失效，基本都是Rs+Qs泄放通路出现断路，这样导致Cout上的残留虚电压无法及时泄放到安全电压。同时在充电系统中，由于所有的充电模块都是并联工作模式，当有一台充电模块出现泄放故障后，Cout上的残留虚电压会经过逆止二极管传到输出总线上，直接将输出母线的电压抬升到残留电压。这给充电系统故障也排查照成了很大的困扰。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种充电模块输出关键器件故障自识别保护方法，通过充电模块自检识别，主动使能模块内部的输出泄放电路，在泄放电路使能工作的过程中，通过实时检测逆止二极管前端的输出母线电容上的残余电压Vo+，得到该输出母线电容上的残余电压的下降斜率，与泄放电路正常工作时的残余电压的下降斜率进行比较，精准识别定位充电模块输出关键器件故障。同时，当充电模块识别出单次故障后，上报故障告警并且闪灯提示故障模块，随后智能退出本次充电，消除输出关键器件故障带来的风险，以及提高充电系统故障排查的便捷度。
充电模块在识别到单次泄放故障后，模块内部的泄放电路仍持续工作一段安全时间Tsafe(该安全时间确定需要考虑高温下，在输出最高电压并且逆止二极管短路的情况下，泄放电路所能工作的安全时间)，在安全时间Tsafe内充电模块多次识别输出母线残余电压Vo+的下降斜率，最终确认输出关键器件是否故障，当确认输出关键器件故障后将故障告警保存到EEPROM中，下次上电模块不需要重新判断泄放故障而自动进入保护，直到充电模块被修复故障后，EEPROM信息复位。
如图2所示：充电模块为三相电输入，通道AC/DC功率校正电路，将输入三相交流转换成三电平直流输出Vbus+/0V/Vbus-；然后通过DC/DC隔离变压电路，转化成需求的输出直流电压Vo+，再通过逆止二极管Dr输出到充电直流母线中。
可以利用充电模块关机泄放电路工作的过程，加入输出关键器件故障检测自识别。在充电模块关机后需要保证1s内将模块端口的输出电压降到安全电压范围内，所以增加了泄放电路Rs+Qs，泄放电路能及时泄放输出母线电容Cout中的残留虚电压，保证充电系统的输出电压安全可控。
当泄放电路Rs+Qs发生故障断路，或者输出逆止二极管发生短路故障，此时模块可通过检测输出母线电容上的残余电压Vo+下降斜率来判断模块是否出现该故障。一旦模块判断出现输出关键器件故障后，并且多次判断输出电压下降斜率仍识别到故障，此时模块将保存故障状态，并将故障状态上传给监控，同时通过显示灯的方式提示充电系统维护人员。该故障模块将一直保存，即使模块断电也不会消除，在故障存在的阶段，该模块不会执行任何的开机指令，直到专业的维护人员修复消除故障。
附图说明
图1 是现有的电动汽车充电示意图；
图2 是充电模块输出电路示意图；
图3是根据本发明的输出关键器件故障自识别保护具体流程图。
具体实施方式
为了实现本发明的技术方案，让更多的工程技术工作者容易了解和应用本发明，将结合具体实施例，进一步阐述如何实现输出关键器件故障的自识别保护策略。
本发明在充电模块进行输出关键器件自检或者充电模块关机阶段，主动使能泄放电路工作的过程中，通过实时检测逆止二极管前端的输出母线电容上的残余电压Vo+，得到该输出残余电压的下降斜率，与泄放电路正常工作时的残余电压的下降斜率进行比较，对泄放电路故障进行自动识别。当充电模块识别到单次输出电压下降斜率泄放故障后，模块会进入自保护，上报故障告警并且闪灯提示故障模块。当模块多次判断输出电压下降斜率仍识别到故障后，将故障告警保存到EEPROM中，下次上电模块也能自动进入保护，不需要重新判断泄放故障。直到模块修复泄放故障后，将EEPROM信息复位。
本发明执行流程如下：
（1）流程开始；
（2）充电模块接收到充电控制系统的关机指令，充电模块由充电输出电压电流状态转换为关机状态；
（3）充电模块关闭AC/DC和DC/DC两侧开关管的发波驱动；
（4）泄放电路开始工作，泄放开关管Qs闭合，将输出电容Cout中的残留虚电压泄放；
（5）泄放电路工作后，延时ts时间；（ts延迟时间可根据实际泄放电路和输出电容的参数设定，可设计为1s）；
（6）每隔10ms向下执行一次；（判断周期不仅限于10ms，可设计判断周期）；
（7）判断逆止二极管前端的输出母线电容上的残余电压Vo+是否已低于安全电压Vsafe，或者输出电压下降斜率△V大于设定的输出下降电压值Vset。（Vsafe根据实际的应用场景进行设置；输出电压下降斜率△V，为泄放前的输出电压到泄放工作ts时间后输出电压的差值；设置值Vset可根据实际泄放电路、输出电容Cout、输出电压进行设定）；
（8）当输出电压Vo+大于等于安全电压Vsafe，并且输出电压的下降斜率△V小于等于设定值Vset，这时判断泄放电路故障，充电模块上传故障告警，并且面板指示灯闪烁；
（9）每隔故障计数ErrCnt加1；
（10-11）判断故障计数ErrCnt，当故障计数大于100次时，将故障告警保存在EEPROM中，掉电保存故障告警，后续模块上电自保护，不响应开机指令；当判断计数小于100次时，重新执行流程（6）每隔10ms再重新判断泄放故障（可设置故障计数判断次数，可设计为100次）；
（12）当输出电压Vo+下降到Vsafe，或者下降斜率△V大于下降斜率设定值Vset，则判断泄放电路工作正常；
（13）将泄放电路关断；
（14）流程结束。
本发明提出的一种充电模块输出关键器件故障自识别保护策略，通过检测泄放电路工作后，逆止二极管内侧的输出电压的下降斜率，精确识别泄放电路是否发生故障断路或者输出逆止二极管发生故障短路。当模块多次判断输出电压下降斜率仍识别到故障，当识别的故障计数达到设定值时，将泄放故障保存到EEPROM中，后续充电模块将进入泄放故障自保护状态，极大的降低了泄放故障带来的安全隐患。本发明适用于所有包含泄放电路的电源模块，通过软硬件结合的方式解决由于泄放故障导致的安全风险。
上述实施方式仅是示例性的示出本发明，并不企图限制本发明。另外对于没有详细描述的步骤属于本领域技术人员熟知的技术内容。对于涵盖在本发明构思内的相应的变换和更改均在本发明范围内。

Claims (3)

1.一种充电模块输出关键器件故障自识别保护方法，所述方法包括：通过充电模块自检识别，主动使能模块内部的输出泄放电路，在输出泄放电路使能工作的过程中，通过实时检测输出逆止二极管前端的输出母线电容上的残余电压Vo+，得到该输出母线电容上的残余电压Vo+的下降斜率，与输出泄放电路正常工作时的残余电压的下降斜率进行比较，对输出泄放电路故障断路和输出逆止二极管短路进行自动识别；当充电模块单次识别到输出母线电容上的残余电压Vo+的下降斜率小于输出泄放电路正常工作时的残余电压的下降斜率时，即判断到输出关键器件故障后，充电模块进入自保护，上报故障告警并且闪灯提示故障模块；此时输出泄放电路仍持续工作一段安全时间Tsafe，在安全时间Tsafe内充电模块多次识别输出母线电容上的残余电压Vo+的下降斜率，最终确认输出关键器件是否故障，当确认输出关键器件故障后将故障告警保存到EEPROM中，下次上电模块不需要重新判断输出泄放电路故障而自动进入保护，直到充电模块被修复故障后，EEPROM信息复位，其中，安全时间Tsafe为确定需要考虑高温下，在输出最高电压并且输出逆止二极管短路的情况下，输出泄放电路所能工作的安全时间，具体步骤包括：
（1）流程开始；
（2）充电模块接收到充电控制系统的关机指令，充电模块由充电输出电压电流状态转换为关机状态；
（3）充电模块关闭AC/DC和DC/DC两侧开关管的发波驱动；
（4）输出泄放电路开始工作，泄放开关管Qs闭合，将输出电容Cout中的输出母线电容上的残余电压Vo+泄放；
（5）输出泄放电路工作后，延时ts时间；
（6）每隔一个判断周期向下执行一次；
（7）判断输出逆止二极管前端的输出母线电容上的残余电压Vo+是否已低于安全电压Vsafe，或者输出母线电容上的残余电压Vo+的下降斜率△V大于设定的输出下降电压值Vset；
（8）当输出母线电容上的残余电压Vo+大于等于安全电压Vsafe，并且输出母线电容上的残余电压Vo+的下降斜率△V小于等于设定的输出下降电压值Vset，这时判断充电模块输出关键器件单次故障，充电模块上传故障告警，并且面板指示灯闪烁；
（9）故障计数ErrCnt加1；
（10）在安全时间Tsafe内，判断故障计数ErrCnt，当故障计数大于设定的故障计数判断次数时，将故障告警保存在EEPROM中，掉电保存故障告警，后续充电模块上电自保护，不响应开机指令；
（11）当判断故障计数小于设定的故障计数判断次数时，重新执行流程（6）每隔判断周期再重新判断充电模块输出关键器件故障；
（12）当输出母线电容上的残余电压Vo+下降到安全电压Vsafe，或者输出母线电容上的残余电压Vo+的下降斜率△V大于设定的输出下降电压值Vset，则判断输出泄放电路工作正常；
（13）将输出泄放电路关断；
（14）流程结束。
2.根据权利要求1所述的充电模块输出关键器件故障自识别保护方法，其中ts时间根据实际的输出泄放电路和输出电容Cout的参数设定。
3.根据权利要求2所述的充电模块输出关键器件故障自识别保护方法，其中安全电压Vsafe根据实际的应用场景进行设置；输出母线电容上的残余电压Vo+的下降斜率△V，为泄放前的输出母线电容上的残余电压Vo+到泄放工作ts时间后输出母线电容上的残余电压Vo+的差值；设定的输出下降电压值Vset根据实际的输出泄放电路、输出电容Cout、输出母线电容上的残余电压Vo+进行设定。
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