一种预警型智能充电桩的制作方法

本发明涉及充电桩领域，具体是具有电气火灾监测预警的一种预警型智能充电桩。

背景技术：

近年来，随着新能源政策陆续出台，电动汽车的发展势头强劲，对电动汽车充电设施配套建设的需求极为迫切，充电桩作为充电设施，用于电力驱动车辆中电池的充电，其一般具有进线的交流侧和出线的直流侧，直流侧一般采集总分结构的继电器充电线路对各个电动车辆的电池进行充电。目前传统的充电桩在内部集成计量模块，能够对充电时电量进行计量，现有充电桩一般设有继电保护功能，但普遍不具备电气安全隐患监测预警功能，特别是不具备电气安全中早期隐患监测预警功能。电气故障导致的电气火灾一般具有隐蔽性强、灾情发展迅速猛烈的特点，因此需要一种能够监测自身电气安全中早期隐患的充电桩设备，以实现对电气安全及电气火灾隐患的监测预警。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种预警型智能充电桩，以对剩余电流(俗称漏电流)的阻性部分、故障电弧、电气绝缘监测预警及物联网化为特点，解决现有技术充电桩存在的那一监测自身电气安全中早期隐患的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种预警型智能充电桩，包含充电桩主体，其特征在于：还包括交流采集模块、直流采集模块、计量模块、mcu智控模块、网络通讯模块、二维码模块，其中：

交流采集模块采集充电桩供电交流侧的电压、电流和剩余电流信号；

直流采集模块采集充电桩直流侧充电回路电压、正极电流、负极电流信号；

计量模块输入端口分别与交流采集模块、直流采集模块连接；

计量模块输出端口与mcu智控模块连接；

mcu智控模块与网络通讯模块连接，进行对外数据传输；

二维码模块为二维码识别图形或字符，mcu智控模块预设二维码模块对应的二维编码；

mcu智控模块中程序设置有计算子程模块、突变处理模块、预警逻辑模块，其中：

计算子程模块通过计量模块获得直流侧充电回路电压、正极电流、负极电流数值，把正极电流与负极电流相减获得剩余电流，把所述剩余电流送入突变处理模块和预警逻辑模块；

计算子程模块，根据直流侧充电回路电压和剩余电流矢量计算，得到绝缘电导数值，把绝缘电导数值送入突变处理模块；再将直流侧充电回路的绝缘电导对时间进行积分，获得直流侧充电回路的各时间段绝缘电导时间积分参数，并送入预警逻辑模块；

突变处理模块找出产生突变的直流侧充电回路绝缘电导数值，并从突变开始至突变结束，将所述绝缘电导数值对时间进行积分，获得突变时间段绝缘电导时间积分参数，并送入预警逻辑模块；

预警逻辑模块中，预设有不同时间尺度的直流侧充电回路绝缘电导时间积分阈值，预警逻辑模块中：

将直流侧充电回路的各时间段绝缘电导时间积分参数与相应阈值比较，若大于相应阈值，判断对应时间段存在电气绝缘隐患，并进行预警处理；针对突变时间段绝缘电导时间积分参数，把预设的相应时间积分阈值转换成与突变时间段相同时长的绝缘电导时间积分阈值，再进行相应的比较判断、预警处理。

所述的一种预警型智能充电桩，其特征在于：所述mcu智控模块中计算子程模块通过计量模块直接获得交流侧回路电流谐波、剩余电流谐波参数，以及直流侧充电回路电流谐波、剩余电流谐波，或者计算子程模块通过mcu智控模块中微控制器的ad子模块计算获得交流侧回路电流谐波、剩余电流谐波参数，以及直流侧充电回路电流谐波、剩余电流谐波，上述交流侧回路电流谐波、剩余电流谐波参数、直流侧充电回路电流谐波、剩余电流谐波分别送入预警逻辑模块；

所述计算子程模块中，分别把交流侧回路电流谐波、剩余电流谐波数值对时间进行积分，获得各时间段的交流侧回路电流谐波时间积分参数、剩余电流谐波时间积分参数，并分别送入预警逻辑模块；

所述计算子程模块中，分别把直流侧充电回路电流谐波、剩余电流谐波数值对时间进行积分，获得各时间段的直流侧充电回路电流谐波时间积分参数、剩余电流谐波时间积分参数，并分别送入预警逻辑模块；

所述预警逻辑模块中分别预设交流侧电流谐波阈值、剩余电流谐波阈值，以及直流侧充电回路电流谐波阈值、剩余电流谐波阈值；

预警逻辑模块，分别把交流侧回路电流谐波、剩余电流谐波数值与相应阈值进行比较，若大于对应阈值，且呈间歇性出现，则判断相应回路产生串并联故障电弧或对地故障电弧隐患，进行预警报警处理；

预警逻辑模块，分别把直流侧充电回路电流谐波、剩余电流谐波数值与相应阈值进行比较，若大于对应阈值，且呈间歇性出现，则判断相应回路产生串并联故障电弧或对地故障电弧隐患，进行预警报警处理；

所述预警逻辑模块中分别预设各时间段交流侧电流谐波时间积分阈值、剩余电流谐波时间积分阈值，以及各时间段直流侧充电回路电流谐波时间积分阈值、剩余电流谐波时间积分阈值；

预警逻辑模块，分别把各时间段交流侧回路电流谐波时间积分、剩余电流谐波时间积分数值和直流侧充电回路电流谐波时间积分、剩余电流谐波时间积分数值与相应阈值进行比较，若大于对应阈值，且呈间歇性出现，则判断相应回路产生串并联故障电弧或对地故障电弧隐患，进行预警报警处理。

所述的一种预警型智能充电桩，其特征在于：所述计算子程模块通过计量模块直接获得交流侧回路剩余电流基波数值，或者计算子程模块通过微控制器的ad子模块计算获得交流侧回路剩余电流基波数值，并将交流侧回路剩余电流基波数值送入突变处理模块和预警逻辑模块，同时计算子程模块把交流侧剩余电流基波数值对时间进行积分，获得各时间段的剩余电流基波时间积分参数，并送入预警逻辑模块；

突变处理模块找出存在突变的交流侧回路剩余电流基波数值，并从突变开始突变至结束，将交流侧回路剩余电流基波数值对时间进行积分，得到突变时间段剩余电流基波时间积分参数，并送入预警逻辑模块；

预警逻辑模块中，预设有交流侧回路剩余电流基波阈值、不同时间尺度的交流侧回路剩余电流基波时间积分阈值，预警逻辑模块中：

预警逻辑模块中，将交流侧回路剩余电流基波数值与相应阈值进行比较，若大于相应阈值，判断对应时间段存在与剩余电流相关的电气火灾安全隐患，并进行报警处理；

预警逻辑模块中，将交流侧回路各时间段剩余电流基波时间积分参数与相应阈值进行比较，若大于相应阈值，则判断对应时间段存在与剩余电流相关隐患，并进行预警处理；针对突变时间段的交流侧剩余电流基波时间积分参数，把预设的相应时间积分阈值转换成与突变时间段相同时间长度的相关时间积分阈值，再进行相应的比较判断、预警处理。

所述的一种预警型智能充电桩，其特征在于：所述计算子程模块将直流侧充电回路电压和剩余电流进行矢量计算得到绝缘电阻数值，并将绝缘电阻数值送入预警逻辑模块；

预警逻辑模块中，预设有直流侧充电回路绝缘电阻阈值，预警逻辑模块中：

将直流侧充电回路绝缘电阻数值与相应阈值进行比较，若大于相应阈值，判断对应时间段存在与电气绝缘隐患，并进行预警处理。

所述的一种预警型智能充电桩，其特征在于：所述计算子程模块将计量模块获取的直流侧充电回路电压分别与直流侧充电回路的正极电流、负极电流进行计算，获得正极功率、正极电能，以及负极功率、负极电能，并送入预警逻辑模块；

预警逻辑模块中，设定充电回路正负极功率差值阈值；

预警逻辑模块中，把充电过程中的正负极功率差值与设定阈值比较，若大于，判断充电回路或在充电车辆相关隐患；

预警逻辑模块中，把充电过程中各时间段的正极电能与负极电能的差值，与所述正负极功率差值阈值与相应时间段时长相乘获得的正负极电能差值阈值比较，若大于，判断充电回路或在充电车辆相关隐患。

所述的一种预警型智能充电桩，其特征在于：在充电桩中充电回路中设置有继电器控制模块，mcu智控模块与继电器控制模块的信号输入端口连接，mcu智控模块中程序的预警逻辑模块检测到严重隐患时发出通断控制指令，继电器控制模块接收到通断控制指令后控制继电器的通断。

蓄电池等动力电池电压一般为大于36v的高压，直流侧电信号采集模块中，不能直接把高压通过非电气隔离元器件直接连接到计量模块输入端口，否则会被高压击穿。采样直流侧电压时，可采用串联电阻网络把高电压转换为满足计量模块输入电压条件的低电压信号；采集直流侧充电线路中各直流负极电流的可直接用电流采样电阻或mos管内阻采集电流信号，高压正极电流需要采用具有电气隔离的霍尔电流传感器或类似具有电气隔离的直流电流传感器件。

本发明设置网络通讯模块，mcu智控模块与网络通讯模块连接，进行对外数据传输；网络通讯可采用can、rs485、wifi、蓝牙、4g或5g通讯中的一种或多种模块，还包括可实现直接或间接实现与互联网云平台连接通讯的其它通讯技术方式。

本发明中，mcu智控模块的存储端口连接有eeprom。mcu智控模块的数据端口连接有esam加密模块。mcu智控模块的时钟端口连接有rtcs时钟模块。mcu智控模块的信号端口连接有电弧检测模块。

本发明中，mcu智控模块的信号端口通过按键显示驱动模块连接有显示器、按键、指示灯。

本发明的有益效果为：

本发明在充电桩交流侧、直流侧把包括突变时间段的各时间段内大量的剩余电流、绝缘电导等离散微小参数，通过对时间积分进行数据聚合处理，形成数值较大、数据量显著减少的时间积分参数，有利于沿时间维度分段观测隐患程度、隐患发展趋势。

本发明通过突变时间段的时间积分参数，不仅提高微弱异常监测精度，能够实现自适应捕获隐患变化。采用突变时间积分参数，意义在于跟踪获得突变事件的完整过程相关的积分参数，有利于提前预知有关电气安全突变事件。

本发明对于小于阈值的异常采用突变时间积分参数，自适应找到突变事件，通过突变时间段积分参数，可定位安全隐患出现的时间，有助于发现隐患设备，提高判断精度及准确性。

从监控报警发展为监测预警，这是电气安全发展的必然趋势。对电气安全早期微弱隐患的监测预警，不适用现有监控报警技术——利于随机的暂态电压、电流、剩余电流与设定的相关报警阈值比较，关键在于电气安全早期微弱隐患数值低于或远低于报警阈值。另一方面，在时间方面，安全隐患的早期存在时间段远大于后期严重隐患存在的时间段，所有电气安全早期隐患数据总量巨大，而且处于无故障的微弱早期隐患阶段，把大量数据本地存储或发送到云平台都浪费大量的存储设备和带宽流量。

与现有技术相比，本发明能够实现智能充电桩的电气安全隐患监测功能，有利于更直观区分电气安全隐患的种类和发生的时间，进一步提高了智能充电桩工作的安全性。

本发明结合现有充电桩主体，通过简单的硬件结构创新和充分的软件方法创新，把充电桩功能从充电、计量扩展到以电气老化、电气绝缘破损、剩余电流式电气火灾隐患监测为内容的电气安全监测，大幅度提升充电桩的功能。

本发明在不增加硬件结构的条件下，通过故障电弧会间歇性产生谐波电流的表现特性，通过总谐波相电流和总谐波剩余电流的，分别进行相线故障电弧和对地故障电弧监测预警。一些变频设备对母线或壳体泄放比较稳定的谐波电流或谐波剩余电流，直接干扰对故障电弧的判断，故障电弧具有间歇性时序特征，作为判据，避免现有这类变频设备的干扰误报，提高故障电弧检测的实用性。

附图说明

图1是本发明结构原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1所示，

实施例1：一种预警型智能充电桩，包含充电桩主体，还包括交流采集模块、直流采集模块、计量模块、mcu智控模块、网络通讯模块、二维码模块，其中：

交流采集模块采集充电桩供电交流侧的电压、电流和剩余电流信号；

直流采集模块采集充电桩直流侧电压、输出各回路的正极电流和负极电流信号；

直流采集模块中，不能直接把高压通过非电气隔离元器件直接连接到计量模块输入端口，否则会被高压击穿；采样直流侧电压时，可采用串联电阻网络把高电压转换为满足计量模块输入电压条件的低电压信号；直流侧充电回路负极电流采用霍尔传感器或电流采样电阻或mos管内阻进行采集；直流侧正极电流需要采用具有电气隔离的霍尔电流传感器或类似具有电气隔离的直流电流传感器件进行采集。

计量模块输入端口分别与交流采集模块、直流采集模块连接；

交计量模块与mcu智控模块连接；

mcu智控模块与网络通讯模块连接，进行对外数据传输；网络通讯模块可直接使用运营商光纤通讯，也可以采用nb-iot、4g通讯或can、rs485、wifi本地通讯，直接或间接实现与互联网云平台连接通讯的其它通讯技术方式。

二维码模块作为手机等二维码扫码设备的交互接口，通过扫码二维码进入充电、缴费应用业务流程；

充电桩主体，mcu智控模块通过计量模块获得直流侧充电回路电压、电流、功率、电能参数，送入显示子模块，其中电能参数作为充电车主缴费依据；

充电桩具有多路直流充电回路时，直流侧监测回路也会相应增加；

充电桩主体，mcu智控模块通过计量模块获得交流侧包括电压、电流、功率、电能相关电信号参数，送入显示子模块，其中电能参数对供电部门缴费参考依据；

mcu智控模块中程序设置有计算子程模块、突变处理模块、预警逻辑模块；

本实施例，计量模块在交流侧采用ade7880电能计量芯片为核心，ade7880是一种带谐波监测的电能计量芯片，但其内部n相电流处理部分没有谐波计算功能，只能获得有效值。

rn8302芯片也是一种相电压、相电流通道带谐波监测的三相电能计量芯片，其内部n相电流处理部分也没有谐波计算功能；与ade7880芯片相比，rn8302芯片成本较低，采用单独一颗rn8302采集剩余电流。

本实施例，各相电压、各相电流采集处理电路与ade7880芯片的ua、ub、uc、ia、ib、ic模拟通道输入端口对应连接；交流侧回路剩余电流采集处理电路与rn8302芯片的ia、ib、ic模拟通道之一连接；ade7880芯片和rn8302芯片分别通过spi或uart通讯接口与mcu智控模块相应通讯接口连接。

mcu智控模块通过ade7880芯片获得交流侧回路各相电压、相电流，以及相应谐波、功率和电能参数，其中包括各相电流谐波数值；

mcu智控模块通过通过rn8302芯片获得交流侧回路剩余电流参数，以及相应谐波、功率和电能参数，其中包括剩余电流谐波数值。

本实施例中，计量模块在直流侧采用rn8302芯片，该芯片具有直流检测功能。本实施中，把直流侧充电回路的正极、负极电流的采集处理电路，分别连接到rn8302芯片的ia、ib、ic电流输入端口3个中的2个——如ia、ib，把直流侧电压的采集处理电路同时连接到rn8302芯片的ua、ub、uc电压输入端口3个中的对应2个——如ua、ub。

rn8302芯片通过uart通讯接口与mcu智控模块相应通讯接口连接；

mcu智控模块通过rn8302芯片获得直流侧电压u及其谐波ux、直流侧充电回路正极电流i+及其谐波ix+、负极电流i-及其谐波信号ix-；

充电阶段获得充电功率和充电电能；

行驶阶段获得行驶放电功率和电能；

计算子程模块把正极电流i+与负极电流i-相减，获得剩余电流i0，通过电压u与剩余电流i0相乘，获得漏电功率ps；通过rn8302相应的正极电流i+与负极电流i-没有谐波成分，该直流剩余电流i0、漏电功率ps均没有谐波成分，漏电功率ps也是漏电有功功率，即为是漏电有功功率ps；

在计算子程模块中，根据电压u和漏电功率ps，按照电工学欧姆定律公式和功率定义公式，计算获得绝缘电阻rs和绝缘电导gs，其中：

rs＝u²/ps

gs＝ps/u²

计算子程模块，把所述直流侧充电回路剩余电流i0送入突变处理模块和预警逻辑模块；

计算子程模块，根据直流侧充电回路电压和剩余电流矢量计算，得到绝缘电导数值，把绝缘电导数值送入突变处理模块；再将直流侧充电回路的绝缘电导对时间进行积分，获得直流侧充电回路的各时间段绝缘电导时间积分参数，并送入预警逻辑模块；

本发明所述各时间段，一般也是以整分钟、小时、日、月等整时间段为主；

突变处理模块找出产生突变的直流侧充电回路绝缘电导数值，并从突变开始直至结束，将所述绝缘电导数值对时间进行积分，获得突变时间段绝缘电导时间积分参数，并送入预警逻辑模块；

预警逻辑模块中，预设有直流侧充电回路剩余电流阈值、不同时间尺度的直流侧充电回路绝缘电导时间积分阈值，预警逻辑模块中：本发明所述不同时间尺度，一般以整分钟、小时、日、月等不同长度的单位时间；

预警逻辑模块中，将直流侧充电回路剩余电流与相应阈值比较，若大于相应阈值，判断存在剩余电流类电气火灾隐患，并进行报警处理；

预警逻辑模块中，将直流侧充电回路的各时间段绝缘电导时间积分参数与相应阈值比较，若大于相应阈值，判断对应时间段存在电气绝缘隐患，并进行预警处理；针对突变时间段绝缘电导时间积分参数，把预设的相应时间积分阈值转换成与突变时间段相同时间长度的绝缘电导时间积分阈值，再进行相应的比较判断、预警处理。

本实施例，计算子程模块通过计量模块计算获得交流侧回路电流谐波、剩余电流谐波参数，以及直流侧充电回路电流谐波、剩余电流谐波，分别送入预警逻辑模块；

所述计算子程模块中，分别把交流侧回路电流谐波、剩余电流谐波数值对时间进行积分，获得各时间段的交流侧回路电流谐波时间积分参数、剩余电流谐波时间积分参数，并分别送入预警逻辑模块；

所述计算子程模块中，分别把直流侧充电回路电流谐波、剩余电流谐波数值对时间进行积分，获得各时间段的直流侧充电回路电流谐波时间积分参数、剩余电流谐波时间积分参数，并分别送入预警逻辑模块；

所述预警逻辑模块中分别预设交流侧电流谐波阈值、剩余电流谐波阈值，以及直流侧充电回路电流谐波阈值、剩余电流谐波阈值；

预警逻辑模块，分别把交流侧回路电流谐波、剩余电流谐波数值与相应阈值进行比较，若大于对应阈值，且呈间歇性出现，则判断相应回路产生串并联故障电弧或对地故障电弧隐患，进行预警报警处理；

预警逻辑模块，分别把直流侧充电回路电流谐波、剩余电流谐波数值与相应阈值进行比较，若大于对应阈值，且呈间歇性出现，则判断相应回路产生串并联故障电弧或对地故障电弧隐患，进行预警报警处理；

本发明所述谐波间歇性，是指检测参数数值超过相应谐波阈值情况，在秒级时间回复低于阈值，又秒级出现超过阈值，反复出现的情况，预警逻辑模块在程序中设置间歇性标识；本发明，所述秒级时间间隔，是指以秒为时间尺度的较短时间长度，包括从1秒开始的几秒、十几秒、几十秒。

所述预警逻辑模块中分别预设各时间段交流侧电流谐波时间积分阈值、剩余电流谐波时间积分阈值，以及各时间段直流侧充电回路电流谐波时间积分阈值、剩余电流谐波时间积分阈值；

预警逻辑模块，分别把各时间段交流侧回路电流谐波时间积分、剩余电流谐波时间积分数值和直流侧充电回路电流谐波时间积分、剩余电流谐波时间积分数值与相应阈值进行比较，若大于对应阈值，且呈间歇性出现，则判断相应回路产生串并联故障电弧或对地故障电弧隐患，进行预警报警处理。

本实施例中，计算子程模块通过计量模块获得交流侧剩余电流基波数值，送入突变处理模块和预警逻辑模块；计算子程模块把剩余电流基波数值对时间进行积分，获得各时间段的剩余电流基波时间积分参数，并送入预警逻辑模块；

突变处理模块找出存在突变的交流侧回路剩余电流基波数值，并从突变开始直至结束，将交流侧回路剩余电流基波数值对时间进行积分，得到突变时间段剩余电流基波时间积分参数，并送入预警逻辑模块；

预警逻辑模块中，预设有交流侧回路剩余电流基波阈值、不同时间尺度的交流侧回路剩余电流基波时间积分阈值，预警逻辑模块中：

预警逻辑模块中，将交流侧回路剩余电流基波数值与相应阈值进行比较，若大于相应阈值，判断对应时间段存在与漏电相关的电气火灾安全隐患，并进行报警处理；

预警逻辑模块中，将交流侧回路各时间段剩余电流基波时间积分参数与相应阈值进行比较，若大于相应阈值，则判断对应时间段存在与漏电相关隐患，并进行预警处理；针对突变时间段的交流侧剩余电流基波时间积分参数，把预设的相应时间积分阈值转换成与突变时间段相同时间长度的相关时间积分阈值，再进行相应的比较判断、预警处理。

本发明具体实施方案中，计算子程模块，根据直流侧充电回路电压和剩余电流矢量计算，得到绝缘电阻数值，送入预警逻辑模块；

预警逻辑模块中，预设有直流侧充电回路绝缘电阻阈值，预警逻辑模块中：

将直流侧充电回路绝缘电阻数值与相应阈值进行比较，若大于相应阈值，判断对应时间段存在与电气绝缘隐患，并进行预警处理。

本实施例中，计算子程模块通过计量模块把直流侧充电回路电压分别与直流侧充电回路的正极电流、负极电流组合，计算获得正极功率、正极电能，以及负极功率、负极电能，并送入预警逻辑模块；

预警逻辑模块中，设定充电回路正负极功率差值阈值；

预警逻辑模块中，把充电过程中的正负极功率差值与设定阈值比较，若大于，判断充电回路或在充电车辆相关隐患；

预警逻辑模块中，把充电过程中各时间段的正极电能与负极电能的差值，与所述正负极功率差值阈值与相应时间段时长相乘获得的正负极电能差值阈值比较，若大于，判断充电回路或在充电车辆相关隐患。

在充电桩中充电回路中设置有继电器控制模块，mcu智控模块与继电器控制模块的信号输入端口连接，mcu智控模块中程序的预警逻辑模块检测到严重隐患时发出控制指令，继电器控制模块接收控制指令后控制继电器的通断。

实施例2：与实施例1不同，充电桩交流侧回路剩余电流采集处理电路与mcu智控模块中的微控制器模拟量输入管脚连接，mcu智控模块及其计量子模块中通过微控制器的ad子模块采集计算获得，所述ad子模块，是指微控制器的模拟量(ad)采集处理单元。

实施例2中，微控制器采集计算，通过常规有效值计算和傅利叶fft计算，分别获得剩余电流有效值和基波数值，把有效值与基波数值相减，获得剩余电流谐波数值。

实施例2与实施例1相比，区别在于实施例1中交流侧回路剩余电流不采用rn8302芯片获得，实施例2中通过mcu智控模块中的微控制器模拟量输入管脚采集，由mcu智控模块中的微控制器程序计算获得。

本发明具体实施方案中，还有以下部分：

mcu智控模块的存储端口连接有储存模块，采用eeprom或flash；

mcu智控模块的数据端口连接有esam加密模块；

mcu智控模块的时钟端口连接有rtcs时钟模块；

mcu智控模块的信号端口连接有电弧检测模块；

mcu智控模块的信号端口通过按键显示驱动模块连接有显示器、按键、指示灯。