专利名称：用于电动汽车交流充电桩的低压保护测控单元的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种用于电动汽车交流充电桩的低压保护测控单元，属于电气自动控制技术领域。
背景技术：
目前全球汽车工业为破解能源、环境的制约，实现可持续发展，都在以更加积极的姿态努力探索和推动交通能源动力系统的转型。近年来面对国际油价高位震荡和全球变暖节能减排的压力，发展电动汽车作为实现交通能源转型的技术路线，取得了国际社会的高度共识。电动汽车充电设施建设与此同时也上升为电动汽车产业发展的必要条件，基础设施建设在即将到来的电动汽车时代将扮演重要角色。作为充电基础设施的组成部分，交流充电桩是一种利用专用充电接口为具有车载充电机的电动汽车提供交流电能的交流供电装置。针对交流充电桩的应用情况，也需要一种低压保护测控装置，实现保护、测控、计量、通讯等功能，能够通过专用人机界面控制充电，并能及时的切除充电过程中的各种故障，并对各种异常运行工况进行报警，同时配合能量计费系统进行充电计费、能量管理等功能。现有的常规低压继电保护装置都是针对电力系统应用特点设计开发的，其无法满足电动汽车交流充电桩的应用需求，因此需要针对充电桩的特性重新研制一款新型低压保护测控单元，满足充电的安全性和可靠性需求。
实用新型内容本实用新型的目的在于针对电动汽车交流充电桩的应用需求，提出一种用于充电桩的低压保护测控单元，满足充电桩的计量、保护、通信和控制功能。为解决上述技术问题，本实用新型提供一种用于电动汽车交流充电桩的低压保护测控单元，包括模拟量输入模块，用于接入电压、电流信号，并将电压、电流信号转换成小信号接入AD转换器；其特征在于还包括继电器输出模块用于充电桩内交流接触器的控制及电磁锁与灯箱的操控；电源模块用于提供低压保护测控单元内部所需的直流MV、士 12V、5V电压等；CPU模块用来计算模拟量、采集数字信号、保护逻辑运算、充电控制及其他辅助功能等；数字信号输入模块用于采集交流接触器、空气开关、电磁锁、急停按钮等部件的状态信号。前述的用于电动汽车交流充电桩的低压保护测控单元，其特征在于还包括箱体， 所述箱体为ABS塑料壳体。进一步地，所述模拟量输入模块包括电压输入电路和电流输入电路两个部分，所述电压输入电路的电压信号包含三相电压(Ua、Wd、Uc)，电压信号经一级运算放大器后再经低通滤波电路后接入AD转换器；所述电流输入电路的电流信号输入采用电缆穿芯式CT，包含三相电流(la、Πκ Ic)以及漏电流(Ir)，电流输入电路的电流信号通过两级不同增益的放大器后分别接入AD转换器，两级信号经AD转换器转换后均进行傅氏运算计算幅值，由 CPU自动根据信号范围选择其中一级参与逻辑运算。进一步地，所述继电器输出模块，包括交流接触器控制电路，所述交流接触器控制电路包括接触器，接触器线圈与常开接点12、常闭接点II、急停按钮TAl —起串接于交流 220V回路中，接触器的辅助接点KMl与常开接点并联连接。本发明采用两副接点，一副常开接点用于接触器合闸，另一副常闭接点用于接触器合闸分闸，合闸时利用接触器的辅助接点组合成自保持回路。继电器输出模块还包括专用可频繁操控的WiotoMos继电器，用于对于桩体灯箱的按时段控制和充电电缆的电磁锁切换控制，保证其长期运行可靠性。进一步地，所述CPU模块包括高性能的DSP芯片，它兼具高效率数字信号处理能力和MCU (微程序控制器)的实时控制能力，中断管理功能强大，用来计算模拟量、采集数字信号、保护逻辑运算、充电控制及其他辅助功能等；进一步地，所述数字信号输入模块用于采集开关量输入，本低压保护测控单元内部自带MV电源，因此仅需接入空接点就可以获取交流接触器、空气开关、电磁锁、急停按钮等部件的状态信号。进一步地，所述基于充电桩充电安全和使用安全设计的保护功能具体包括过电流保护、短路闭锁保护、电压异常保护、漏电流保护、过负荷保护、欠载保护、不对应保护等。其中过电流保护、电压异常保护、过负荷保护为常规继电保护功能。漏电流保护针对人体操作安全设计，采集充电桩的漏电流防止触电事故。短路闭锁保护针对交流接触器的分断能力设计，充电桩内部短路时闭锁接触器以便让开气开关执行分断操作。充电过程快结束时采用恒压充电模式，此时充电电流很小，因锂电池不能承受长时间的浮充充电，为防止电池受损提供欠载保护切断充电电源。针对充电电缆连接状态提供不对应保护，保证充电电缆非正常插拔情况下桩体不带电。采用本实用新型的用于电动汽车交流充电桩的低压保护测控单元后，充电桩配有其他附件将实现人机交互功能、充电控制功能、计量计费功能、状态采集功能、模拟量采集功能、通讯监测功能、充电保护功能等，提高了充电设施的智能化、自动化水平，实现充电设施无人或少人值守运行，达到充电设施经济、安全、高效运行。
图1为本实用新型的低压保护测控单元控制面板示意图；图2为本实用新型的低压保护测控单元模块外形图；图3为电压采样电路原理图；图4为电流两级采样电路原理图；图5为本低压保护测控单元的外部接线示意图；图6为接触器控制回路原理图；图7为低压保护测控单元CPU模件原理示意图。
具体实施方式
[0026]下面参照附图并结合实施方案对本发明作进一步描述，但本发明并不仅限于所给出的例子。本实用新型装置的模块外形图如图2所示，采样ABS塑壳箱体，安装方式为35mm 标准导轨。交流充电桩正常充电时，本低压保护测控单元实时采集充电电压和充电电流，一方面用于人机界面显示供用户查看，同时可通过通讯远传，另一方面计算充电电量用于计量计费。计量计费需要电流、电压具有较高的测量精度，电力系统相关标准规定电压的精确测量范围为1.2倍的额定电压，电流的精确测量范围为2倍的额定电流，而保护电流测量范围为10至20倍不等。电压信号我们按常规采集，原理如图3所示，经一级运算放大器再低通滤波接入AD。而对于同一电流采样源，如何既能保证计量所需的测量精度，又能满足保护的测量范围成为亟需解决的难题。为此对于电流采样我们采用两级不同增益的放大器分别接入AD，如图4所示，前一级IA 01满足保护所需范围，后一级IA 02满足测量精度，两级信号经AD转换后均进行傅氏运算计算幅值，由CPU自动根据信号范围选择其中一级参与逻辑运算。交流充电桩采用交流220V电压作为充电电源，电源控制采用空气开关Ql加交流接触器KM的形式，如图6所示，空气开关Ql用于大电流短路保护，接触器KM用于正常回路分合，正常充电控制也是通过操控接触器来实现。众所周知，接触器是一种应用广泛的开关电器，主要用于频繁接通或分断交、直流电路和大容量的控制电路，可远距离操作，其原理是利用线圈流过电流产生磁场，使触头闭合，以达到控制目的。为使接触器闭合让充电桩输出电能，接触器线圈需长时间通电，低压保护测控单元则需提供一组继电器串接于该线圈回路中。因为充电桩充电时间较长，常常几个小时到十几个小时不等，为增长继电器寿命， 本低压保护测控单元提供两副接点，一副常开接点观2用于接触器合闸，另一副常闭接点
用于接触器分闸，合闸时利用接触器的辅助接点KMl组合成自保持回路，如图6所示，接触器线圈与常开接点12、常闭接点II、急停按钮TAl —起串接于交流220V回路中，用户插入充电电缆启动充电后，本低压保护测控单元将闭合常开接点观2使接触器线圈带电， 此时接触器将吸合。接触器合上时其辅助接点KMl将闭合短接常开接点观2，接触器控制回路将自保持导通，此时可断开常开接点冊2，从而使无需长时间带电，延长其使用寿命。 紧急情况下，按下急停按钮TAl也可断开接触器线圈回路，实现紧急停止充电。此外对于桩体灯箱的按时段控制和充电电缆的电磁锁切换控制，继电器输出模块使用专用可频繁操控的PhotoMos继电器，保证其长期运行可靠性。装置CPU为高性能的DSP芯片，它兼具高效率数字信号处理能力和MCU(微程序控制器)的实时控制能力，60MHz内核频率下可达60兆条指令/s (MIPS)的运算速度，采用哈佛结构，将程序空间和数据空间分开编址，支持并行处理。片内集成了相当容量的FLASH、 RAM以及丰富的I/O模块，并具有多个带输入捕捉的定时器，中断管理功能强大。片外扩展了一片128K χ 16位片外高速RAM、3 χ 8位串行EEPROM。CPU模件原理示意图如图7所不。低压保护测控单元采用模块化封装电源，防尘防潮防氧化，交、直流两用。外部输入电压经抗干扰滤波回路后，利用逆变原理输出本装置需要的三组直流电压，即5V、士 12V 和MV，三组电压均不共地，且采用浮地方式，同外壳不相连。其中，+5V为装置内部计算机系统的工作电源，士 12V为数据采集系统电源，24V用于驱动继电器。[0031]为保证充电安全和使用安全，充电桩的保护功能具体包括过电流保护、短路闭锁保护、电压异常保护、漏电流保护、过负荷保护、欠载保护、不对应保护等。其中过电流保护、 电压异常保护、过负荷保护为常规继电保护功能，这里不作过多描述。漏电流保护针对人体操作安全设计，当发生触电时，触电电流通过大地形成回路，导致充电电流的流入和流出不再平衡，此不平衡值如达到预定动作值，本低压保护测控单元将操控交流接触器切断电源。 因交流接触器的分断能力有限，在短路大电流情况下，接触器触头无法快速拉弧，接点有可能被烧毁损坏，此时低压保护测控单元应闭锁接触器以便让开气开关执行分断操作，此功能称为短路闭锁保护。电动汽车充电快结束时常采用恒压充电，此时充电电流很小，因锂电池不能承受长时间的浮充充电，为防止电池受损本低压保护测控单元提供欠载保护功能， 当判断出充电电流长时间低于设定值时将切断充电电源。一些非正常工况，如充电结束后部分用户没有通过操作人机界面来切断电源就直接插拔充电电缆，为保证人身安全，本低压保护测控单元提供不对应保护，当判断出接触器在合位而检测不到充电电缆位置信号时就切断电源，保证桩体不带电。除上述实施方案外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。
权利要求1.一种用于电动汽车交流充电桩的低压保护测控单元，包括模拟量输入模块，用于接入电压、电流信号，并将电压、电流信号转换成小信号接入AD转换器；其特征在于还包括继电器输出模块用于充电桩内交流接触器的控制及电磁锁与灯箱的操控；电源模块用于提供低压保护测控单元内部所需的直流MV、士 12V、5V电压；CPU模块用来计算模拟量、 采集数字信号、保护逻辑运算、充电控制及其他辅助功能等；数字信号输入模块用于采集交流接触器、空气开关、电磁锁、急停按钮的状态信号。
2.根据权利要求1所述的用于电动汽车交流充电桩的低压保护测控单元，其特征在于还包括箱体，所述箱体为ABS塑料壳体。
3.根据权利要求1所述的用于电动汽车交流充电桩的低压保护测控单元，其特征在于所述模拟量输入模块包括电压输入电路和电流输入电路，所述电压输入电路的电压信号包含三相电压，电压信号经一级运算放大器后再经低通滤波电路后接入AD转换器；所述电流输入电路的电流信号通过两级不同增益的放大器后分别接入AD转换器。
4.根据权利要求1所述的用于电动汽车交流充电桩的低压保护测控单元，其特征在于所述继电器输出模块，包括交流接触器控制电路，所述交流接触器控制电路包括接触器，接触器线圈与常开接点12、常闭接点II、急停按钮TAl —起串接于交流220V回路中， 接触器的辅助接点KMl与常开接点12并联连接。
5.根据权利要求4所述的用于电动汽车交流充电桩的低压保护测控单元，其特征在于继电器输出模块还包括可频繁操控的PhotoMos继电器，用于对于桩体灯箱的按时段控制和充电电缆的电磁锁切换控制。
专利摘要本实用新型公开了一种用于电动汽车交流充电桩的低压保护测控单元，包括模拟量输入模块用于接入电压、电流信号；继电器输出模块用于充电桩内交流接触器的控制及电磁锁与灯箱的操控；电源模块用于提供低压保护测控单元内部所需的直流24V、±12V、5V电压等；CPU模块用来计算模拟量、采集数字信号、保护逻辑运算、充电控制及其他辅助功能等；数字信号输入模块用于采集交流接触器、空气开关、电磁锁、急停按钮的状态信号。本实用新型的低压保护测控单元，完全适用电动汽车交流充电桩的保护控制需求，保证了充电的可靠性和安全性。
文档编号H02H7/18GK202134943SQ201120268479
公开日2012年2月1日 申请日期2011年7月27日 优先权日2011年7月27日
发明者王汉林 申请人:南京中德保护控制系统有限公司