充电桩保护电路及相序检测方法与流程

1.本发明涉及充电桩技术领域，具体地说，涉及一种充电桩保护电路及相序检测方法。


背景技术：

2.电动汽车越来越受到用户欢迎，随之而来的是充电桩使用量也大幅增加。充电桩作为一种高压设备，其对安全性要求很高。其中护接地导体连续性侦测是重要一环，既能保护电动汽车，更能保护人身安全。
3.充电桩输入包括火线(l线)、零线(n线)和pe(接地线)，其中pe线能保证充电桩和电动汽车充电过程中在各种情况(包括故障状态)下外壳安全，不会对电动汽车和人身造成危害。而充电桩的零火线相序反接虽然能够正常工作，但也存在安全隐患。
4.现有技术为实现对零火线相序反接的检测以及接地线的接入状态侦测，通常采用以下两种方案：
5.方案1：采用绝缘电阻侦测电路。此方案采用一套复杂电路，涉及到光耦及控制芯片，同时控制时序也较复杂。此种方案电路一般成本高且体积大，实用性不高。并且此套电路仅侦测地线脱落，未侦测相序反接。
6.方案2：通过侦测零火线整流后电压，并通过光耦进行传输，通过光耦信号进行判断。此套电路由于受整流后寄生电压影响，侦测电路相关参数选择非常敏感，极易误侦测；同时此套电路要求客户零火线不能反接，对客户应用形成一定约束，且电路不具备相序反接的侦测功能。


技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明提供一种充电桩保护电路及相序检测方法，用于实现对充电桩的零火线相序反接的检测。
8.根据本发明的一个方面，提供一种充电桩保护电路，包括依次连接的信号采集模块、信号转换模块和主控模块；
9.所述信号采集模块用于分别采集零线和火线的输入电压信号，所述信号转换模块用于将所述零线的输入电压信号转换为第一输出电压信号，以及将所述火线的输入电压信号转换为第二输出电压信号；所述主控模块依据所述第一输出电压信号和所述第二输出电压信号，确定火线输入端和零线输入端的输入相序是否正确，并在输入相序错误时输出预警信息。
10.可选地，所述主控模块还依据所述第一输出电压信号和所述第二输出电压信号，确定是否存在pe接入异常，并在存在pe接入异常时控制充电桩停止充电。
11.可选地，所述主控模块在所述第一输出电压信号和所述第二输出电压信号的值形成的组合符合第一预设映射组合时，确定火线输入端和零线输入端的输入相序正确；当所述第一输出电压信号和所述第二输出电压信号的值形成的组合符合第二预设映射组合时，
确定所述输入相序不正确。
12.可选地，所述主控模块在所述第一输出电压信号和所述第二输出电压信号的值形成的组合符合第三预设映射组合时，确定存在pe接入异常。
13.可选地，所述信号转换模块包括三极管，所述三极管用于将输入信号转换为低电平或者高电平，所述三极管的基极与所述信号采集模块连接，所述三极管的发射极接地，所述三极管的集电极与所述主控模块连接。
14.可选地，所述信号转换模块还包括第一电阻、第二电阻、第一电容和火线输出端，所述三极管的发射极还与所述第一电容的第一端连接，所述三极管的集电极分别与所述第一电阻的第一端以及所述第二电阻的第一端连接，所述第一电阻的第二端与电源电压连接，所述第二电阻的第二端分别与火线输出端以及所述第一电容的第二端连接。
15.可选地，所述信号采集模块包括火线输入端、第一二极管、第三电阻、第四电阻和第二电容，所述第一二极管的正极与所述火线输入端连接，所述第一二极管的负极与所述第三电阻的第一端连接，所述第四电阻和第二电容并联后第一端与所述第三电阻的第二端连接，且第二端接地。
16.根据本发明的另一个方面，提供一种相序检测方法，采用上述任一充电桩保护电路进行检测，所述方法包括步骤：
17.s110，分别采集零线和火线的输入电压信号；
18.s120，分别将所述零线的输入电压信号转换为第一输出电压信号，以及将所述火线的输入电压信号转换为第二输出电压信号；以及
19.s130，依据所述第一输出电压信号和所述第二输出电压信号，确定火线输入端和零线输入端的输入相序是否正确，并在输入相序错误时输出预警信息。
20.可选地，步骤s130还包括：
21.依据所述第一输出电压信号和所述第二输出电压信号，确定是否存在pe接入异常，并在存在pe接入异常时控制充电桩停止充电。
22.可选地，步骤s130包括：
23.在所述第一输出电压信号和所述第二输出电压信号的值形成的组合符合第一预设映射组合时，确定火线输入端和零线输入端的输入相序正确；当所述第一输出电压信号和所述第二输出电压信号的值形成的组合符合第二预设映射组合时，确定所述输入相序不正确。
24.可选地，步骤s130包括：
25.在所述第一输出电压信号和所述第二输出电压信号的值形成的组合符合第三预设映射组合时，确定存在pe接入异常。
26.本发明与现有技术相比的有益效果在于：
27.本发明提供的充电桩保护电路及相序检测方法通过分别获取到火线的输出电平状态和零线的输出电平状态，只需通过高低电平判断输入相序是否反接，实现逻辑简单，利于保护充电桩的充电安全。
附图说明
28.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施
例，并与说明书一起用于解释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
29.图1为本发明一实施例公开的一种充电桩保护电路中部分电路结构示意图；
30.图2为本发明一实施例公开的一种充电桩保护电路中另一部分电路结构示意图；
31.图3为本发明一实施例公开的充电桩接线示意图；
32.图4为本发明一实施例公开的充电桩的相序检测方法的流程示意图。
具体实施方式
33.现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式。相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。在下面的描述中，提供许多具体细节从而给出对本公开的实施方式的充分理解。然而，本领域技术人员将意识到，可以实践本公开的技术方案而没有所述特定细节中的一个或更多，或者可以采用其它的方法、材料、装置等。在其它情况下，不详细示出或描述公知技术方案以避免模糊本公开的各方面。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。
34.用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”、“具有”以及“设有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等。
35.本发明公开了一种充电桩保护电路及相序检测方法。上述充电桩保护电路包括依次连接的信号采集模块、信号转换模块和主控模块。也即信号转换模块分别与信号采集模块以及主控模块连接。
36.本实施例中，上述信号采集模块用于分别采集零线和火线的输入电压信号。上述信号转换模块用于将上述零线的输入电压信号转换为第一输出电压信号，以及将上述火线的输入电压信号转换为第二输出电压信号。
37.具体而言，上述信号采集模块包括第一采集模块和第二采集模块，第一采集模块用于采集火线的输入电压信号。第二采集模块用于采集零线的输入电压信号。第一采集模块可以包含有火线输入端，该火线输入端用于接入电源线的火线。第二采集模块可以包含有零线输入端，该零线输入端用于接入电源线的零线。上述充电桩保护电路还包括pe线输入端，该pe线输入端用于接入接地线。本实施例中，第一采集模块和第二采集模块的电路结构是相同的，但本技术不以此为限。
38.信号转换模块可以包含有第一转换模块和第二转换模块，第一转换模块和上述第一采集模块连接。第一转换模块将上述火线的输入电压信号转换为第二输出电压信号。第二转换模块将上述零线的输入电压信号转换为第一输出电压信号。本实施例中，第一转换模块和第二转换模块的电路结构是相同的，但本技术不以此为限。
39.本实施例中，上述第一转换模块和第二转换模块均包含有三极管。上述三极管用于将输入信号转换为低电平或者高电平。第一转换模块中三极管的基极与上述第一采集模块连接。第二转换模块中三极管的基极与上述第二采集模块连接。上述三极管的发射极接
地。三极管的集电极均与上述主控模块连接。
40.本技术通过三极管将采集到的信号转换为高低电平，使得后续主控模块对相序错接的侦测更加准确，利于提高准确性。相比于现有技术可能采用运算放大器实现上述信号采集模块或者信号转换模块，本技术的采用三极管的方案上电速度更快，用户使用体验更好。因为输入电压存在波动，那么对应的输出就需要兼顾这些波动范围，导致该电路在开机阶段需要一段时间稳定，上电速度慢。并且，另一方面，采用运算放大器后将会使得电路体积大，不利于电路结构的小型化设计；成本较高。相比而言，本技术的上述方案占用体积小，成本更低。另外，相比于现有技术中利用具体电压值判断甚至还需要判断脉冲，其判断逻辑实现复杂，本技术实现更加简单，实用性更强。
41.如图1所示，本实施例中，上述第一转换模块不仅包含第一三极管q1，还包括第一电阻r1、第二电阻r2、第一电容c1和火线输出端，上述第一三极管q1的发射极还与上述第一电容c1的第一端连接。上述第一三极管q1的集电极分别与上述第一电阻r1的第一端以及上述第二电阻r2的第一端连接。上述第一电阻r1的第二端与电源电压连接。上述第二电阻r2的第二端分别与火线输出端以及上述第一电容c1的第二端连接。电源电压即为vdd电压，可以为3.3v。第一电容c1的第二端还与火线输出端连接。
42.上述第一采集模块包括第一二极管d1、第三电阻r3、第四电阻r4和第二电容c2。上述第一二极管d1的正极与上述火线输入端连接。上述第一二极管d1的负极与上述第三电阻r3的第一端连接。上述第四电阻r4和第二电容c2并联后第一端与上述第三电阻r3的第二端连接，且上述第四电阻r4和第二电容c2并联后第二端接地。上述第四电阻r4和第二电容c2并联后第一端还与第一三极管q1的基极连接。上述第四电阻r4和第二电容c2并联后第二端还分别与第一三极管q1的发射极以及第一电容c1的第一端连接。
43.图1中的l_input即为火线输入端，pe_loss_l即为火线输出端。火线输出端输出第一输出电压信号。参考图1，充电桩电路中，保护接地线pe和副边地sgnd是连接的，作为cp信号(控制引导功能信号)和低压端电压的参考地。
44.由于关于火线的第一采集模块、第一转换模块结构与关于零线的第二采集模块、第二转换模块结构分别是相同的，所以参考图2，本实施例示出了关于零线对应的第二采集模块和第二转换模块结构。其包含有第五电阻r5、第六电阻r6、第三电容c3、第二三极管q2、第七电阻r7、第八电阻r8、第四电容c4和第二二极管d2。本实施例对图2的电路结构不再赘述。图2中的n_input即为零线输入端，pe_loss_n即为零线输出端。该零线输出端输出第二输出电压信号。
45.本技术的上述信号采集模块和信号转换模块均是由普通的电阻、电容和半导体晶体管组成，占用体积小，成本低。
46.上述主控模块依据上述第一输出电压信号和上述第二输出电压信号，确定火线输入端和零线输入端的输入相序是否正确，并在输入相序错误时输出预警信息；以及依据上述第一输出电压信号和上述第二输出电压信号，确定是否存在pe接入异常，并在存在pe接入异常时控制充电桩停止充电。pe接入异常即为pe线输入端并未接地，可以为pe线脱落。
47.具体实施时，当输入相序错误时，可通过充电桩的显示屏幕输出预警信息，即给出相关警示。也可以向用户的终端设备发送预警信息。本技术对此不作限制。
48.具体而言，表1示出了主控模块的判断逻辑。参考表1，主控模块在上述第一输出电
压信号和上述第二输出电压信号的值形成的组合符合第一预设映射组合时，确定火线输入端和零线输入端的输入相序正确。当上述第一输出电压信号和上述第二输出电压信号的值形成的组合符合第二预设映射组合时，确定上述输入相序不正确。
49.主控模块在上述第一输出电压信号和上述第二输出电压信号的值形成的组合符合第三预设映射组合时，确定存在pe接入异常。该主控模块可以为mcu单元。
50.表1主控模块判断逻辑表
51.pe线l_input线n_input线pe_loss_lpe_loss_npe接地接l接nlhpe不接地接l接nllpe接地接n接lhlpe不接地接n接lll
52.参考表1，本实施例中，当零火线相序正常(即l_input接l线，n_input接n线)，且pe线接地正常时，此时pe线与sgnd等电位，同时输入火线接l_input，输入零线接入n_input。
53.l_input经第一二极管d1整流，并经电阻r3、电阻r4和电容c2分压，产生一个驱动电流驱动第一三极管q1。q1处于饱和导通状态，经电阻r2与电容c1滤波后经pe_loss_l输出第一输出电压信号，第一输出电压信号为一个低电平。n_input与sgnd等电位，其将无电流产生，第二三极管q2处于截止状态，pe_loss_n输出高电平。那么，上述第一预设映射组合可以为：pe_loss_l与低电平l映射，pe_loss_n与高电平h映射。
54.当零火线相序正常(即l_input接l线，n_input接n线)，且pe线接地异常(即未接地)时，此时sgnd与pe线的电势不相等。但电路中由于y电容(附图未示出)的原因，n_input与l_input相对于参考地sgnd均有一个较高电压。此电压将会驱动第一三极管q1与第二三极管q2处于导通状态，导致pe_loss_l与pe_loss_n都会输出一个低电平。那么，上述第三预设映射组合可以为：pe_loss_l与低电平l映射，pe_loss_n与低电平l映射。
55.当零火线相序反接(即l_input接n线，n_input接l线)，且pe线接地正常时，此时pe线与sgnd等电位，同时输入火线接n_input，输入零线接入l_input。n_input经第二二极管d2整流，并经电阻r7、电阻r8和电容c4分压，产生一个驱动电流驱动三极管q2，三极管q2处于饱和导通状态，经电阻r6与电容c3滤波后经pe_loss_n输出第二输出电压信号，第二输出电压信号为一个低电平。l_input与sgnd等电位，将无电流产生，第一三极管q1处于截止状态，pe_loss_l输出高电平。那么，上述第二预设映射组合可以为：pe_loss_l与高电平h映射，pe_loss_n与低电平l映射。
56.当零火线相序反接(即l_input接n线，n_input接l线)，且pe线接地异常(即未接地)时，此时pe线与sgnd的电势不相等。由于电路中y电容作用，n_input与l_input相对参考地sgnd有一个感应电压，此电压经过整流分别驱动第二三极管q2与第一三极管q1,使得pe_loss_l和pe_loss_n均输出低电平。
57.示例性地，上述低电平可以为0.6v，该高电平可以为3.3v，本技术不以此为限。
58.图3为本发明一实施例公开的交流充电桩接线示意图。其中，k1和k2均为开关，ac/dc属于开关电源，实现交流输入直流输出，本发明上述任一实施例公开的充电桩保护电路应用于该附图的控制单元中。obc是车载充电器。
59.本发明一实施例还公开了一种充电桩的相序检测方法。该相序检测方法采用上述
任一实施例公开的充电桩保护电路进行检测。充电桩保护电路的详细结构特征和优势可参照上述实施例的描述，此处不再赘述。如图4所示，该相序检测方法包括步骤：
60.s110，分别采集零线和火线的输入电压信号。
61.s120，分别将上述零线的输入电压信号转换为第一输出电压信号，以及将上述火线的输入电压信号转换为第二输出电压信号。以及
62.s130，依据上述第一输出电压信号和上述第二输出电压信号，确定火线输入端和零线输入端的输入相序是否正确，并在输入相序错误时输出预警信息。
63.在本技术的一实施例中，步骤s130还包括：
64.依据上述第一输出电压信号和上述第二输出电压信号，确定是否存在pe接入异常，并在存在pe接入异常时控制充电桩停止充电。此时，该步骤为：依据上述第一输出电压信号和上述第二输出电压信号，确定火线输入端和零线输入端的输入相序是否正确以及是否存在pe接入异常，并在输入相序错误时输出预警信息，以及存在pe接入异常时控制充电桩停止充电。
65.在本技术的一实施例中，步骤s130包括：
66.在上述第一输出电压信号和上述第二输出电压信号的值形成的组合符合第一预设映射组合时，确定火线输入端和零线输入端的输入相序正确；当上述第一输出电压信号和上述第二输出电压信号的值形成的组合符合第二预设映射组合时，确定上述输入相序不正确。
67.在本技术的一实施例中，步骤s130包括：
68.在上述第一输出电压信号和上述第二输出电压信号的值形成的组合符合第三预设映射组合时，确定存在pe接入异常。
69.综上，本发明的充电桩保护电路及相序检测方法至少具有如下优势：
70.本实施例公开的充电桩保护电路及相序检测方法通过分别获取到火线的输出电平状态和零线的输出电平状态，只需通过高低电平即可判断输入相序是否反接以及接地线是否正确接地，实现逻辑简单，利于保护充电桩的充电安全。同时本发明仅涉及常用的电阻、电容及三极管，其成本较低，同时占用体积较小。设计中仅需有电流驱动三极管皆可，参数设计简单。
71.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。