CN113433484A - 一种交流桩接地检测系统及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于充电桩技术领域，具体是一种交流桩接地检测系统及控制方法，包括单相输入模块、主电判定模块、阻容分压模块、施密特判定隔离模块、控制器。同现有技术相比，采用阻容分压模块和施密特判定隔离模块，由于对称的分压电路，接地连接正常时零线对接地端的电压为0V，接地连接断开时接地端成为了火线与零线电压的中点，零线对接地端的电压变为110V正弦波，并输入施密特判定隔离模块，用接入正反馈的比较器来实现施密特触发器，正反馈输出数字信号，使控制器只需要有开入检测功能即可，并采用主电判定模块，判断火线、零线是否连接有效，避免了由于火线、零线连接异常所导致的接地检测误判。

Description

一种交流桩接地检测系统及控制方法

技术领域

本发明属于充电桩技术领域，具体是一种交流桩接地检测系统及控制方法。

背景技术

接地检测技术是一项增加充电安全性的技术，是交流充电桩内必备的安全保护功能。目前，现有的交流充电桩的接地检测方法有很多，但有些方法存在弊端，例如无法保证交流L、N进线对大地PE的绝缘耐压要求；未充分考虑实际使用的所有情况，当出现L、N连接失效时接地检测会误判等。

因此，需要设计一种交流桩接地检测系统及控制方法，可以避免由于L、N连接异常所导致的接地检测误判，并保证交流L、N进线对大地PE的绝缘耐压要求。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供了一种交流桩接地检测系统及控制方法，可以避免由于L、N连接异常所导致的接地检测误判，并保证交流L、N进线对大地PE的绝缘耐压要求。

为达到上述目的，本发明是一种交流桩接地检测系统，包括单相输入模块、主电判定模块、阻容分压模块、施密特判定隔离模块、控制器，单相输入模块的零线输入端与主电判定模块、阻容分压模块的零线输入端并联，单相输入模块的火线输入端与主电判定模块、阻容分压模块的火线输入端并联，单相输入模块的驱动电路输入端与控制器的信号输出端连接，控制器的第一判断端与主电判定模块的输出端连接，控制器的第二判断端与施密特判定隔离模块的输出端连接，阻容分压模块的零线输出端与施密特判定隔离模块的输入端连接，主电判定模块包括光电耦合器一、电阻三、电阻五、整流二极管三，火线与整流二极管三的阳极之间串联有电阻三，整流二极管三的阴极与光电耦合器一的一号管脚连接，零线与光电耦合器一的二号管脚之间串联有电阻五，光电耦合器一的三号管脚与数字地连接，光电耦合器一的四号管脚与电源一之间串联有电阻二，光电耦合器一的四号管脚与控制器的第一判断端连接，施密特判定隔离模块包括比较器、电阻十一、电阻十三、电阻十五、电阻十六、电阻十七、电阻十八、电阻二十二、整流二极管六、光电耦合器三，比较器的反相端与阻容分压模块的电阻十二之间串联有电阻十三，比较器的同相端与模拟地之间串联有电阻十六连接，比较器的同相端与比较器的输出端之间串联有电阻十八，比较器的上限基准电压端接有上限基准电压源，比较器的下限基准电压端接有下限基准电压源，比较器的输出端与上限基准电压源之间串联有电阻二十二，比较器的输出端与整流二极管六的阳极之间串联有电阻十五，整流二极管六的阴极与光电耦合器三的一号管脚连接，光电耦合器三的二号管脚与模拟地之间串联有电阻十七，光电耦合器三的三号管脚与数字地连接，光电耦合器三的四号管脚与电源一之间串联有电阻十一，光电耦合器三的四号管脚与控制器的第二判断端连接。

所述的阻容分压模块包括电容一、电容六、电阻六、电阻八、电阻九、电阻十、电阻十二、电阻十九，电容一、电阻六、电阻八、电阻九串联在火线与接地端之间，电容六、电阻十、电阻十二、电阻十九串联在零线与接地端之间。

所述的模拟地与接地端之间串联有电阻一。

所述的电阻一为零欧姆电阻。

所述的单相输入模块包括继电器一、继电器二、三级管、电阻二十一、电阻二十三、二极管一、二极管二，三级管的基极与控制器的信号输出端之间串联有电阻二十一，三级管的发射极接数字地，三级管的基极与发射极之间并联有电阻二十三，三级管的集电极与继电器一、继电器二的控制端低电平引脚相连，二极管一、二极管二的阳极与继电器一、继电器二的控制端低电平引脚相连，二极管一、二极管二的阴极与继电器一、继电器二的控制端高电平引脚相连，并连接电源二。

所述的第一光电耦合器的导通角大于30°。

所述的控制器具备至少两路输入捕获功能数字通道和一路数字信号输出通道。

本发明还提供了一种交流桩接地检测系统的控制方法，按如下步骤进行：

S1，主电判定模块判断火线、零线是否连接有效，施密特判定隔离模块对接地进行诊断，

S2，控制器检测主电判定模块输出，若主电判定模块输出高电平，则火线、零线连接异常，告警并输出低电平给单相输入模块，禁止或停止交流桩输出，若主电判定模块输出脉冲波，则继续检测施密特判定隔离模块，

S3，控制器检测施密特判定隔离模块输出，若施密特判定隔离模块输出脉冲波，则接地断开，告警并输出低电平给单相输入模块，禁止或停止交流桩输出，若施密特判定隔离模块输出电平状态不变，则允许输出高电平给单相输入模块，交流桩可以正常充电。

所述的步骤一中主电判定模块判断火线、零线是否连接有效的方法包括如下步骤，

S11-1，主电判定模块接收单相输入模块输送的单相主电，

S11-2，光电耦合器一判断单相主电的波形是否为有效正弦波，若是，则光电耦合器一的时而导通时而截止，四号管脚输出脉冲波，若不是，则光电耦合器一的一号管脚、二号管脚不能导通，四号管脚输出高电平。

所述的步骤一中施密特判定隔离模块对接地进行诊断的方法包括如下步骤，

S12-1，阻容分压模块接收单相输入模块输送的单相主电，

S12-2，阻容分压模块判断接地是否断开，若是，则接地端成为了火线与零线电压的中点，零线对接地端的电压变为110V正弦波，经过分压后输出低压正弦波，若不是，则火线对接地端的电压是220V正弦波，零线对接地端的电压是0V，输出为0V，

S12-3，施密特判定隔离模块判断阻容分压模块的输出是否为0V，若是，则比较器状态不变，若不是，则比较器输出脉冲波信号。

本发明同现有技术相比，采用阻容分压模块和施密特判定隔离模块，由于对称的分压电路，接地连接正常时零线对接地端的电压为0V，接地连接断开时接地端成为了火线与零线电压的中点，零线对接地端的电压变为110V正弦波，用接入正反馈的比较器来实现施密特触发器，正反馈输出数字信号，使控制器只需要有开入检测功能即可，并采用主电判定模块，判断火线、零线是否连接有效，避免了由于火线、零线连接异常所导致的接地检测误判，电路简单，成本可控，可靠性高。

附图说明

图1为本发明的原理示意图。

图2为本发明单向输出模块的电路原理图。

图3为本发明主电判定模块的电路原理图。

图4为本发明阻容分压模块与施密特判定隔离模块的电路原理图。

图5为本发明判断控制流程图。

具体实施方式

现结合附图对本发明做进一步描述。

如附图1所示，本发明是一种交流桩接地检测系统，包括单相输入模块1、主电判定模块2、阻容分压模块3、施密特判定隔离模块4、控制器5，单相输入模块1的零线输入端与主电判定模块2、阻容分压模块3的零线输入端并联，单相输入模块1的火线输入端与主电判定模块2、阻容分压模块3的火线输入端并联，单相输入模块1的驱动电路输入端与控制器5的信号输出端RC连接，控制器5的第一判断端MC与主电判定模块2的输出端连接，控制器5的第二判断端GC与施密特判定隔离模块4的输出端连接，阻容分压模块3的零线输出端与施密特判定隔离模块4的输入端连接，主电判定模块2包括光电耦合器一U1、电阻三R3、电阻五R5、整流二极管三D3，火线L与整流二极管三D3的阳极之间串联有电阻三R3，整流二极管三D3的阴极与光电耦合器一U1的一号管脚连接，零线N与光电耦合器一U1的二号管脚之间串联有电阻五R5，光电耦合器一U1的三号管脚与数字地连接，光电耦合器一U1的四号管脚与电源一之间串联有电阻二R2，光电耦合器一U1的四号管脚与控制器5的第一判断端MC连接，施密特判定隔离模块4包括比较器U2A、电阻十一R11、电阻十三R13、电阻十五R15、电阻十六R16、电阻十七R17、电阻十八R18、电阻二十二R22、整流二极管六D6、光电耦合器三U3，比较器U2A的反相端与阻容分压模块3的电阻十二R12之间串联有电阻十三R13，比较器U2A的同相端与模拟地之间串联有电阻十六R16连接，比较器U2A的同相端与比较器U2A的输出端之间串联有电阻十八R18，比较器U2A的上限基准电压端接有上限基准电压源，比较器U2A的下限基准电压端接有下限基准电压源，比较器U2A的输出端与上限基准电压源之间串联有电阻二十二R22，比较器U2A的输出端与整流二极管六D6的阳极之间串联有电阻十五R15，整流二极管六D6的阴极与光电耦合器三U3的一号管脚连接，光电耦合器三U3的二号管脚与模拟地之间串联有电阻十七R17，光电耦合器三U3的三号管脚与数字地连接，光电耦合器三U3的四号管脚与电源一之间串联有电阻十一R11，光电耦合器三U3的四号管脚与控制器5的第二判断端GC连接。

其中，如图4所示，阻容分压模块3包括电容一C1、电容六C6、电阻六R6、电阻八R8、电阻九R9、电阻十R10、电阻十二R12、电阻十九R19，电容一C1、电阻六R6、电阻八R8、电阻九R9串联在火线与接地端之间，电容六C6、电阻十R10、电阻十二R12、电阻十九R19串联在零线N与接地端PE之间。

如图2所示，模拟地与接地端PE之间串联有电阻一R1，电阻一R1的为零欧姆电阻，单相输入模块1包括继电器一RL1、继电器二RL2、三极管Q1、电阻二十一R21、电阻二十三R23、二极管一D1、二极管二D2，三极管Q1的基极与控制器5的信号输出端RC之间串联有电阻二十一R21，三极管Q1的发射极接数字地，三极管Q1的基极与发射极之间并联有电阻二十三R23，三极管Q1的集电极与继电器一RL1、继电器二RL2的控制端低电平引脚相连，二极管一D1、二极管二D2的阳极与继电器一RL1、继电器二RL2的控制端低电平引脚相连，二极管一D1、二极管二D2的阴极与继电器一RL1、继电器二RL2的控制端高电平引脚相连，并连接电源二，光电耦合器一U1的导通角大于30°，控制器具备至少两路输入捕获功能数字通道、一路数字信号输出通道，例如STM32F系列。

实施例：如图5所示，开始检测后，主电判定模块2进行诊断时，若火线L、零线N正常连接通电，通过整流二极管三D3将正弦波转换为馒头波，施加在光电耦合器一U1的一号管脚，当电压超过临界点时，光电耦合器一U1导通，输出低电平，当电压在临界电压以下时，光电耦合器一U1截止，输出高电平，如此反复，输出脉冲波给控制器5；若火线L、零线N没有正常连接通电，光电耦合器一U1的一号管脚、二号管脚无法形成通路，光电耦合器一U1一直保持截止状态，电源一通过四号管脚输入+3.3V给控制器5；施密特判定隔离模块4对接地进行诊断时，阻容分压模块3接收单相输入模块1输送的单相主电，当接地正常时火线L对接地端PE的电压是220V正弦波，零线N对接地端PE的电压是0V，因此阻容分压模块3输出为0V；当接地断开时，由于阻容分压电路的作用，接地端PE成为了火线L与零线N电压的中点，零线N对接地端PE的电压变为110V正弦波，经过分压后输出低压正弦波，当阻容分压模块3的输出是正弦波时，正弦波电压高于上限基准电压时，比较器U2A输出负电源电压，直到电压低于下限基准电压时，比较器U2A输出正电源电压，如此反复输出脉冲波信号，当阻容分压模块3的输出是0V时，比较器U2A输出电平为常数，光电耦合器三U3将比较器U2A输出的信号进行电气隔离后输出给控制器5；控制器5首先检测主电判定模块2输出，若主电判定模块2输出高电平，则火线L、零线N连接异常，告警并输出低电平给单相输入模块1，第一继电器RL1、第二继电器RL2断开，禁止或停止交流桩输出；若主电判定模块2输出脉冲波，则继续检测施密特判定隔离模块4；当施密特判定隔离模块4输出脉冲波时，控制器5判定接地断开，告警并输出低电平给单相输入模块1，第一继电器RL1、第二继电器RL2断开，禁止或停止交流桩输出；当施密特判定隔离模块4输出电平为常数时，控制器5判定接地连接正常，允许输出高电平给单相输入模块3，第一继电器RL1、第二继电器RL2闭合，交流桩可以正常充电。

本发明还提供了一种交流桩接地检测系统的控制方法，包括如下步骤：

S1，主电判定模块2判断火线L、零线N是否连接有效，施密特判定隔离模块4对接地进行诊断，

S2，控制器5检测主电判定模块2输出，若主电判定模块4输出高电平，则火线L、零线N连接异常，告警并输出低电平给单相输入模块1，禁止或停止交流桩输出，若主电判定模块2输出脉冲波，则继续检测施密特判定隔离模块4，

S3，控制器5检测施密特判定隔离模块4输出，若施密特判定隔离模块4输出脉冲波，则接地断开，告警并输出低电平给单相输入模块1，禁止或停止交流桩输出，若施密特判定隔离模块4输出电平状态不变，则允许输出高电平给单相输入模块1，交流桩可以正常充电。

其中，如图3所示，步骤S1中主电判定模块2判断火线L、零线N是否连接有效的方法包括如下步骤：

S11-1，主电判定模块2接收单相输入模块1输送的单相主电，

S11-2，光电耦合器一U1判断单相主电的波形是否为有效正弦波，若是，则光电耦合器一U1的时而导通时而截止，四号管脚输出脉冲波，若不是，则光电耦合器一U1的一号管脚、二号管脚不能导通，四号管脚输出高电平。

如图4所示，步骤S1中施密特判定隔离模块4对接地进行诊断的方法包括如下步骤：

S12-1，阻容分压模块3接收单相输入模块1输送的单相主电，

S12-2，阻容分压模块3判断接地是否断开，若是，则接地端PE成为了火线L与零线N电压的中点，零线N对接地端PE的电压变为110V正弦波，经过分压后输出低压正弦波，若不是，则火线L对接地端PE的电压是220V正弦波，零线N对接地端PE的电压是0V，输出为0V，

S12-3，施密特判定隔离模块4判断阻容分压模块3的输出是否为0，若是，则比较器U2A状态不变，若不是，则比较器U2A输出脉冲波信号。

因此采用本发明可以避免由于火线L、零线N连接异常所导致的接地检测误判，并保证交流火线L、零线N进线对接地端PE的绝缘耐压要求。

Claims (10)

1.一种交流桩接地检测系统，包括单相输入模块（1）、主电判定模块（2）、阻容分压模块（3）、施密特判定隔离模块（4）、控制器（5），其特征在于：单相输入模块（1）的零线输入端与主电判定模块（2）、阻容分压模块（3）的零线输入端并联，单相输入模块（1）的火线输入端与主电判定模块（2）、阻容分压模块（3）的火线输入端并联，单相输入模块（1）的驱动电路输入端与控制器（5）的信号输出端（RC）连接，控制器（5）的第一判断端（MC）与主电判定模块（2）的输出端连接，控制器（5）的第二判断端（GC）与施密特判定隔离模块（4）的输出端连接，阻容分压模块（3）的零线输出端与施密特判定隔离模块（4）的输入端连接，主电判定模块（2）包括光电耦合器一（U1）、电阻三（R3）、电阻五（R5）、整流二极管三（D3），火线（L）与整流二极管三（D3）的阳极之间串联有电阻三（R3），整流二极管三（D3）的阴极与光电耦合器一（U1）的一号管脚连接，零线（N）与光电耦合器一（U1）的二号管脚之间串联有电阻五（R5），光电耦合器一（U1）的三号管脚与数字地连接，光电耦合器一（U1）的四号管脚与电源一之间串联有电阻二（R2），光电耦合器一（U1）的四号管脚与控制器（5）的第一判断端（MC）连接，施密特判定隔离模块（4）包括比较器（U2A）、电阻十一（R11）、电阻十三（R13）、电阻十五（R15）、电阻十六（R16）、电阻十七（R17）、电阻十八（R18）、电阻二十二（R22）、整流二极管六（D6）、光电耦合器三（U3），比较器（U2A）的反相端与阻容分压模块（3）的电阻十二（R12）之间串联有电阻十三（R13），比较器（U2A）的同相端与模拟地之间串联有电阻十六（R16）连接，比较器（U2A）的同相端与比较器（U2A）的输出端之间串联有电阻十八（R18），比较器（U2A）的上限基准电压端接有上限基准电压源，比较器（U2A）的下限基准电压端接有下限基准电压源，比较器（U2A）的输出端与上限基准电压源之间串联有电阻二十二（R22），比较器（U2A）的输出端与整流二极管六（D6）的阳极之间串联有电阻十五（R15），整流二极管六（D6）的阴极与光电耦合器三（U3）的一号管脚连接，光电耦合器三（U3）的二号管脚与模拟地之间串联有电阻十七（R17），光电耦合器三（U3）的三号管脚与数字地连接，光电耦合器三（U3）的四号管脚与电源一之间串联有电阻十一（R11），光电耦合器三（U3）的四号管脚与控制器（5）的第二判断端（GC）连接。

2.根据权利要求1所述的一种交流桩接地检测系统，其特征在于：所述的阻容分压模块（3）包括电容一（C1）、电容六（C6）、电阻六（R6）、电阻八（R8）、电阻九（R9）、电阻十（R10）、电阻十二（R12）、电阻十九（R19），电容一（C1）、电阻六（R6）、电阻八（R8）、电阻九（R9）串联在火线与接地端之间，电容六（C6）、电阻十（R10）、电阻十二（R12）、电阻十九（R19）串联在零线（N）与接地端（PE）之间。

3.根据权利要求1所述的一种交流桩接地检测系统，其特征在于：所述的模拟地与接地端（PE）之间串联有电阻一（R1）。

4.根据权利要求3所述的一种交流桩接地检测系统，其特征在于：所述的电阻一（R1）的为零欧姆电阻。

5.根据权利要求1所述的一种交流桩接地检测系统，其特征在于：所述的单相输入模块（1）包括继电器一（RL1）、继电器二（RL2）、三级管（Q1）、电阻二十一（R21）、电阻二十三（R23）、二极管一（D1）、二极管二（D2），三级管（Q1）的基极与控制器（5）的信号输出端（RC）之间串联有电阻二十一（R21），三级管（Q1）的发射极接数字地，三级管（Q1）的基极与发射极之间并联有电阻二十三（R23），三级管（Q1）的集电极与继电器一（RL1）、继电器二（RL2）的控制端低电平引脚相连，二极管一（D1）、二极管二（D2）的阳极与继电器一（RL1）、继电器二（RL2）的控制端低电平引脚相连，二极管一（D1）、二极管二（D2）的阴极与继电器一（RL1）、继电器二（RL2）的控制端高电平引脚相连，并连接电源二。

6.根据权利要求1所述的一种交流桩接地检测系统，其特征在于：所述的光电耦合器一（U1）的导通角大于30°。

7.根据权利要求1所述的一种交流桩接地检测系统，其特征在于：所述的控制器具备至少两路输入捕获功能数字通道、一路数字信号输出通道。

8.一种如权利要求1所述的交流桩接地检测系统的控制方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1，主电判定模块（2）判断火线（L）、零线（N）是否连接有效，施密特判定隔离模块（4）对接地进行诊断，

S2，控制器（5）检测主电判定模块（2）输出，若主电判定模块（4）输出高电平，则火线（L）、零线（N）连接异常，告警并输出低电平给单相输入模块（1），禁止或停止交流桩输出，若主电判定模块（2）输出脉冲波，则继续检测施密特判定隔离模块（4），

S3，控制器（5）检测施密特判定隔离模块（4）输出，若施密特判定隔离模块（4）输出脉冲波，则接地断开，告警并输出低电平给单相输入模块（1），禁止或停止交流桩输出，若施密特判定隔离模块（4）输出电平状态不变，则允许输出高电平给单相输入模块（1），交流桩可以正常充电。

9.根据权利要求8所述的一种交流桩接地检测系统的控制方法，其特征在于：所述的步骤 S1中主电判定模块（2）判断火线（L）、零线（N）是否连接有效的方法包括如下步骤：

S11-1，主电判定模块（2）接收单相输入模块（1）输送的单相主电，

S11-2，光电耦合器一（U1）判断单相主电的波形是否为有效正弦波，若是，则光电耦合器一（U1）的时而导通时而截止，四号管脚输出脉冲波，若不是，则光电耦合器一（U1）的一号管脚、二号管脚不能导通，四号管脚输出高电平。

10.根据权利要求8所述的一种交流桩接地检测系统的控制方法，其特征在于：所述的步骤S1中施密特判定隔离模块（4）对接地进行诊断的方法包括如下步骤：

S12-1，阻容分压模块（3）接收单相输入模块（1）输送的单相主电，

S12-2，阻容分压模块（3）判断接地是否断开，若是，则接地端（PE）成为了火线（L）与零线（N）电压的中点，零线（N）对接地端（PE）的电压变为110V正弦波，经过分压后输出低压正弦波，若不是，则火线（L）对接地端（PE）的电压是220V正弦波，零线（N）对接地端（PE）的电压是0V，输出为0V，

S12-3，施密特判定隔离模块（4）判断阻容分压模块（3）的输出是否为0V，若是，则比较器（U2A）状态不变，若不是，则比较器（U2A）输出脉冲波信号。

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