CN113933646A - 一种低压配电网电压及接地检测的电路及方法 - Google Patents
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Abstract
一种低压配电网电压及接地检测的电路，包括用于对从电网传输过来的信号进行信号耦合以及对信号进行直流隔离从而实现电路的有效隔离及保护的电容隔离网络；用于对从电容隔离网络耦合的信号进行电阻分压和采样的电阻网络；用于对电阻网络传输过来采样信号进行比例缩小且将缩小后的信号传输至信号检测单元的运算放大器单元；用于对运算放大器单元输出的接地检测信号和电压信号进行钳位、滤波防护的电路；本发明电路总体上使用元器件较少、占用电路板面积小、精度高、成本低、安全、可靠使用该电路的进行电压和接地检测的方法方法操作简单，检测精度高。
Description
技术领域
本发明属于新能源充电领域，特别涉及一种低压配电网电压及接地检测的电路及方法。
背景技术
在新能源汽车充电领域中，为了获取实时充电状态，新能源汽车充电设备通常需要具备低压配电网电压检测以及接地状态检测功能。当输入电压超过最大安全阈值或低于最小安全阈值时；当输入端未可靠接地时，充电设备可进行报警并切断电源输出，保证充电过程中设备、车辆和人身安全。
目前国内大多数充电设备厂家具备电压及接地检测功能，其中电压检测通常采用如下三种方案：
1、利用电压互感器对一次侧、二次侧进行隔离和信号耦合。一次侧接电阻将电流限制在额定值，二次侧接电阻，将电流差分信号转化为电压差分信号，该信号通过阻容网络后进入专用计量芯片进行信号运算处理。
2、利用电压互感器对一次侧、二次侧进行隔离和信号耦合。一次侧接电阻将电流限制在额定值，二次侧接电阻，将电流差分信号转化为电压差分信号，然后将信号通过二极管整流、阻容滤波等，经运算放大器处理。
3、利用电压互感器对一次侧、二次侧进行隔离和信号耦合。一次侧接电阻将电流限制在额定值，二次侧接电阻，将电流差分信号转化为电压差分信号，该信号一端直连一参考电压，通过运算放大器放大处理。
接地检测通常采用相线对地线进行电容电阻网络串联分压，通过测量采样电阻对地电压来获取接地状态。上述三种电压检测方案均使用了电流型电压互感器等元器件，占用电路板面积大、一次侧限流电阻温升高、实现成本高。并且第一种检测方案使用计量芯片，EMC性能较差、成本较高。
发明内容
为了克服现有不足，本发明的目的在于提出一种使用元器件较少、成本低、安全可靠的进行精确的接地检测的电路及方法。
本发明的目的是采用以下技术方案来实现。依据本发明提出的一种低压配电网电压及接地检测的电路，包括
电容隔离网络：用于对从电网传输过来的信号进行信号耦合以及对信号进行直流隔离从而实现电路的有效隔离及保护，采样信号通过电容隔离网络耦合至电阻网络；
电阻网络：用于对从电容隔离网络传输过来的采样信号进行电阻分压和采样，采样信号通过电阻网络处理后传输至运算放大器单元；
运算放大器单元：用于对电阻网络传输过来采样信号进行比例缩小且将缩小后的电压信号传输至钳位滤波防护电路。
进一步的，电容隔离网络的输入端与电网相连，电容隔离网络包括第一电容隔离网络和第二电容隔离网络，当所述电压及接地检测的电路接三相电时，第一电容隔离网络的输入端与三相电网中的一根火线相连，第二电容隔离网络的输入端也与三相电网中的一根火线相连；当所述电压及接地检测的电路单相电时，第一电容隔离网络的输入端与单相电网中的火线相连，第二电容隔离网络的输入端与三相电网中的零线相连。
进一步的，第一电容隔离网络和第二电容隔离网络均由至少一个电容组成，电容网络用于对信号进行耦合，提高电路的绝缘耐压性，有效的解决电路耐压性的问题。
进一步的，电阻网络包括第一电阻网络和第二电阻网络，第一电阻网络和第二电阻网络均至少包括一个电阻，第一电容网络的输出端与第一电阻网络的输入端相连，第二电容网络的输出端与第二电阻网络的输入端相连。
进一步的，运算放大器单元包括两个独立的运算放大器或者一个双路运算放大器，电阻网络的输出端与运算放大器的反相输入端相连，运算放大器接收从电阻网络传输过来采样信号并对信号进行比例缩小。
进一步的，钳位滤波防护电路的输入端与运算放大器单元输出端相连，钳位滤波防护电路用于对运算放大器单元输出的接地信号和电压信号进行钳位、滤波，对所述电压及接地状态检测电路中位于运算放大器单元之后的后级电路进行保护。
进一步的，钳位滤波防护电路包括钳位电路和滤波电路，滤波电路用于提高该电路的滤波性能和EMC性能并且还能够提升采样信号的完整性，钳位电路用于对采样信号进行电压钳位，从而对所述电压及接地状态检测电路中位于钳位电路之后的后级电路进行保护。
进一步的，运算放大器单元输出的采样信号通过钳位电路和滤波电路后传输至AD转换/信号运算单元，AD转换/信号运算单元对输入的采样信号进行接地状态检测和电压检测。
一种低压配电网电压及接地检测的方法，所述方法使用低压配电网电压及接地检测的电路，所述方法步骤如下：
步骤一：待检测产品接入三相电或者单相电，同时运算放大器单元供电正常并开始工作；
步骤二：等待电压及接地检测的电路工作稳定；
步骤三：采样信号经过电容隔离网络至滤波电路的处理后进入AD转换/信号运算单元中的单片机，单片机连续检测进入该单元内采样信号的电压和接地状态信号；
步骤四：通过软件算法a处理及校准，获得一个电压值V1；通过软件算法b处理及校准，获得一个电压值V2，将V2与单片机内部针对接地状态异常时的阈值V0进行比较，进而判断接地状态是正常状态还是异常状态。
进一步的，步骤四中如果电压值V1为实际电压值，电压值V2为接地状态值；如果V2＜V0，则判断为接地状态异常，进行接地保护；如果V2＞V0，则判断为接地状态正常，则判断为接地状态正常。
借由上述技术方案，本发明的优点是：
1、本发明接地状态检测电路通常独立于电压检测电路，通过电容隔离网络进行直流隔离，在体积、成本、温升等方面表现更优。
2、通过电阻网络、运算放大器、钳位电路、滤波电路等可输出单片机能直接处理的电压信号；同时，该电路利用阻容网络对地的电压检测，可实现接地状态的持续检测。
3、检测电路总体上使用元器件较少且可实现接地检测，占用电路板面积小、精度高、成本低、安全、可靠。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1是本发明一种低压配电网电压及接地检测的电路及方法的结构框图；
图2是本发明一种低压配电网电压及接地检测的电路及方法的原理图。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及较佳实施例，对依据本发明提出的一种低压配电网电压及接地检测的电路及方法进行进一步的阐述。
本发明中“前”、“后”方位是按照信号传输方向而定，即电容隔离网络至AD转换/信号运算单元方向为从前至后方向。
请参阅图1和图2，一种低压配电网电压及接地检测的电路，所述低压配电网电压及接地检测的电路包括电容隔离网络、电阻网络、运算放大器单元、钳位电路、滤波电路和检测单元，电容隔离网络的输入端与电网相连，电网为整个电路提供低压电压，其中电容隔离网络包括第一电容隔离网络和第二电容隔离网络。
所述电压及接地检测的电路接三相电或单相电，当所述电压及接地检测的电路接入三相电时，第一电容隔离网络的输入端与三相电网中的一根火线相连，第二电容隔离网络的输入端也与三相电网中的一根火线相连。当所述电压及接地检测的电路接入单相电时，第一电容隔离网络的输入端与单相电网中的火线相连，第二电容隔离网络的输入端与三相电网中的零线相连。
第一电容隔离网络和第二电容隔离网络均由至少一个电容组成，电容隔离网络用于对信号进行采样，提高电容的绝缘耐压性，有效的解决电容耐压性的问题；本实施例中组成电容隔离网络的电容为安规电容或陶瓷电容，在本发明的其他实施例当中组成电容隔离网络的电容的类型根据实际使用情况进行选择。从电网传输过来的信号通过电容隔离网络耦合到电容隔离网络后端，电容隔离网络对从电网传输过来的信号进行直流隔离，实现电路的有效隔离及保护。
电容隔离网络的输出端与电阻网络相连，电阻网络包括第一电阻网络和第二电阻网络且第一电阻网络和第二电阻网络均由至少一个电阻组成，电阻网络用于对从采样信号进行电阻分压和采样，第一电容网络的输出端与第一电阻网络的输入端相连，第二电容网络的输出端与第二电阻网络的输入端相连；本实施例中组成电阻网络的电阻为金属膜电阻或贴片电阻，在本发明的其他实施例当中组成电阻网络的电阻的类型根据实际使用情况进行选择。
电阻网络的输出端运算放大器单元的输入端相连，运算放大器单元的输出端与钳位电路的输入端相连，运算放大器单元用于对从电阻网络传输过来的采样信号进行比例缩小并且将缩小后的采样信号传输至钳位电路。本实施例中的运算放大器单元包括两个独立的运算放大器，在本发明的其他实施例当中运算放大器也可以为一个双路运算放大器。电阻网络将从电容隔离网络传输过来的采样信号进行分压并将采样信号传输至运算放大器单元内信号放大器的反相输入端，即采样信号通过第一电阻网络和第二电阻网络分别进入运算放大器单元内对应的运算放大器的反相输入端进行处理后输出至对应的钳位电路，运算放大器的同相输入端施加稳定的参考电压，即设定合适的参考电压接在运算放大器同相端，使输出电压信号和接地检测信号以参考电压为基准而变化。运算放大器单元将从电阻网络传输过来的采样信号进行比例缩小，同时运算放大器单元输出的电压信号以参考电压为基准，使输出电压均为正电压，从而便于所述电路中位于运算放大器单元后端电路处理，其中，通过调整运算放大器反馈电阻和电阻网络电阻值，可获得按照一定比例缩减的输出电压和接地检测信号，可确定有效的采样电压范围。另外，运算放大器单元还与对其进行供电的供电电源相连，供电电源对运算放大器单元的供电电压大于等于运算放大器单元后端输出信号处理电路的供电电压，即供电电源对运算放大器单元的供电电压大于等于钳位电路和滤波电路的供电电压。
钳位电路包括第一钳位电路和第二钳位电路，第一钳位电路和第二钳位电路分别与运算放大器单元内的两个运算放大器一一对应，即一个运算放大器的输出端与第一钳位电路的输入端相连、另一个运算放大器的输出端与第二运算放大器的输入端相连。钳位电路用于对从信号放大器单元传输过来的采样信号进行电压钳位从而保护位于钳位信号之后的后级IC输入单元，即保护所述电压及接地检测电路中位于钳位电路之后的后级电路，防止过欠压损坏。
钳位电路的输出端与滤波电路的输入端相连，滤波电路包括第一滤波电路和第二滤波电路，即第一钳位电路的输出端与第一滤波电路的输入端相连，第二钳位电路的输出端与第二滤波电路的输入端相连，滤波电路用于提高该电路的滤波性能和EMC性能并且还能够提升采样信号的完整性，滤波电路包含但不限于RC滤波、TVS防护等滤波防护电路。
滤波电路的输出端与AD转换/信号运算单元的输入端相连，AD转换/信号运算单元用于对输入的采样信号进行接地状态检测和电压检测，即从滤波电路输出的采样信号可由单片机直接AD采样处理，从而获得输入端实时电压值和实时接地状态。具体的，从电容隔离网络传输至滤波电路中的采样信号包括电压信号和接地信号，从滤波电路输入进AD转换/信号运算单元的采样信号直接进入单片机AD接口，单片机通过AD采样即软件算法处理校准，获得精准的电压值和准确的接地状态。
一种低压配电网电压及接地检测的方法，该方法使用上述电压及接地检测的电路，该方法具体包括如下步骤：
步骤一：待检测产品接入三相电或者单相电，同时运算放大器单元供电正常并开始工作；
步骤二：等待电压及接地检测的电路工作稳定；
步骤三：采样信号经过电容隔离网络至滤波电路的处理后进入AD转换/信号运算单元中的单片机，单片机连续检测进入该单元内采样信号的电压和接地状态信号；
步骤四：通过软件算法a处理及校准，获得一个电压值V1，电压值V1为实际电压值；通过软件算法b处理及校准，获得一个电压值V2，电压值V2为接地状态值；将V2与单片机内部针对接地状态异常时的阈值V0进行比较，如果V2＜V0，则判断为接地状态异常，进行接地保护；如果V2＞V0，则判断为接地状态正常。
步骤五：上述电压信号及接地状态信号在产品正常工作时连续检测。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (10)
1.一种低压配电网电压及接地检测的电路，其特征在于：包括
电容隔离网络：用于对从电网传输过来的信号进行信号耦合以及对信号进行直流隔离从而实现电路的有效隔离及保护，采样信号通过电容隔离网络耦合至电阻网络；
电阻网络：用于对从电容隔离网络传输过来的采样信号进行电阻分压和采样，采样信号通过电阻网络处理后传输至运算放大器单元；
运算放大器单元：用于对电阻网络传输过来采样信号进行比例缩小且将缩小后的电压信号传输至钳位滤波防护电路。
2.根据权利要求1所述的一种低压配电网电压及接地检测的电路，其特征在于：电容隔离网络的输入端与电网相连，电容隔离网络包括第一电容隔离网络和第二电容隔离网络，当所述电压及接地检测的电路接三相电时，第一电容隔离网络的输入端与三相电网中的一根火线相连，第二电容隔离网络的输入端也与三相电网中的一根火线相连；当所述电压及接地检测的电路单相电时，第一电容隔离网络的输入端与单相电网中的火线相连，第二电容隔离网络的输入端与三相电网中的零线相连。
3.根据权利要求2所述的一种低压配电网电压及接地检测的电路，其特征在于：第一电容隔离网络和第二电容隔离网络均由至少一个电容组成，电容网络用于对信号进行耦合，提高电路的绝缘耐压性，有效的解决电路耐压性的问题。
4.根据权利要求1所述的一种低压配电网电压及接地检测的电路，其特征在于：电阻网络包括第一电阻网络和第二电阻网络，第一电阻网络和第二电阻网络均至少包括一个电阻，第一电容网络的输出端与第一电阻网络的输入端相连，第二电容网络的输出端与第二电阻网络的输入端相连。
5.根据权利要求1所述的一种低压配电网电压及接地检测的电路，其特征在于：运算放大器单元包括两个独立的运算放大器或者一个双路运算放大器，电阻网络的输出端与运算放大器的反相输入端相连，运算放大器接收从电阻网络传输过来采样信号并对信号进行比例缩小，运算放大器单元输出的采样信号包括接地信号和电压信号。
6.根据权利要求1所述的一种低压配电网电压及接地检测的电路，其特征在于：钳位滤波防护电路的输入端与运算放大器单元输出端相连，钳位滤波防护电路用于对运算放大器单元输出的接地信号和电压信号进行钳位、滤波，对所述电压及接地状态检测电路中位于运算放大器单元之后的后级电路进行保护。
7.根据权利要求6所述的一种低压配电网电压及接地检测的电路，其特征在于：钳位滤波防护电路包括钳位电路和滤波电路，滤波电路用于提高该电路的滤波性能和EMC性能并且还能够提升采样信号的完整性，钳位电路用于对采样信号进行电压钳位，从而对所述电压及接地状态检测电路中位于钳位电路之后的后级电路进行保护。
8.根据权利要求1所述的一种低压配电网电压及接地检测的电路，其特征在于：运算放大器单元输出的采样信号通过钳位电路和滤波电路后传输至AD转换/信号运算单元，AD转换/信号运算单元对输入的采样信号进行接地状态检测和电压检测。
9.一种低压配电网电压及接地检测的方法，其特征在于：所述方法使用权利要求1-8任一所述的低压配电网电压及接地检测的电路，所述方法步骤如下：
步骤一：待检测产品接入三相电或者单相电，同时运算放大器单元供电正常并开始工作；
步骤二：等待电压及接地检测的电路工作稳定；
步骤三：采样信号经过电容隔离网络至滤波电路的处理后进入AD转换/信号运算单元中的单片机，单片机连续检测进入该单元内采样信号的电压和接地状态信号；
步骤四：通过软件算法a处理及校准，获得一个电压值V1；通过软件算法b处理及校准，获得一个电压值V2，将V2与单片机内部针对接地状态异常时的阈值V0进行比较，进而判断接地状态是正常状态还是异常状态。
10.根据权利要求8所述的一种低压配电网电压及接地检测的方法，其特征在于：步骤四中如果电压值V1为实际电压值，电压值V2为接地状态值；如果V2＜V0，则判断为接地状态异常，进行接地保护；如果V2＞V0，则判断为接地状态正常。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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