CN112611979A - 一种接地检测电路及控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及充电桩技术领域，具体涉及一种接地检测电路及控制系统，所述接地检测电路包括第一分压电路和第一检波电路，所述第一分压电路包括串联在L线和PE线之间的电容CY1和电容C1，所述第一检波电路根据所述电容C1两端电压大小输出第一检测信号给控制器。本发明提供的一种接地检测电路，能够实时准确快速判断充电桩接地故障并及时切断交流输入以及直流输出，并且可以满足充电桩的绝缘耐压和安规要求，安全性和可靠性高。

Description

一种接地检测电路及控制系统

技术领域

本发明涉及充电桩技术领域，具体涉及一种接地检测电路及控制系统。

背景技术

随着人们环保意识的增强以及政府政策的引导，新能源电动汽车获得了广泛的发展。充电桩是电动汽车的重要基础支撑，是实现电动汽车产业化和推广普及的关键条件之一，相应地，充电桩的安全性和可靠性也备受关注。随着充电桩长时间的工作，往往会出现电缆橡胶和热塑性材料耐老化性降低，甚至出现绝缘层剥落等情况，如果充电桩的接地线处于悬空状态，而此时无法检测到接地故障并切断交流输入和输出就会损坏用电设备，还可能危害人身安全。

现有技术中，部分接地检测方案存在不满足安规风险的问题，部分接地检测方案采用各种接地检测仪器，存在造价较高、操作不便、功能单一等问题，还有的接地检测方案利用电阻分压以及光耦隔离等技术，存在不满足安规耐压要求、抗干扰能力弱等问题。

因此，为了解决现有的充电桩接地故障检测技术方案不完善的问题，需要新的接地检测和控制技术，提高充电桩的安全性和可靠性。

发明内容

本发明为解决现有技术中充电桩接地检测安全性和可靠性较差的技术问题，提供一种接地检测电路及控制系统，安全性高且检测速度快、可靠性高。

本发明采用的技术方案：

一种接地检测电路，包括：

第一分压电路，所述第一分压电路包括串联在L线和PE线之间的电容CY1和电容C1；

第一检波电路，所述第一检波电路根据所述电容C1两端电压大小输出第一检测信号给控制器。

进一步地，所述电容CY1为安规电容。

进一步地，所述第一检波电路包括三极管Q1，所述三极管Q1的基极与所述电容C1的第一端连接，所述三极管Q1的发射极与所述电容C1的第二端连接且与PE线、GND端连接，所述三极管Q1的集电极经上拉电阻R4与电源VCC1连接，所述三极管Q1的集电极与控制器连接以输出第一检测信号。

进一步地，所述第一检波电路还包括稳压管ZD1，所述稳压管ZD1的阳极与所述三极管Q1的基极连接，所述稳压管ZD1的阴极与所述电容C1的第一端连接。

进一步地，所述第一检波电路还包括二极管D1，所述二极管D1的阳极与GND端连接，所述二极管D1的阴极与所述电容C1的第一端连接。

进一步地，所述接地检测电路还包括第一滤波电路，所述第一滤波电路连接在所述第一检波电路和控制器之间，用于对所述第一检测信号进行滤波。

进一步地，所述接地检测电路还包括第一电平转换电路，所述第一电平转换电路连接在所述第一检波电路和控制器之间，用于将滤波后的所述第一检测信号进行电平翻转。

进一步地，所述第一电平转换电路包括MOS管Q2，所述MOS管Q2的栅极与三极管Q1的集电极连接，所述MOS管Q2的漏极经电阻R8与电源VCC2连接，所述MOS管Q2的源极与GND端连接。

进一步地，所述接地检测电路还包括：

第二分压电路，所述第二分压电路包括串联在N线和PE线之间的电容CY2和电容C2；

第二检波电路，所述第二检波电路根据所述电容C2两端电压大小输出第二检测信号给控制器。

进一步地，所述控制器还与交流输入继电器和直流输出继电器电性连接，所述控制器根据所述第一检测信号和/或第二检测信号断开所述交流输入继电器和直流输出继电器。

本发明的另一方面，公开了一种控制系统，包括如上述任意一项所述的接地检测电路，还包括：

电源微处理器，所述电源微处理器根据所述控制器输出的关闭信号控制电源模块关闭；

上位机，所述上位机根据控制器发送的警示信号提醒用户发生接地故障。

本发明的技术方案与现有技术相比，存在以下有益效果：

(1)本发明的接地检测电路在L线和PE线之间串联Y电容进行分压，可以满足充电桩的绝缘耐压要求，并且可以满足相关安全标准规定的地线允许泄漏值，使得本实施例的接地检测电路安全性和可靠性较高；

(2)本发明通过调整稳压管ZD1的稳压值，使得输入电压在不同电压值时，该接地检测电路均能检测出PE线是否可靠接地，并且由于第一检测信号的频率和输入电压频率相同，根据第一检测信号的波形可以判断输入电压频率是否在需求范围内；

(3)本发明设置第一接地检测电路和第二接地检测电路对L线和N线同时进行检测，有效地避免了L线和N线反接造成接地检测电路误判或者失效的问题，容错率高；

(4)本发明的控制器通过判断固定周期T内接收的检测信号是否有脉冲的方式判断接地是否正常，与传统的高低电平信号相比，检测速度快，可更快地断开充电桩的供电回路，保障设备和人身安全；

(5)本发明的控制系统直接控制交流输入继电器和充电桩直流输出继电器的关断，可以快速切断交流电网和用电设备的连接，同时可快速关闭充电桩的电源模块，安全性和可靠性高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例一的接地检测电路的原理图；

图2为本发明实施例一的接地检测电路的结构图；

图3为本发明实施例二的第二接地检测电路的结构图；

图4为本发明实施例二的控制器的连接示意图；

图5为本发明实施例三的控制系统的原理图。

具体实施方式

本发明的目的是针对现有充电桩接地故障检测不完善的技术问题，提供一种能够实时准确快速判断充电桩接地故障并及时切断交流输入以及直流输出的充电桩实时接地检测电路和控制系统。下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

实施例一：

如图1-2所示，本实施例的接地检测电路包括第一分压电路和第一检波电路，第一分压电路包括串联在L线和PE线之间的电容CY1和电容C1，第一检波电路根据电容C1两端电压大小输出第一检测信号给控制器，具体地，如图2所示，电容CY1的第一端与L线即单相电连接，电容CY1的第二端与电容C1的第一端连接，电容C1的第二端与PE线即接地线连接。

这样，形成电容分压电路，电容CY1和电容C1对单相电分压，第一检波电路对电容C1两端电压进行检测同时输出第一检测信号给控制器，控制器根据检测到的电压信号判断是否发生接地故障，即判断PE线是否正常接入大地。具体地，如果PE线接地正常，那么电容C1的两端便分压得到某一电压，第一滤波电路输出给控制器的第一检测电压具有特定的波形，控制器根据该电压波形判断PE线正常接地；而如果PE线未正常接地，如处于悬空状态，那么电容C1两端无电压，第一滤波电路输出给控制器的第一检测电压始终为0或者为一恒定值，控制器判断PE线未正常接地。

本实施例的接地检测电路采用电容CY1和电容C1分压，电容的耐压值很高，电容CY1优选为安规电容，如Y电容，其耐压值很高可达几千伏，可以满足充电桩的绝缘耐压要求，并且可以满足相关安全标准规定的地线允许泄漏值，如此使得本实施例的接地检测电路安全性和可靠性较高。当然，电容C1也可以采用Y电容。

如图2所示，本实施例的第一检波电路包括三极管Q1，三极管Q1的基极与电容C1的第一端连接，三极管Q1的发射极与电容C1的第二端连接并且同时与GND端连接，三极管Q1的集电极经上拉电阻R4与电源VCC1连接，三极管Q1的集电极与控制器连接以直接或间接输出第一检测信号。这样，在PE线正常接地后，L线电压对电容C1不停地进行充放电，三极管Q1在不停地重复导通-关断-导通，当电容C1两端电压使得三极管Q1导通时，三极管Q1的集电极接GND端，输出给控制器的第一检测信号为低电平，当电容C1两端电压使得三极管Q1关断时，三极管Q1的集电极接电源VCC1，此时输出给控制器的第一检测信号为高电平，在单相电的一个周期内，三极管Q1的集电极也会输出一个与单相电对应的具有一定占空比的波形；而在PE线悬空时，三极管Q1的集电极始终输出为高电平；控制器便可根据检测到的第一检测信号来判断PE线是否正常接地。

进一步地，三极管Q1的基极和发射极之间还连接有电阻R1，在PE线未正常接地时，使得三极管Q1的基极保持为低电平，防止悬空。进一步地，三极管Q1的基极和发射极之间还连接有电容C5，用于滤波，以提升抗干扰能力。

优选地，如图2所示，本实施例的第一检波电路还包括稳压管ZD1，稳压管ZD1的阳极与三极管Q1的基极连接，稳压管ZD1的阴极与电容C1的第一端连接，这样，在电容C1充电过程中，电容C1两端的电压逐渐增大，稳压管ZD1可以钳位使得三极管Q1的基极电压稳定在某一特定值如开启电压，可对三极管Q1进行保护。并且，通过调整稳压管ZD1的稳压值，可以设置三极管Q1在输入电压即单相电的某个时刻导通，这样就可以通过对稳压管ZD1稳压值的设置，使得输入电压在不同电压值时，该接地检测电路均能检测出PE线是否可靠接地，并且由于第一检测信号的频率和输入电压频率相同，根据第一检测信号的波形可以判断输入电压频率是否在需求范围内。

进一步地，本实施例的第一检波电路还包括二极管D1，二极管D1的阳极与GND端连接，二极管D1的阴极与电容C1的第一端连接，这样，在输入电压的负半周期，电容C1先放电然后反向充电，三极管Q1的基极与发射极之间的反向电压逐渐增大，通过二极管D1可以将该电压钳位，对三极管Q1进行保护。

优选地，如图2所示，本实施例的接地检测电路还包括第一滤波电路，第一滤波电路连接在第一检波电路和控制器之间，用于对第一检测信号进行滤波，具体地，该第一检波电路包括电容C4、电阻R6和电容C3，电容C4和电阻R6的第一端均与三极管Q1的集电极连接，电容C4的第二端与GND端连接，电阻R6的第二端与电容C3的第一端连接，电容C3的第二端与GND端连接，形成为Π形滤波电路，可对第一检波电路输出的第一检测信号进行滤波，将电阻R6的第二端与控制器连接，将滤波后的第一检测信号输出给控制器，使得输出的第一检测信号的波形更加平滑，检测结果更加准确。

优选地，本实施例的接地检测电路还包括第一电平转换电路，第一电平转换电路连接在第一检波电路和控制器之间，用于将上述经第一滤波电路滤波后的第一检测信号进行电平翻转，电平翻转后的第一检测信号接地信号JD1，输出给控制器，具体地，第一电平转换电路包括MOS管Q2，MOS管Q2的栅极经电阻R6与三极管Q1的集电极连接，MOS管Q2的漏极经电阻R8与电源VCC2连接，MOS管Q2的源极与GND端连接。当L线的输入电压在正半周期时，电容C1充电至某一时刻使三极管Q1导通，三极管Q1的集电极被下拉为低电平，此时MOS管Q2关断，接地信号JD1为高电平；当输入电压在负半周期时，三极管Q1始终保持关断，三极管Q1的集电极始终为高电平，此时MOS管Q1导通，接地信号JD1始终为低电平。由此可见，接地信号JD1的高电平便是在输入电压的正半周期内出现，与输入电压的正半周期相对应，并且设置电源VCC2的电压为3.3V，使得输入控制器的接地信号JD1满足控制器的输入电压要求。

进一步地，第一电平转换电路还包括电阻R7和电容C9，电阻R7连接在MOS管Q2的栅极与源极之间，用于防止栅极电位悬空，电容C9连接在MOS管Q2的漏极与GND端之间，用于对接地信号JD1进一步滤波，提升抗干扰能力。

此外，本实施例的控制器还与交流输入继电器和直流输出继电器电性连接，控制器根据接收到的检测信号在判断PE线接地不正常时可以立即控制交流输入继电器和直流输出继电器断开，确保用电设备和人身安全。

综上所述，本实施例的接地检测电路，能够实时准确快速判断充电桩接地故障并及时切断交流输入以及直流输出，并且可以满足充电桩的绝缘耐压和安规要求，安全性和可靠性较高。

实施例二：

本实施例的接地检测电路包括第一接地检测电路和第二接地检测电路，其中，第一接地检测电路为实施例一的接地检测电路，第二接地检测电路的电路结构基本和第一接地检测电路相同，区别在于第一接地检测电路是通过电容对L线和PE线分压，输出接地信号JD1，第二接地检测电路是通过电容对N线和PE线分压，输出接地信号JD2。本实施例通过两个接地检测电路进行接地检测，将接地信号JD1和接地信号JD2分别输出给控制器，控制器根据检测到的接地信号JD1和接地信号JD2的波形判断PE线是否接地正常，同时还能判断L线和N线是否反接。

具体地，如图3所示，第二接地检测电路包括第二分压电路和第二检波电路，第二分压电路包括串联在N线和PE线之间的电容CY2和电容C2，电容CY2和/或电容C2优选为安规电容，第二检波电路根据电容C2两端电压大小输出第二检测信号给控制器。具体地，如图3所示，电容CY2的第一端与N线连接，电容CY2的第二端与电容C2的第一端连接，电容C2的第二端与PE线即接地线连接。

进一步地，第二检波电路还包括三极管Q3、稳压管ZD2、二极管D2以及电阻R2和电容C10，这些元件的连接方式均和第一检波电路相同。进一步地，第二接地检测电路还包括第二滤波电路和第二电平转换电路，两者连接方式和第一接地检测电路相同，最终由第二电平转换电路输出接地信号JD2。

如图4所示，接地信号JD1和接地信号JD2分别送至控制器的CAP1口和CAP1口。当PE线正常接地时，在第一接地检测电路中，电容CY1和电容C1串联L线和PE线回路，电容C1分压经过第一检波电路、第一滤波电路和第一电平翻转电路后得到的接地信号JD1为同L线的交流输入电压信号同频率，占空比约50％的脉冲信号。在第二接地检测电路中，由于N和PE基本同电位，所以接地信号JD2为低电平，无脉冲。

当PE线悬空时，电容CY1、电容C1、电容C2以及电容CY2串联L线和N线回路，接地信号JD1和接地信号JD2均为同AC输入电压信号同频率、占空比约50％的脉冲信号。

由于充电桩在布线过程中,接线人员有时会把充电桩进线的L线和N线接反，如果此时PE线接地正常，那么第一接地检测电路输出的接地信号JD1为低电平，无脉冲，第二接地检测电路输出的接地信号JD2为同交流输入电压信号同频率、占空比约50％的脉冲信号。

那么，在本实施例中，控制器就可以通过检测在固定周期T内接地信号JD1和接地信号JD2是否有脉冲信号来判定是否存在接地故障并且可判定L线和N线是否接反，具体判断过程如下：如果接地信号JD1为同交流输入电压信号同频率、占空比约50％的脉冲信号，JD2为低电平，无脉冲信号，则判定为PE线正常接地，且L线和N线未接反；如果接地信号JD1和接地信号JD2均为同交流输入电压信号同频率、占空比约50％的脉冲信号，则判定PE线悬空；如果接地信号JD1为低电平，无脉冲信号，接地信号JD2为同交流输入电压信号同频率、占空比约50％的脉冲信号，则可判定L线和N线接反即L线接到N，N线接到L，并且可判定PE线正常接地。

如果仅采用第一接地检测电路，那么在L线和N线接反时，会发生误判，而本实施例设置第一接地检测电路和第二接地检测电路对L线和N线同时进行检测，有效地避免了L线和N线反接造成接地检测电路误判或者失效的问题，容错率高。

进一步地，控制器与交流输入继电器和直流输出继电器电性连接，如果判断接地故障或L线和N线接反，控制器立即切断交流输入继电器及直流输出继电器。本实施例的控制器通过判断固定周期T内接地信号是否有脉冲的方式判断接地是否正常，与传统的高低电平信号相比，检测速度快，可更快地断开充电桩的供电回路，保障设备和人身安全。

综上所述，本实施例提供的接地检测电路，可以有效判断PE线接地是否正常，同时还能判断L线和N线是否反接，并且检测速度快，可更快地断开充电桩的供电回路，保障设备和人身安全。

实施例三：

如图5所示，本实施例提供一种控制系统，本实施例的控制系统包括实施例二的接地检测电路，还包括电源微处理器和上位机，电源微处理器根据控制器输出的关闭信号控制电源模块关闭，上位机根据控制器发送的警示信号提醒用户发生接地故障。

在控制器判断接地故障或L线和N线接反后，控制器立即切断交流输入继电器及直流输出继电器，并通过通信通知电源微处理器关闭充电桩的电源模块，同时通过无线网络发送警示信息到上位机提醒用户发生接地故障或L线和N线反接。

综上所述，本实施例的控制系统直接控制交流输入继电器和充电桩直流输出继电器的关断，可以快速切断交流电网和用电设备的连接，同时快速关闭充电桩的电源模块，安全性和可靠性高。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的电路、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上的实施例仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (11)

1.一种接地检测电路，其特征在于，包括：

第一分压电路，所述第一分压电路包括串联在L线和PE线之间的电容CY1和电容C1；

第一检波电路，所述第一检波电路根据所述电容C1两端电压大小输出第一检测信号给控制器。

2.根据权利要求1所述的接地检测电路，其特征在于，所述电容CY1为安规电容。

3.根据权利要求1所述的接地检测电路，其特征在于，所述第一检波电路包括三极管Q1，所述三极管Q1的基极与所述电容C1的第一端连接，所述三极管Q1的发射极与所述电容C1的第二端连接且与PE线、GND端连接，所述三极管Q1的集电极经上拉电阻R4与电源VCC1连接，所述三极管Q1的集电极与控制器连接以输出第一检测信号。

4.根据权利要求3所述的接地检测电路，其特征在于，所述第一检波电路还包括稳压管ZD1，所述稳压管ZD1的阳极与所述三极管Q1的基极连接，所述稳压管ZD1的阴极与所述电容C1的第一端连接。

5.根据权利要求4所述的接地检测电路，其特征在于，所述第一检波电路还包括二极管D1，所述二极管D1的阳极与GND端连接，所述二极管D1的阴极与所述电容C1的第一端连接。

6.根据权利要求1所述的接地检测电路，其特征在于，所述接地检测电路还包括第一滤波电路，所述第一滤波电路连接在所述第一检波电路和控制器之间，用于对所述第一检测信号进行滤波。

7.根据权利要求6所述的接地检测电路，其特征在于，所述接地检测电路还包括第一电平转换电路，所述第一电平转换电路连接在所述第一检波电路和控制器之间，用于将滤波后的所述第一检测信号进行电平翻转。

8.根据权利要求7所述的接地检测电路，其特征在于，所述第一电平转换电路包括MOS管Q2，所述MOS管Q2的栅极与三极管Q1的集电极连接，所述MOS管Q2的漏极经电阻R8与电源VCC2连接，所述MOS管Q2的源极与GND端连接。

9.根据权利要求1所述的接地检测电路，其特征在于，所述接地检测电路还包括：

第二分压电路，所述第二分压电路包括串联在N线和PE线之间的电容CY2和电容C2；

第二检波电路，所述第二检波电路根据所述电容C2两端电压大小输出第二检测信号给控制器。

10.根据权利要求9所述的接地检测电路，其特征在于，所述控制器还与交流输入继电器和直流输出继电器电性连接，所述控制器根据所述第一检测信号和/或第二检测信号断开所述交流输入继电器和直流输出继电器。

11.一种控制系统，其特征在于，包括如权利要求1-10任意一项所述的接地检测电路，还包括：

电源微处理器，所述电源微处理器根据所述控制器输出的关闭信号控制电源模块关闭；

上位机，所述上位机根据控制器发送的警示信号提醒用户发生接地故障。

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