一种充电类设备漏电自检装置及自检方法

技术领域

本发明属于电动汽车充电技术领域，具体涉及一种充电类设备漏电自检装置，还涉及一种充电类设备漏电自检方法。

背景技术

近年来，新能源电动汽车的推进符合国家政策及行业发展趋势，随着新能源汽车技术的发展，小功率直流充电技术方案逐步被主机厂认可，成为一种趋势；其中移动式小功率直流充电机为最受欢迎的一种充电方式，供电插头可直接接入市电取电。

移动式小功率直流充电机在电动汽车充电过程中，需要具备漏电流保护功能，在漏电电流保护电器的一般要求指出，漏电流保护器应具备试验装置，通过模拟在额定电压下通以一个不超过预设电流大小的漏电电流，以便定期的检验剩余电流保护电器的动作能力。

基于此，现研究一种电动汽车充电连接装置漏电流自检功能实现的方法，能够有效解决安全问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种充电类设备漏电自检装置，模拟漏电流产生及判断采集的漏电流数据，定期进行漏电流自检。

为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案。

第一方面，本发明提供了一种充电类设备漏电自检装置，包括：漏电流模拟电路、漏电流检测电路、控制电路和继电器控制电路；

所述漏电流模拟电路、漏电流检测电路和继电器控制电路分别连接控制电路；

所述漏电流模拟电路，用于通过控制电路控制模拟出漏电流；

所述漏电流检测电路，用于对漏电流进行采样获得漏电流的采样信号；

所述继电器控制电路，用于控制充电电源线路的通断；

所述控制电路，用于控制漏电流模拟电路模拟出漏电流，以及采集漏电流的采样信号，并基于采样信号值得到漏电流检测功能是否正常，若正常则控制继电器控制电路连通充电电源线路，否则控制继电器控制电路断开充电电源线路。

可选地，所述漏电流模拟电路包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4，电容C1、电容C2，三极管Q1和三极管Q2；

电阻R3的一端作为第一PWM波输入端连接PWM波xtc+，电阻R3的另一端连接三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的基极和发射极之间连接电容C1，三极管Q1的集电极串电阻R1后连接电源VCC；

电阻R4的一端作为第二PWM波输入端连接PWM波xtc-，所述PWM波xtc+和xtc-为高低电平互补的PWM波，电阻R4的另一端连接三极管Q2的基极，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的基极和发射极之间连接电容C2，三极管Q2的集电极串联电阻R2后连接电源VCC，电阻R1与三极管Q1的集电极之间电连接点作为模拟漏电流的一输出端，电阻R2与三极管Q2的集电极之间电连接点作为模拟漏电流的另一输出端；

所述模拟漏电流的两个输出端通过导线连接，所述导线穿过漏电流互感器以便漏电流检测电路采集漏电流。

可选地，所述漏电流检测电路包括相连的采样电阻和差分放大电路，其中所述采样电阻包括电阻R16，所述差分放大电路包括：电阻R15、电阻R19、电容C6、电容C8、电阻R17、电阻R20、电阻R13、电阻R22、电容C7、运算放大器IC1，电阻R18和电阻C9；

漏电流的两个输出端连接在电阻R16两端，电阻R16的一端连接电阻R15，电阻R15的另一端连接电容C6及电阻R17，电容C6的另一端接地，电阻R16的另一端连接电阻R19，电阻R19的另一端连接电容C8及电阻R20，电容C8的另一端接地，电阻R17的另一端连接电阻R13及运算放大器IC1的同相输入端，电阻R20的另一端连接电阻R22及运算放大器IC1的反相输入端，电阻R13的另一端连接基准电压Vbias，电容C7并联在运算放大器IC1的同相输入端和反相输入端之间，电阻R22的另一端连接运算放大器IC1的输出端，运算放大器IC1的输出端连接电阻R18的一端，电阻R18的另一端连接电容C9，电容C9的另一端接地；电阻R18与电容C9之间的连接点作为差分放大电路的输出，即漏电流的采样电压信号ai_rct。

可选地，所述继电器控制电路包括：电阻R7、二极管D1、继电器K1、MOS管Q3、电阻R9、电阻R11和电容C3；

电阻R9的一端作为控制信号输入端连接控制信号Rly_Ctrl，电阻R9的另一端同时连接MOS管Q3的G极、电容C3的一端和电阻R11的一端，电容C3的另一端和电阻R11的另一端均接地，MOS管Q3的S极接地，MOS管Q3的D极同时连接二极管D1的阳极、继电器K1的一个输入端，二极管D1的阴极同时连接电阻R7的一端、继电器K1的另一输入端，电阻R7的另一端连接电源，继电器K1的一个输出端连接充电电源线一端L_in，继电器K1的另一输出端连接充电电源线另一端L_out；

当控制信号Rly_Ctrl为低电平时，继电器K1断开，使得充电电源线路两端断开；

当控制信号Rly_Ctrl为高电平时，继电器K1闭合，使得充电电源线路两端连通。

可选地，所述充电电源线路为火线或零线。

可选地，所述控制电路包括单片机。

可选地，还包括：LED指示灯控制电路，用于指示漏电流检测功能是否正常。

可选地，所述LED指示灯控制电路包括：电阻R5、绿色指示灯LED1、电阻R6、红色指示灯LED2；

指示灯控制信号LED_Ctrl连在电阻R5的一端和电阻R6的一端，电阻R5的另一端连接绿色指示灯LED1的阴极，绿色指示灯LED1的阳极连接电源VCC，电阻R6的另一端连接红色指示灯LED2的阳极，红色指示灯LED2的阴极接地；

当漏电流检测功能正常时，控制绿色指示灯LED1亮，当漏电流检测功能异常时，控制红色指示灯LED2亮。

第二方面，基于上述一种充电类设备漏电自检装置的漏电自检方法，包括如下步骤：

模拟出漏电流；

采集漏电流的采样信号；

基于漏电流采样信号值判断漏电流检测功能是否正常，若正常则连通充电电源线路，否则断开充电电源线路。

可选地，所述模拟出漏电流包括：

输出两路高低电平互补的PWM波到漏电流模拟电路，由于三极管Q1、Q2不同时导通，使得穿过漏电流互感器的导线上形成漏电流信号。

可选地，所述基于漏电流采样信号值判断漏电流检测功能是否正常，包括：

将漏电流采样信号值与设置的阈值进行比较；

若大于阈值，说明漏电流检测功能是正常的；若低于阈值，说明漏电流检测功能异常。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：本发明定期模拟漏电流的产生，并将产生的模拟漏电流采集，传递给控制电路进行判断；如有异常，将串接在火零线上的继电器断开，进而断开对后级充电设备的供电；同时还能够定期进行漏电流自检，无需像传统的漏电电流保护器那样每月人工触发一次试验装置。本发明能确保漏电电流保护器的长期稳定运行，在真正发生漏电保护场景时及时动作。

附图说明

图1为充电类设备漏电自检的控制系统组成；

图2为漏电流模拟电路原理图；

图3为漏电流检测电路原理图；

图4为LED指示灯控制电路原理图；

图5为继电器控制电路原理图；

图6为模拟的互补的PWM波形。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明专利的描述中，需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，除了包含所列的那些要素，而且还可包含没有明确列出的其他要素。

在本发明专利的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明专利和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明专利的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明专利的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“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；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明专利中的具体含义。

本发明的发明构思为：在移动式小功率充电机给车辆充电过程中，刚给充电设备上电时，单片机控制系统模拟输出对称的PWM波xtc+、xtc-，频率为50Hz，经过由三极管电阻等组成的电路，将信号转化成正弦波tc+、tc-，穿过漏电流互感器后，经过采样电阻、差分放大后送到单片机控制系统的ADC引脚，单片机控制系统对采集的漏电流进行判断。若在合理范围内，则判断漏电流自检通过，控制绿色LED亮，继电器吸合，充电设备正常输出市电给负载充电；若检测到漏电流或漏电流异常，则判断漏电流自检不通过，控制红色LED亮，火零线上串接的继电器关断，充电设备与负载间的连接断开，不进行充电。

本发明实施例的一种充电类设备漏电自检装置，参见图1所示，包括：漏电流模拟电路、漏电流检测电路、单片机控制电路、LED指示灯控制电路、继电器控制电路。

下面对各个电路进行详细介绍：

1）漏电流模拟电路

单片机控制系统模拟输出对称的PWM波xtc+、xtc-，频率为50Hz，经过漏电流模拟电路，将信号转化成正弦波tc+、tc-输出。

图2为漏电流模拟电路原理图；漏电流模拟电路包括电源VCC接入端、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4，电容C1、电容C2，三极管Q1、三极管Q2，第一PWM波输入端串联电阻R3后连接三极管Q1的基极，三极管Q1的发射极接地，三极管Q1的基极和发射极之间连接电容C1，三极管Q1的集电极串电阻R1后连接电源VCC接入端，第二PWM波输入端串联电阻R4后连接三极管Q2的基极，三极管Q2的发射极接地，三极管Q2的基极和发射极之间连接电容C2，三极管Q2的集电极串联电阻R2后连接电源VCC接入端，电阻R1与三极管Q1的集电极之间电连接点作为模拟漏电流的一端输出，电阻R2与三极管Q2的集电极之间电连接点作为模拟漏电流的另一端输出。电源VCC接入端连接电源VCC，第一PWM波输入端连接PWM波xtc+，第二PWM波输入端连接PWM波xtc-。

漏电流模拟电路的工作原理为：xtc+、xtc-为占空比相同、互补的两路PWM信号，即当xtc+为高电平时，xtc-为低电平，当xtc+为低电平时，xtc-为高电平，通过PWM信号的高低电平来控制Q1和Q2的开通关断；tc+、tc-通过一根导线串接在漏电流互感器中，与电源VCC、电阻R1、电阻R2、地GND形成一个回路，产生微小的电流信号，供漏电流互感器检测到。电流信号的电流大小为VCC÷R1，R1与R2阻值相同。

2）漏电流检测电路

图3为漏电流检测电路原理图；漏电流检测电路包括相连的采样电阻和差分放大电路，所述采样电阻包括电阻R16，所述差分放大电路包括电阻R15、电阻R19、电容C6、电容C8、电阻R17、电阻R20、电阻R13、电容C7、电阻R22、运放IC1，电容C5、电阻R18、电阻C9，漏电流信号ct+、ct-连接在电阻R16两端，电阻R16的一端连接电阻R15，电阻R15的另一端连接电容C6及电阻R17，电容C6的另一端接地，电阻R16的另一端连接电阻R19，电阻R19的另一端连接C8及电阻R20，电容C8的另一端接地，电阻R17的另一端连接电阻R13及运算放大器IC1的同相输入端，电阻R20的另一端连接电阻R22及运算放大器IC1的反相输入端，电阻R13的另一端连接2.5V基准电压Vbias，电阻R22的另一端连接运算放大器IC1的输出端，电容C7并联在运算放大器IC1的同相输入端和反相输入端之间，运算放大器IC1的输出端连接电阻R18的一端，电阻R18的另一端连接电容C9，电容C9的另一端接地；电阻R18与电容C9之间的连接点作为差分放大电路的输出，即漏电流的采样电压信号ai_rct。

漏电流检测电路的工作原理为：当ct+、ct-处接入模拟的漏电流信号时，通过采样电阻R16转变为微小的电压信号，再经过差分放大电路进行放大后，送至单片机ADC引脚，而基准电压Vbias使得送到单片机ADC引脚的电压信号不包含负电平。

3）LED指示灯控制电路

图4为LED指示灯控制电路原理图； LED指示灯控制电路包括：电阻R5、绿色指示灯LED1、电阻R6、红色指示灯LED2，指示灯控制信号LED_Ctrl从单片机IO口输出，连在电阻R5的一端和电阻R6的一端，电阻R5的另一端连接绿色指示灯LED1的阴极，绿色指示灯LED1的阳极连接电源VCC，电阻R6的另一端连接红色指示灯LED2的阳极，红色指示灯LED2的阴极接地。当检测到的模拟漏电流信号与设计的数值一致时，说明漏电流检测电路正常，单片机控制绿色指示灯LED1亮，当检测到的模拟漏电流信号与设计的数值不符时，说明漏电流检测电路异常，单片机控制红色指示灯LED2亮。

4）继电器控制电路

图5为继电器控制电路原理图；继电器控制电路包括：电阻R7、二极管D1、继电器K1、MOS管Q3、电阻R9、电阻R11、电容C3，电阻R9的一端连接控制信号Rly_Ctrl，另一端同时连接MOS管Q3的G极、电容C3的一端、电阻R11的一端，电容C3的另一端和电阻R11的另一端均接地，MOS管Q3的S极接地，MOS管Q3的D极同时连接二极管D1的阳极、继电器K1的一个输入端，二极管D1的阴极同时连接电阻R7的一端、继电器K1的另一输入端，电阻R7的另一端连接电源12V，继电器K1的一个输出端连接充电电源线一端L_in，继电器K1的另一输出端连接充电电源线另一端L_out。

继电器控制电路的工作原理为：当漏电流检测电路出现故障（异常）时，单片机控制Rly_Ctrl输出低电平，使得电源线（火线）上串接的继电器K1断开，即使得输入输出断开。零线上串接的继电器工作原理与火线上的继电器工作原理一样，可使用同一个控制引脚Rly_Ctrl进行控制。

图6为模拟的漏电流采样电压信号，是示波器实测波形，CH1为ai_rct的波形，CH2为Rly_Ctrl波形，当模拟的漏电流采样电压信号ai_rct正确传递到单片机ADC引脚后，单片机控制输出Rly_Ctrl由低电平变为高电平，即CH2所示波形。

本发明的充电类设备漏电自检装置的工作过程，包括如下步骤：

1）单片机控制系统模拟输出两路高低电平互补的PWM波xtc+、xtc-，两路PWM波的频率为50Hz、幅值为3.3V，经过漏电流模拟电路，由于Q1、Q2不同时导通，使得穿过漏电流互感器的tc+、tc-导线上形成一个小小的正弦波电流信号，电流信号的电流大小为VCC÷R1，R1与R2阻值相同；

2）当漏电流互感器检测到模拟的漏电流时， 漏电流互感器的固定变比CT，通过采样电阻R16，再经过差分放大电路，放大倍数为R13÷(R17+R15)，其中R13与R22阻值相同，R17与R20阻值相同，R15与R19阻值相同，最终将电压信号ai_rct送至单片机控制系统的ADC引脚，此电压信号ai_rct的理论值为VCC÷R1÷CT×R16×[R13÷(R17+R15)]，具体的CT值及各电阻阻值可根据实际情况进行选择；

3）当单片机控制系统的ADC引脚检测到此电压信号时，与设置的阈值进行比较，具体阈值可根据实际模拟出的ai_rct电压值进行设定。当大于设定阈值时，说明漏电流检测功能是正常的，漏电流互感器及漏电流检测电路没有损坏，控制绿色LED亮，火零线上串接的继电器闭合，充电设备正常工作；当低于阈值时，说明漏电流检测功能异常，需控制红色LED亮，火零线上串接的继电器断开，充电设备停止充电。

本发明的充电类设备漏电自检装置可以应用到现有技术中的直流充电连接装置中，包括供电插头、控制单元、直流充电连接器等。其中供电插头与控制单元相连接、控制单元与充电连接器相连接。使用过程中，所述直流充电连接器连接电动汽车，所述供电插头连接市电插座，控制单元对充电过程进行监测与控制。

在供电插头内，设置漏电流互感器及漏电流自检功能。所述漏电流自检功能受控制单元内的漏电流检测电路监测。

在控制单元的漏电流检测模块由漏电流互感器、采样电阻、差分放大电路及单片机控制系统组成。

直流充电连接装置还包括显示回路，所述的显示回路设置在直流充电连接装置上，并受控制单元控制与显示。

所述的显示回路为指示灯板及其电路，所述指示灯板或液晶屏设置在控制单元或直流充电连接器的表面上。

本发明通过供电插头的漏电流自检功能模块来监测供电插头在充电过程中漏电流互感器是否有异常，当自检时模拟的漏电流高于或低于一定漏电流阈值时，自动发出对应的控制信号控制火零线上串接的继电器闭合或断开，从而断开后级充电设备的电源输入，并发出对应的故障或报警指示，因此能够有效避免漏电流互感器工作在非安全状态。

本发明无需像常用漏电电流保护器那样每月进行人工试验，给用户带来更多便捷；同时能够真正做到每月人工试验的比例极低，造成漏电电流保护器事实上处于潜在的非安全工作状态，给用户带来更多的安全保障；从而确保电动汽车安全充电。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。