CN113013859B - 一种改进的直流充电机急停和泄放控制电路及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种改进的直流充电机急停和泄放控制电路及控制方法，改进后的直流充电机急停和泄放控制电路去掉了现有电路中的一组3个价格昂贵的主继电器，通过合理的控制策略实现降低待机损耗、急停保护、启动预充等功能。另外，母线电压泄放回路通过急停按钮控制，确保急停关闭下母线电压快速下降，保证人身安全。新增加的小继电器以及光耦、电阻、小信号MOS等器件，总体成本降低，所占PCB的空间也减小，有利于缩小充电器的体积。

Description

一种改进的直流充电机急停和泄放控制电路及控制方法

技术领域

本发明涉及电动汽车技术领域的直流充电机，具体涉及直流充电机的急停和泄放控制。

背景技术

目前，电动汽车的发展越来越普遍，随着国家政策的支持，各地都开始了充电设施的建设。针对充电桩等设备，为了在发生紧急情况的时候可以保护用户的安全，都会设置急停按钮。在充电服务结束或遇到系统故障停止充电时，由于其电源模块内输出电容仍存在一定的残余高压，为确保充电操作人员的操作安全，需按规定的时间1S 内快速地将输出电容的残压释放至安全电压。另外，直流充电桩系统对待机功耗都有要求，一般要求待机下的功率损耗要小于10W。

通常的直流充电桩系统架构如图1所示。图中，S1为急停开关，用于急停时断开模块的三相AC输入，RY1-RY3为模块端的主继电器，R1-R3为防浪涌电阻，在输出电容处加泄放回路，用于在模块关机后快速将输出电压放电至60V安全电压以下，该泄放回路由模块DSP控制。

该电路控制原理如下：

1.在待机模式下，为减小待机损耗，手动将急停开关S1断开，断开RYA-RYC继电器控制线包供电，继电器断开，这样输入三相AC电彻底和模块断开，待机损耗仅为系统端的控制电路工作，该损耗较小，可以满足小于10w的要求。

2.在模块正常充电模式下，急停开关S1接通，让系统端主继电器RYA、RYB、RYC吸合，输入三相AC电通过防浪涌电阻后经过PFC二极管给直流母线充电，辅助电源工作（此时RY1-RY3主继电器未吸合），等到辅助电源完全建立，DSP会发Relay_Ctrl高电平拉低Q1的D极，主继电器RY1-RY3吸合，模块正式启动PFC以及后级的DC/DC，给电池充电。

3.当需要急停功能时，手动将急停开关S1断开，RYA-RYC主继电器断开，即完全切断模块端的输入AC供电实现急停功能。

4.每次当模块关机时，模块内部DSP控制输出泄放回路，使输出电容电压快速下降到60V以下，防止操作人员误接触到输出端子。

通过以上分析，该急停及泄放电路有两个问题：一是在模块工作时，实际上系统端和模块端的两组主继电器是串联的，理论上只要一组继电器就可以，不需要两组继电器，造成浪费。二是通常模块的泄放回路是放在输出电容处，当模块关机时可以保护人员误接触到输出端子造成的危险，但在一些其他情况下，比如模块外壳打开后操作人员现场检修时，当按急停关闭模块后，输出电容电压可以快速下降，但是中间直流母线上面的高压并没有快速下降，只能等VBUS电压消耗辅助电源自然下降到安全电压，这个时间可能需要几十秒，在此期间操作人员容易误触到和母线高压相连接部分造成危险。

发明内容

针对上述问题一需要两组功率继电器的问题，本发明通过优化预充控制线路，配合急停控制，实现急停、启动预充和减小待机损耗的功能。针对上述问题二在外壳打开等情况下，母线电容残压的问题，本发明通过增加母线电压泄放回路，在急停按钮关闭模块的同时开启电压泄放回路，这样确保人生安全。

本发明实施例提供了一种改进的直流充电机急停和泄放控制电路，其特征在于包括急停开关S1、MOS开关管Q1~Q3、电阻R1~R3，电阻R1~R3分别串联继电器RY1A~RY3A后与直流充电机三相交流母线上的主继电器RY1~ RY3分别并联；主继电器RY1~ RY3得、失电由MOS开关管Q1控制，继电器RY1A~RY3A得、失电由MOS开关管Q3控制；MOS开关管Q1的栅极经电阻R6连接延迟控制信号，MOS开关管Q3的栅极连接预充控制信号；所述急停开关S1包括端口1和端口2，所述端口1连接系统电源VCAN，端口2通过电阻R4、光耦K1连接至MOS开关管Q2的栅极，MOS开关管Q2的栅极还经电阻R5连接辅助电源VCC，MOS开关管Q2的漏极连接MOS开关管Q1的栅极；MOS开关管Q1、Q2的源极连接信号地SGND，MOS开关管Q3的源极连接系统地CAN_GND。

优选地，所述改进的直流充电机急停和泄放控制电路还包括并联在直线充电机PFC母线电容两端的母线电容泄放电路，所述母线电容泄放电路包括串联的继电器RYB和电阻R7；所述急停开关S1还包括端口3，继电器RYB的控制线包的一端连接所述端口3，继电器RYB的控制线包的另一端连接系统地CAN_GND。

本发明实施例提供了所述改进的直流充电机急停和泄放控制电路的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

待机模式控制：置预充控制信号为低电平，操作急停开关S1使端口1和端口2断开，MOS开关管Q3断开，继电器RY1A~RY3A断开，光耦K1原边断开，副边断开，若此时辅助电源VCC正常供电，则MOS开关管Q2导通，关断MOS开关管Q1，主继电器RY1~RY3断开，确保三相电不会通过电阻R1~R3进入PFC主功率，当交流输入断电后母线电压降为0，辅助源VCC也降为0；

充电模式控制：操作急停开关S1使端口1和端口2连接，置预充控制信号为高电平，MOS开关管Q3导通，继电器RY1A~RY3A吸合，三相电通过电阻R1~R3给PFC母线电容充电；辅助电源VCC正常供电，DSP完成初始化后，置延迟控制信号Relay_Ctrl为高电平，MOS开关管Q1导通，拉低MOS开关管Q1的D极电位到信号地SGND，主继电器RY1~RY3吸合，启动PFC以及后级DC/DC，给电池充电；主继电器RY1~RY3吸合后，置预充控制信号为低电平， MOS开关管Q3断开，继电器RY1A~RY3A控制线包供电回路被切断，继电器RY1A~RY3A全部断开，输入交流通过主继电器RY1~RY3持续供电。

本发明有益效果：

和传统的直流充电机急停和泄放控制电路相比，本发明改进后的电路去掉了一组3个价格昂贵的主继电器，通过合理的控制策略实现降低待机损耗、急停保护、启动预充等功能。在本发明一实施例中，增加了母线电压泄放回路，将传统直流充电机急停和泄放控制电路中的急停开关由单刀单掷改进为单刀双掷，除了实现直流充电机急停保护、启动预充控制外，还实现了对母线电压泄放回路的控制，确保急停关闭下母线电压快速下降，保证人生安全。本发明直流充电机急停和泄放控制电路采用的小继电器以及光耦、电阻、小信号MOS等器件，总体成本降低，所占PCB的空间也减小，有利于缩小充电器的体积。

附图说明

图1：现有技术直流充电机急停和泄放控制电路连接示意图；

图2：本发明直流充电机急停和泄放控制电路连接示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例及附图，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

本实施例提供一种改进的直流充电机急停和泄放控制电路，其电路连接示意图如图2所示。改进的直流充电机急停和泄放控制电路在图1现有技术的电路结构基础上，去掉了系统端（此处系统端指直流充电机的控制系统）的3个主继电器，在模块端（此处模块端指直流充电机）增加了3个和预充电阻串联的小继电器RY1A-RY3A，其控制由系统端的MOS开关管Q3控制。同时急停控制也改为系统端通过光耦控制，通过光耦实现高压输入与系统端的安规加强绝缘，RY1A-RY3A不再需要选用满足加强绝缘的继电器，降低了继电器成本和选型的难度。

具体地，电阻R1~R3分别串联继电器RY1A~RY3A后与直流充电机三相交流母线上的主继电器RY1~ RY3分别并联。主继电器RY1~ RY3得、失电由MOS开关管Q1控制，继电器RY1A~RY3A得、失电由MOS开关管Q3控制。MOS开关管Q1的栅极经电阻R6连接延迟控制信号，MOS开关管Q3的栅极连接预充控制信号。急停开关S1包括端口1和端口2，其中，端口1连接系统电源电压VCAN，端口2通过电阻R4、光耦IC1连接至MOS开关管Q2的栅极，MOS开关管Q2的漏极连接MOS开关管Q1的栅极，还经电阻R5连接辅助电源VCC，辅助源VCC从母线电压取电。MOS开关管Q2的漏极连接MOS开关管Q1的栅极。MOS开关管Q1、Q2的源极连接信号地SGND，MOS开关管Q3的源极连接系统地CAN_GND。

为了确保急停关闭下母线电压快速下降，保证操作人员人身安全，本实施例进一步增加了母线电容泄放电路，该母线电容泄放电路也通过急停开关S1控制。相应地，急停开关S1采用单刀双掷开关实现，除了端口1和端口2，还包括端口3。定义按下接通急停按钮时端口1和端口2断开，端口1和端口3连接，断开急停按钮时端口1和端口2连接，端口1和端口3断开，控制为人工控制。母线电容泄放电路并联在直线充电机直流母线电容两端，主要由继电器RYB和电阻R7串联组成。继电器RYB得、失电由急停开关S1控制。具体地，继电器RYB的控制线包的一端连接急停开关S1的端口3，继电器RYB的控制线包的另一端连接系统地CAN_GND。

实施例二

本实施例提供改进的直流充电机急停和泄放控制电路的控制方法，包括如下步骤：

1、直流充电机待机模式控制：

系统置预充控制信号为低电平，接通急停开关S1（端口1和端口2断开），MOS开关管Q3断开。继电器RY1A~RY3A断开，确保三相电不会通过电阻R1~R3进入PFC主功率。光耦K1原边断开，副边断开，若辅助电源VCC供电正常，则MOS开关管Q2导通，关断MOS开关管Q1，主继电器RY1~RY3断开，最终辅助电源VCC因为AC断电而变为0，因此待机损耗很低。

2、直流充电机充电模式控制：

启动直流充电机时，首先断开急停开关S1（端口1和端口2连接），系统置预充控制信号为高电平，MOS开关管Q3导通，继电器RY1A~RY3A吸合，三相AC电通过预充电阻R1~R3给PFC母线电容充电，模块端辅助电源VCC工作，模块DSP完成初始化后，置延迟控制信号Relay_Ctrl为高电平，MOS开关管Q1导通，拉低MOS开关管Q1的D极电位到SGND，主继电器RY1~RY3吸合，模块正式启动PFC以及后级的DC/DC，给电池充电。

因为主继电器吸合的条件是断开急停开关S1（端口1和端口2连接）和延迟控制信号Relay_Ctrl为高电平，以及辅助电源VCC供电正常，因此主继电器不可能在辅助电源供电正常和DSP初始化前吸合，确保启动过冲电流比较小。当主继电器吸合后， 模块通知系统端，使系统置置预充控制信号为低电平，MOS开关管Q3断开，使继电器RY1A~RY3A控制线包供电回路被切断，三个预充继电器RY1A~RY3A全部断开，模块的输入交流供电完全通过3个主继电器RY1~RY3。

3、直流充电机急停模式控制：

接通急停开关S1（端口1和端口2断开），光耦原边断开，副边断开，MOS开关管Q2的驱动为高电平，Q2导通,拉低Q1的驱动，Q1断开，主继电器RY1~RY3因为控制断电而断开，切断了交流输入和模块的连接实现急停功能，辅助源VCC的输入因为是从母线电压取电，当交流输入断电后会使母线电压降低直至为0，VCC也因而降为0。

4、直流充电机检修模式控制：

按下急停按钮的同时（端口1和端口3连接）会给系统端电源VCAN与继电器RYB控制线包提供电流回路，控制RYB触点吸合将电阻R7并联在母线电容两端，通过电阻快速降低母线电压，避免操作人员误触到母线高压相连接的部分。

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 (4)

1.一种改进的直流充电机急停和泄放控制电路，其特征在于包括急停开关S1、MOS开关管Q1~Q3、电阻R1~R3、继电器RY1A、继电器RY2A、继电器RY3A，电阻R1~R3的一端分别连接继电器RY1A、继电器RY2A、继电器RY3A的触点的一端，电阻R1~R3的另一端分别连接直流充电机三相交流母线上的主继电器RY1、主继电器RY2、主继电器RY3的触点的一端，继电器RY1A、继电器RY2A、继电器RY3A的触点的另一端分别连接主继电器RY1、主继电器RY2、主继电器RY3的触点的另一端；主继电器RY1、主继电器RY2、主继电器RY3得、失电由MOS开关管Q1控制，继电器RY1A、继电器RY2A、继电器RY3A得、失电由MOS开关管Q3控制；MOS开关管Q1的栅极经电阻R6连接延迟控制信号，MOS开关管Q3的栅极连接预充控制信号；所述急停开关S1包括端口1和端口2，所述端口1连接系统电源VCAN，端口2通过电阻R4、光耦K1连接至MOS开关管Q2的栅极，MOS开关管Q2的栅极还经电阻R5连接辅助电源VCC，MOS开关管Q2的漏极连接MOS开关管Q1的栅极；MOS开关管Q1、Q2的源极连接信号地SGND，MOS开关管Q3的源极连接系统地CAN_GND；

主继电器RY1、主继电器RY2、主继电器RY3的控制线包的一端分别连接辅助电源VCC，另一端分别连接MOS开关管Q1的漏极；

继电器RY1A、继电器RY2A、继电器RY3A的控制线包的一端分别连接系统电源VCAN，另一端分别连接MOS开关管Q3的漏极；

所述控制电路还包括并联在直流充电机PFC母线电容两端的母线电容泄放电路和并联在直流充电机输出电容两端的输出泄放电路；所述母线电容泄放电路包括串联的继电器RYB和电阻R7；所述急停开关S1还包括端口3，继电器RYB的控制线包的一端连接所述端口3，继电器RYB的控制线包的另一端连接系统地CAN_GND；所述输出泄放电路包括串联的MOS开关管Q4和电阻R8，MOS开关管Q4的栅极连接输出电容放电控制信号。

2.如权利要求1所述改进的直流充电机急停和泄放控制电路的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

待机模式控制：置预充控制信号为低电平，操作急停开关S1使端口1和端口2断开，MOS开关管Q3断开，继电器RY1A、继电器RY2A、继电器RY3A断开，光耦K1原边断开，副边断开，若此时辅助电源VCC正常供电，则MOS开关管Q2导通，关断MOS开关管Q1，主继电器RY1、主继电器RY2、主继电器RY3断开，确保三相电不会通过电阻R1~R3进入PFC主功率，当交流输入断电后母线电压降为0，辅助源VCC也降为0；

充电模式控制：操作急停开关S1使端口1和端口2连接，置预充控制信号为高电平，MOS开关管Q3导通，继电器RY1A、继电器RY2A、继电器RY3A吸合，三相电通过电阻R1~R3给PFC母线电容充电；辅助电源VCC正常供电，DSP完成初始化后，置延迟控制信号Relay_Ctrl为高电平，MOS开关管Q1导通，拉低MOS开关管Q1的漏极电位到信号地SGND，主继电器RY1、主继电器RY2、主继电器RY3吸合，启动PFC以及后级DC/DC，给电池充电；主继电器RY1、主继电器RY2、主继电器RY3吸合后，置预充控制信号为低电平， MOS开关管Q3断开，继电器RY1A、继电器RY2A、继电器RY3A控制线包供电回路被切断，继电器RY1A、继电器RY2A、继电器RY3A全部断开，输入交流通过主继电器RY1、主继电器RY2、主继电器RY3持续供电。

3.如权利要求2所述的改进的直流充电机急停和泄放控制电路的控制方法，其特征在于还包括如下步骤：

急停模式控制：操作急停开关S1使端口1和端口2断开，光耦原边断开，副边断开，MOS开关管Q2的栅极为高电平导通,拉低MOS开关管Q1的栅极，MOS开关管Q1断开，主继电器RY1、主继电器RY2、主继电器RY3断开，切断交流输入实现急停功能。

4.如权利要求2所述改进的直流充电机急停和泄放控制电路的控制方法，其特征在于还包括如下步骤：

检修模式控制：操作急停开关S1使端口1和端口3连接，继电器RYB吸合，通过电阻R7快速降低PFC母线电容两端电压。

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