CN217605968U - 一种电量检测计量系统和交流充电桩 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种电量检测计量系统和交流充电桩，涉及电量检测技术领域。该系统包括电压采样模块、电流采样模块和处理模块，处理模块分别与电压采样模块和电流采样模块电连接，电压采样模块用于连接于火线和零线，电流采样模块用于连接于火线、零线和地线；电压采样模块用于向处理模块传输电压信号；电流采样模块用于通过用电流输出端向处理模块传输用电电流信号，根据火线的电流和零线的电流生成漏电电流信号，并通过漏电流输出端将漏电电流信号传输至处理模块；处理模块用于根据电压信号和用电电流信号计量电量，并根据漏电电流信号检测漏电流。该系统能实现对电量的计量和漏电检测功能，电路简单，降低了产品的成本和所占空间。

Description

一种电量检测计量系统和交流充电桩

技术领域

本申请涉及电量检测技术领域，尤其涉及一种电量检测计量系统和交流充电桩。

背景技术

充电桩可以固定在地面或墙壁，安装于公共建筑、居民小区停车场或充电站内，可以根据不同的电压等级为各种型号的电动汽车充电。充电桩的输入端与交流电网直接连接，输出端都装有充电插头用于为电动汽车充电。

目前充电桩都带外置电表计量电量或者无计量功能，外置电表需增加安装设计和成本，无计量功能则应用场景受限。

因此，如何实现对电量的计量和漏电检测功能，是需要解决的技术问题。

实用新型内容

本申请的目的在于提供一种电量检测计量系统和交流充电桩，以解决现有技术中如何实现对电量的计量和漏电检测功能的技术问题。

为实现上述目的，本申请实施例采取了如下技术方案。

第一方面，本申请实施例提供一种电量检测计量系统，包括电压采样模块、电流采样模块和处理模块，处理模块分别与电压采样模块和电流采样模块电连接，电压采样模块用于连接于火线和零线，电流采样模块用于连接于火线、零线和地线；电压采样模块用于向处理模块传输电压信号；电流采样模块用于通过用电流输出端向处理模块传输用电电流信号，根据火线的电流和零线的电流生成漏电电流信号，并通过漏电流输出端将漏电电流信号传输至处理模块；处理模块用于根据电压信号和用电电流信号计量电量，并根据漏电电流信号检测漏电流。

可选地，电压采样模块包括电压互感器和第一电阻单元，电压互感器的输入端通过第一电阻单元连接于火线和零线之间，电压互感器的输出端与处理模块电连接。

可选地，电流采样模块包括电流互感器，电流互感器的接地端接地，电流互感器的用电流输出端输出用电电流信号至处理模块，电流互感器的漏电流输出端输出漏电电流信号至处理模块。

可选地，处理模块包括信号转化模块、单片机和存储器，信号转化模块的输入端分别与电压采样模块和电流采样模块电连接，信号转化模块的输出端与单片机电连接，单片机与存储器电连接。

可选地，信号转化模块的输入端包括电压通道和电流通道，电压通道与电压采样模块电连接，电流通道与电流采样模块电连接。

可选地，电压通道的一端通过滤波电路接地。

可选地，信号转化模块包括RN8209C芯片或RN8209D芯片。

可选地，RN8209C芯片或RN8209D芯片包括两个电流通道，第一电流通道与电流采样模块的用电流输出端电连接，第二电流通道与电流采样模块的漏电流输出端电连接。

可选地，RN8209C芯片或RN8209D芯片包括电压通道，电压通道的第一输入端与电压采样模块的输出端电连接，第二输入端通过第二电阻单元接地。

第二方面，本申请实施例提供一种交流充电桩，包括第一方面所述的检测计量系统。

相对于现有技术，本申请具有以下有益效果：

本申请实施例提供检测计量系统和交流充电桩，检测火线和零线的电压和电流，实现了计量电量和漏电检测的功能。无需增加额外电表，降低了产品成本和空间体积，也无需其它漏电检测模块，即可检测是否漏电。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，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相关的附图。

图1为本申请实施例的一种电量检测计量系统示意图；

图2为本申请实施例的一种电压采样模块示意图；

图3为本申请实施例的一种电流采样模块示意图；

图4为本申请实施例的一种处理模块示意图；

图5为本申请实施例的RN8209芯片的连接关系示意图。

附图标记说明：

100-电量检测计量系统；

110-电压采样模块，120-电流采样模块，130-处理模块；

131-信号转化模块，132-单片机，133-存储器。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本申请的描述中，需要说明的是，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。本文中，火线、地线、零线也可称为L线、N线、PE线，简称L、N、PE。

现有的充电桩不能实现对电量的计量和漏电检测功能，为了克服该问题，可参阅图1，本申请的一个实施例提供一种电量检测计量系统100，包括电压采样模块110、电流采样模块120、处理模块130，处理模块130分别与电压采样模块110和电流采样模块120电连接，电压采样模块110用于连接于火线和零线，电流采样模块120用于连接于火线、零线和地线。

电压采样模块110用于向处理模块130传输电压信号；电流采样模块120用于通过用电流输出端向处理模块130传输用电电流信号，根据火线的电流和零线的电流生成漏电电流信号，通过漏电流输出端，将漏电电流信号传输至处理模块130。处理模块130用于根据电压信号和用电电流信号计量电量，并根述漏电电流信号检测漏电流。

关于根据电压信号和用电电流信号计量电量，将电压信号转化为电压值，将用电电流信号转化为电流值，根据公式：功率＝电压值×电流值，即可得到功率。由功率在时间上的累加，可得电量。

关于根据漏电电流信号检测漏电流，理论上如果系统不存在漏电情况下，火线和零线的电流值相反且地线电流为0，因此经过火线和零线的电流相互抵消为0，或L、N、PE三线电流总和为0，可以据此检测漏电流。例如设置漏电流的阈值为30mA，当采集到漏电电流值不是0，而是30mA时，则系统可判断存在其他电流通道，系统处于漏电状态，需检修人员进行故障排除。

对于电压采样模块110，一种实现方式如图2，包括电压互感器PT1和第一电阻单元R205-R210，电压互感器的输入端与第一电阻单元R205-R210电连接，UL IN和UN IN两个端子分别用于连接于火线和零线之间，电压互感器的输出端V3P与处理模块130电连接。

电压互感器的基本结构和变压器相似，有两个绕组，可称为一次绕组和二次绕组。两个绕组绕在铁芯上，两个绕组之间以及绕组与铁芯之间都有绝缘。

如图2，处理模块130还可能有与V3P对应的V3N，V3N接地，可以测得V3P相对于接地端的电压。

电压互感器可以将市电交流电转化为处理模块130可直接接收到电压信号。处理模块130可直接接收的电压通常较小，电压互感器可以将220V、380V等交流电转化为低压的电压信号，传输给处理模块130。

除了电压互感器可以把高压转化为低压信号，用串联多个电阻分压的方式，也可以将较高的电压分成一个个较低的电压，取其中一部分电阻的电压，即可得到低压信号，因此电压采样模块110也可以由分压电阻实现。

图2中，第一电阻单元R205-R210起到限流作用，防止流过电压互感器的电流过大造成短路。电阻的数量和大小可根据实际情况进行设置，图中电阻为5个200kΩ串联。

电压互感器输出电压可以通过一个较大阻值的电阻接地，以获得相对接地端的参考电压，当处理模块130有V3N也接地时，处理模块可以根据电压互感器输出的电压计算得到相对接地端的电压值。

为了给处理模块130传输电流信号，对于电流采样模块120，可以采用电流互感器。

由于电流互感器将大电流变为小电流，测量大电流更安全。因为根据发电和用电的不同情况，线路上的电流大小不一，而且相差悬殊，有的只有几安，有的却大至几万安。要直接测量这些大大小小的电流，就需要根据线路电流的大小，制作相应为几安直到几万安不同的许多电流表和其他电气仪表。这样就会给仪表制造带来极大的困难。此外，有的线路是高压的，例如22万伏或1万伏等高压输电供电线路，要直接用电气仪表测量高压线路上的电流，那是极其危险的，也是绝对不允许的。

如果在线路上接入电流互感器变电流，那么就可以把线路上大大小小的电流，按不同的比例，统一变成大小相近的电流。只要用一种电流规格的电气仪表，例如通用的电流为5A的电气仪表，就可以通过电流互感器，测量线路上小至几安和大至几万安的电流。

电流互感器可由闭合的铁芯和绕组组成，它的一次侧绕组匝数可以很少，串在需要测量的电流的线路中，例如火线或零线。电流互感器可以将火线和零线中的市电交流电流转化为处理模块130可直接接收到电流信号。

电流互感器根据电磁感应原理，将一次侧大电流转换成二次侧小电流，进而传输给处理模块130来测量电流。

电流采样模块120的一种实现方式可参考图3，包括电流互感器，电流互感器的输入端，例如I1～I4，用于与火线和零线电连接，电流互感器的接地端GND接地，电流互感器的用电流输出端V2P、V2N输出用电电流信号至处理模块130，电流互感器的漏电流输出端V1P、V1N输出漏电电流信号至处理模块130。

根据电压互感器实时采集的电压信号和电流互感器实时采集的电流信号，处理模块130得到实时的电压值和电流值。

对于处理模块130，一种实现方式如图4，包括信号转化模块131、单片机132和存储器133，信号转化模块131的输入端分别与电压采样模块110和电流采样模块120电连接，信号转化模块131的输出端与单片机132电连接，单片机132与存储器133电连接。单片机132又可称为MCU。

信号转化模块131将电流、电压转化为单片机可直接接收信号，进而可以由单片机132对信号进行运算。运算结果可以记录在存储器133中。例如，信号转化模块131转化的电压值和电流值读取到单片机132中，通过时间累计功率得到对应的电量值，还可将对应的值保存于存储器133例如EEPROM中，防止掉电数据丢失。充电电量可以通过计算结束充电时的电量值与开始充电时的电量值的差值获取。

为了对应电压采样模块110和电流采样模块120，一种实现方式中，信号转化模块131的输入端包括电压通道和电流通道，电压通道与电压采样模块110电连接，电流通道与电流采样模块120电连接。这样，信号转化模块131可以同时输入电压信号和用电电流信号，两者转化和传输互不干扰。另一种实现方式中，只用一个通道接收电压信号和用电电流信号，可以分时接收。

电压通道可以有两端来采集两端之间的电压，电压采样模块110对信号转化模块131的传输可以只有一端，而电压通道的一端通过滤波电路接地。这样电压通道就可以得到电压采样模块110输出端与接地端之间的电压。

对于信号转化模块131，可以由RN8209C芯片或RN8209D实现，RN8209C提供串行接口UART，固定波特率4800，管脚复位与UART输入引脚RX复用，RN8209D提供串行接口SPI和UART，方便与外部MCU之间进行通信。RN8209C芯片或RN8209D可以接收电压、电流信号，与单片机132进行UART通信，实现计量电量。

根据RN8209芯片的原理图，一种连接方式如图5。

RN8209芯片包括两个电流通道，第一电流通道的端口可以是V2P、V2N，与电流采样模块120的用电流输出端电连接，第二电流通道的端口可以是V1P、V1N，与电流采样模块120的漏电流输出端电连接。也可以把V1P、V1N作为第一电流通道的端口，把V2P、V2N作为第二电流通道的端口。

RN8209芯片还包括电压通道，电压通道两端口为V3P和V3N，电压通道的第一输入端V3P与电压采样模块110的输出端电连接，第二输入端V3N可以通过第二电阻单元接地，如图2中的R204，第二电阻单元R204还可以并联一个电容C123以滤波。

V1P、V1N，V2P、V2N以及V3P、V3N，均采用完全差分输入方式，正常工作最大输入Vpp为±1000mV，最大承受电压为±6V。因此需要根据RN8209芯片的输入特性，或根据信号转化模块131的输入特性，来设计或选配电压互感器、电流互感器的参数。

RN8209芯片中的模拟电源引脚，为图中的AVDD，用于给芯片模拟部分供电。RN8209芯片中的数字电源引脚，为图中的DVDD，用于给芯片数字部分供电。两引脚均应外接10μF电容并联0.1μF电容去耦。正常应用的供电电压范围：3V-5.5V，如5V或3.3V，选定典型供电电压后，应保证电源波动在±10％范围内。

RN8209芯片内包含一个电源监测电路，连续对模拟电源(AVDD)进行监控。当电源电压低于2.6V±0.1V时芯片被复位，当电源电压高于2.75V±0.1V时芯片正常工作。

RST_N为复位引脚，低电平有效。该引脚建议外接10K上拉电阻，并外接0.1uF的去耦电容。当输入信号低电平超过20ms时计量芯片认为是复位有效。此功能可在隔离应用情况下节省光耦数量。RN8209芯片的内部复位电路与UART通信电路完全独立，该管脚复位功能完全等同独立的管脚复位。

建议的RX引脚复位操作方式是：先将RX引脚置低25ms，然后再将RX引脚置高20ms，最后再开始正常的UART通信。建议CPU在初始化计量芯片前使用管脚复位或者命令复位对计量芯片进行一次复位操作。

OSCI和OSCO分别为外部晶体的输入端和输出端，或是时钟输入。晶体频率典型值为3.579545MHz。外接电容典型值为15Pf～22pF，内部已有约4M欧姆的跨接电阻，外部不需要加跨接电阻。要求外部晶体的ESR小于50欧姆。

PF为有功电能校验脉冲输出，默认状态低电平输出。其频率反映瞬时有功功率的大小。具有5mA的输出和吸电流能力。

RN8209芯片包括三路ADC，一种用法中，一路用于相线电流采样，一路用于零线电流采样，一路用于电压采样。本实施例中，一路用于相线电流采样，一路用于漏电电流采样，一路用于电压采样。配置系统控制寄存器中的ADC2ON寄存器位打开/关闭电流通道B。

通过配置系统控制寄存器(SYSCON 0x00H)中的bit5～bit0位，可以分别对三路ADC配置放大倍数，电流通道A的ADC放大倍数4档可选：

1、2、8、16；电流通道B和电压通道ADC放大倍数3档可选：1、2、4。电流通道A的增益放大倍数默认为16倍。

RN8209芯片提供三个通道的真有效值参数输出，包括URMS、IARMS、IBRMS。字长为24bit，每3.495HZ或13.982Hz更新一次。此外还包括两个有效值Offset寄存器：IARMSOS和IBRMSOS。

RN8209芯片有能量脉冲输出，也即校表脉冲输出，可以直接接到标准电能表进行误差比对，也便于单片机处理。

电量检测计量系统的主要部分可以由若干个互感器、RN8209芯片、单片机、EEPROM组成，结构简单，占用空间小。

基于上述实施例，本申请实施例还提供一种交流充电桩，包括上述实施例中的检测计量系统。本实施例提供的充电桩具有对电量的计量和漏电检测功能。

总体来说，本申请提出了一种检测计量系统和交流充电桩，检测火线和零线的电压和电流，实现了计量电量和漏电检测的功能。因为带电量计量功能，所以无需增加额外电表，只需本申请的检测计量系统的结构，降低了产品成本和空间体积。因为带漏电检测功能，所以无需其它漏电检测模块，进一步降低了产品成本和体积。

以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

上述仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电量检测计量系统(100)，其特征在于，包括电压采样模块(110)、电流采样模块(120)和处理模块(130)，所述处理模块(130)分别与所述电压采样模块(110)和所述电流采样模块(120)电连接，所述电压采样模块(110)用于连接于火线和零线，所述电流采样模块(120)用于连接于所述火线、所述零线和地线；

所述电压采样模块(110)用于向所述处理模块(130)传输电压信号；

所述电流采样模块(120)用于通过用电流输出端向所述处理模块(130)传输用电电流信号，根据所述火线的电流和所述零线的电流生成漏电电流信号，并通过漏电流输出端将所述漏电电流信号传输至所述处理模块(130)；

所述处理模块(130)用于根据所述电压信号和所述用电电流信号计量电量，并根据所述漏电电流信号检测漏电流。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电压采样模块(110)包括电压互感器(PT1)和第一电阻单元，所述电压互感器的输入端通过所述第一电阻单元连接于所述火线和零线之间，所述电压互感器的输出端与所述处理模块(130)电连接。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电流采样模块(120)包括电流互感器，所述电流互感器的接地端接地，所述电流互感器的用电流输出端输出所述用电电流信号至所述处理模块(130)，所述电流互感器的漏电流输出端输出所述漏电电流信号至所述处理模块(130)。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，所述处理模块(130)包括信号转化模块(131)、单片机(132)和存储器(133)，所述信号转化模块(131)的输入端分别与所述电压采样模块(110)和所述电流采样模块(120)电连接，所述信号转化模块(131)的输出端与所述单片机(132)电连接，所述单片机(132)与所述存储器(133)电连接。

5.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述信号转化模块(131)的输入端包括电压通道和电流通道，所述电压通道与所述电压采样模块(110)电连接，所述电流通道与所述电流采样模块(120)电连接。

6.如权利要求5所述的系统，其特征在于，所述电压通道的一端通过滤波电路接地。

7.如权利要求4所述的系统，其特征在于，所述信号转化模块(131)包括RN8209C芯片或RN8209D芯片。

8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述RN8209C芯片或RN8209D芯片包括两个电流通道，第一电流通道与所述电流采样模块(120)的用电流输出端电连接，第二电流通道与所述电流采样模块(120)的漏电流输出端电连接。

9.如权利要求7所述的系统，其特征在于，所述RN8209C芯片或RN8209D芯片包括电压通道，所述电压通道的第一输入端与所述电压采样模块(110)的输出端电连接，第二输入端通过第二电阻单元接地。

10.一种交流充电桩，其特征在于，包括如权利要求1-9任一项所述的电量检测计量系统(100)。

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