一种用于充电桩具有绝缘检测功能的直流电能表的制作方法

本发明涉及直流电能表技术领域，特别涉及一种用于充电桩兼具有绝缘检测功能的直流电能表。

背景技术：

随着新能源汽车产业的高速发展，作为新能源汽车的动力来源，电动汽车充电桩的市场需求也逐年增多。最新的电动汽车充电桩的国家标准要求，充电桩的直流输出应配有直流电能表和绝缘检测装置。直流电能表用于计量充电桩输出电压、电流、功率等电气参数。绝缘检测装置用于实时检测充电桩直流母线的绝缘状态，以确保充电桩设备的安全使用。

当前应用于充电桩的直流电能表和绝缘检测设备都是以单独个体的形式安装和使用的。

例如专利号为201220352766.2，名称为一种直流电能表，其公开了直流电能表的技术方案，“直流电能表包括外壳，安装在直流电能表外壳内的主控芯片(1)、计量芯片(2)、时钟芯片(3)、485芯片(4)、显示屏(5)、液晶驱动芯片(6)和电源模块(7)，所述的计量芯片(2)、时钟芯片(3)、485芯片(4)、液晶驱动芯片(6)和电源模块(7)分别和主控芯片(1)相连，所述的时钟芯片(3)还与电源模块(7)相连。”

上述技术方案的直流电能表只具有计量功能，不具有绝缘检测的功能，如果要满足最新国标的要求和充电桩的安全需求，还需要额外的增加绝缘检测设备，其安装和使用方式不仅不利于充电桩的小型化和智能化而且增加了充电桩内部电气连接的复杂度和综合成本。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种应用于充电桩且具有绝缘检测功能的直流电能表。

为了解决上述问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于充电桩具有绝缘检测功能的直流电能表，由电源单元和控制系统构成，电源单元为主控制器及其相连的装置提供电力。

控制系统由主控制器、计量电路、485通信电路、显示器、存储器、绝缘检测装置、绝缘状态指示、按键和电池电路构成。

绝缘检测装置包括电阻桥网络、可控继电器开关、信号调理电路和MCU部分外围电路。电阻桥网络由电阻R_f+、R_f-、R₀₊、R_0-、R_c+、R_c-组成，其中R_c+、R_c-为采样电阻。充电桩直流母线DC+、DC-和参考地PGND与由电阻R_f+、R_f-、R₀₊、R_0-、R_c+、R_c-组成的电阻桥网络连接。

可控开关K₃、K₄分别并接在电阻R₀₊、R_0-两端，可控开关K₃、K₄的通断改变电阻桥网络的电阻分压状态；继电器开关K₁、K₂分别串入正、负电阻桥并与MCU的GPIO管脚连接，实现绝缘检测的通断控制；采样电阻R_c+、R_c-输出经信号调理电路最后进入MCU的ADC采样管脚。

绝缘检测装置与主控制器连接，主控制器控制绝缘检测装置进行绝缘检测，绝缘检测装置将检测结果反馈给主控制器，主控器通过连接的绝缘检测状态指示将绝缘检测结果予以显示。

其中计量电路主要由分流器、采样电阻和单相计量芯片组成。充电桩直流正、负母线通过采样电阻和分流器与单相计量芯片输入通道连接，单相计量芯片与主控制器连接。单相计量芯片通过采集的电压、电流信号实现电能表的直流计量功能。主控制器控制单相计量芯片对直流电桩的采样电压、电流参数进行电能计量，同时单相计量芯片将数据信息反馈给主控制器，主控制器通过LCD/LED显示单元将相关参数进行显示。

主控制器外围还分别与通信单元、按键和存储器连接。所述主控制器与485通信电路相连，所述485通信电路可以与外界设备进行数据通信。所述主控制器与按键相连，所述按键可对直流表显示参数进行查询。所述主控制器与存储和电池电路相连，以满足数据存储和实时时钟的准确性。

有益效果：

本发明与现有技术相比，本发明充分考虑了充电桩直流输出的外围设备需求，结合了直流电能表和绝缘检测装置的功能，将绝缘检测功能增加到了直流电能表中，不仅能对充电桩直流输出电能进行精确计量还可以实时判定充电桩的绝缘状态的。

本发明同时解决了如下几个技术问题：

①实现充电桩直流输出的电能计量和电气参数测量；

②对计量参数进行实时存储和显示；

③能够与外围设备通过485通信接口进行数据交换；

④实现了充电桩的绝缘检测功能；

⑤实现了充电桩外围设备的一体化和小型化。

采用本发明的技术方案实现了充电桩外围设备的一体化和小型化，节省了充电桩的布局空间，简化了电气连接，降低了成本。

附图说明

图1为本发明一种具有绝缘检测功能的直流电能表结构图。

图2为本发明绝缘检测装置原理图。

具体实施方式

下面结合附图1和2对本发明的具体实施方式做进一步的说明。

图1为本发明一种具有绝缘检测功能的直流电能表结构图，直流电能表电源单元和控制系统构成。

控制系统由上海钜泉主控制器HT6015、计量电路、485通信电路、显示器、存储器、绝缘检测装置、绝缘状态指示、按键和电池电路构成。主控制器分别连接计量电路、485通信电路、显示器、存储器、绝缘检测装置、绝缘状态指示、按键和电池电路。其中计量电路、485通信电路与绝缘检测装置与主控制器实现双向信息交互。

其中计量电路主要由分流器、采样电阻和上海钜泉单相计量芯片HT7017构成，采样电阻实现电阻分压，充电桩直流正、负母线DC+和DC-通过采样电阻和分流器与单相计量芯片输入通道连接，单相计量芯片通过采集的电压、电流信号实现电能表的直流计量功能。

充电桩的直流正、负母线直接与绝缘检测装置连接实现绝缘检测功能。

主控制器外围分别与计量电路、通信单元、显示器、存储器、绝缘检测装置、状态指示和电源单元连接，实现直流电能表的计量、显示、通信、数据处理和数据存储等功能。

主控制器与485通信电路相连，485通信电路连接通信接口，485通信电路可以与外界设备进行数据通信。

主控制器与按键相连，所述按键可对直流表显示参数进行查询

主控制器与存储和电池电路相连，以满足数据存储和实时时钟的准确性。

本发明的实施例中，绝缘检测装置原理图如图2所示，绝缘检测装置包括电阻桥网络、可控继电器开关、信号调理电路和MCU部分外围电路。电阻R_f+、R_f-、R₀₊、R_0-、R_c+、R_c-组成电阻桥网络，其中R_f+、R₀₊、R_c+串联后与串联的R_f-、R_0-、R_c-并联。

充电桩直流母线DC+、DC-和参考地PGND与由电阻R_f+、R_f-、R₀₊、R_0-、R_c+、R_c-组成的电阻桥网络连接；可控开关K₃、K₄分别并接在电阻R₀₊、R_0-两端；继电器开关K₁、K₂分别串入正、负电阻桥并与MCU的GPIO管脚连接，实现绝缘检测的通断控制；采样电阻R_c+、R_c-输出经信号调理电路最后进入MCU的ADC采样管脚。

绝缘检测装置的工作过程：

当设备需要进行绝缘检测时，主控制器控制继电器K₁、K₂闭合，再通过控制可控开关K₃、K₄的通断改变电阻桥网络的电阻分压状态。设U₁和U₂分别为可控开关K₃、K₄断开时，正、负母线DC+、DC-对车体PGND的电压；U₁‘和U₂‘分别为开关K₃、K₄闭合时，正、负母线DC+、DC-对车体PGND的电压；根据电桥方程可求得正、负母线等效绝缘电阻R_p、R_n计算公式如下：

其中，U₁、U₂、U₁‘和U₂‘可以通过采样电阻R_c+、R_c-两端的采样电压计算得出。计算出充电桩直流输出正、负母线对参考地的等效绝缘电阻值Rn、Rp。根据国家标准，上述求得等效绝缘电阻值R_n和R_p的较小者视为整个充电桩系统的绝缘电阻R_J。假设U_DC为充电桩正负母线电压，当R_J/U_DC≥100Ω/V时，判定绝缘性能合格，当R_J/U_DC＜100Ω/V时，判断系统的绝缘性能不合格。