一种充电漏电流检测和保护电路的制作方法

本实用新型涉及充电漏电流检测和保护电路。

背景技术：

根据节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020年)的规划，到2015年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车累计产销量力争达到50万辆；到2020年，纯电动汽车和插电式混合动力汽车生产能力达200万辆、累计产销量超过500万辆，燃料电池汽车、车用氢能源产业与国际同步发展。充电设施建设与新能源汽车产销规模相适应，根据“十三五”规划，预计到2020年，集中式充换电站将增长到1.2万座，分散式充电桩数量将增长100倍达到450万个。

漏电流保护，涉及到人身及财产安全，是充电桩的一个非常重要的功能。现在充电桩使用的漏电流保护采用AC型漏电流保护装置，主要是针对工频正弦交流漏电流来设计的，检测到足够大的正弦交流漏电流信号后切断电源，AC型充电桩漏电保护装置无法检测直流漏电流。由于电动汽车动力系统中，存在200V～750VDC的高压电池包，当该电池包对地或对电网侧绝缘产生损坏的情况下，该电池包产生的漏电流不再只是正弦波形的工频信号，可能出现直流漏电流；当直流漏电流产生时，AC型充电桩漏电流保护装置无法正确的检测，从而导致不能正确的保护，造成人身触电或电气火灾事故。

技术实现要素：

本实用新型主要解决的技术问题是现有AC型充电桩漏电流保护装置无法检测直流漏电流，当直流漏电流产生时，AC型充电桩漏电流保护装置无法进行正确的检测和保护，会有人身触电或电气火灾事故风险。

为解决上述技术问题，本实用新型提出一种充电漏电流检测和保护电路，用于在通过功率电源线对负载进行充电时检测充电漏电流并提供保护功能，所述电路包括：所述电路包括：漏电流传感器、自激振荡模块、低通滤波模块、控制模块和开关模块。其中：漏电流传感器包括环形磁芯和检测绕组，被检测的功率电源线穿过环形磁芯，和缠绕在环形磁芯的检测绕组一起实现漏电流的检出功能；自激振荡模块，包括缠绕在环形磁芯上的检测绕组和自激振荡电路；该自激振荡模块一直振荡在设定的振荡频率范围内，当功率电源线上产生漏电流时，漏电流传感器在检测绕组端检出感应电流，感应电流通过自激振荡电路后输出两个信号：漏电流检出信号和振荡器频率信号，其中漏电流检出信号输出到低通滤波模块，振荡器频率信号输出到控制模块；低通滤波模块，接收自激振荡模块输出的漏电流检出信号，用于滤除高频激磁电流，得到检出的漏电流信号，并将该信号传给控制模块；控制模块，用于实时检测漏电流信号以及振荡器频率信号，并进行实时判断，根据判断结果输出控制信号；开关模块，接收控制模块输出的控制信号，根据控制信号状态执行操作：当控制信号为漏电流状态异常时，所述开关模块将切断电源与负载的连接，启动电路的保护功能；当控制信号为漏电流状态正常时，所述开关模块将保持电源与负载的连接，执行电路的充电功能。

根据本实用新型的一种具体实施例，所述自激振荡电路包括第一运算放大器、第二电阻、第三电阻和第四电阻；检测绕组的一端与第四电阻的一端、第一运算放大器的反向输入端和低通滤波模块相连，检测绕组的另一端与第三电阻的一端、第一运算放大器的输出端和控制模块相连；第二电阻的一端与第三电阻的另一端、第一运算放大器的正向输入端相连；第二电阻、第四电阻的另一端均与系统地相连。

根据本实用新型的一种具体实施例，所述低通滤波模块包括第一电阻和第一电容；第一电阻一端与自激振荡模块的输出端相连，另一端与第一电容的一端和控制模块相连；第一电容的另一端与系统地相连。

根据本实用新型的一种具体实施例，所述控制模块采用单片机、模拟电路或数字模拟混合电路实现功能。

根据本实用新型的一种具体实施例，所述控制信号包括漏电流状态异常信号，所述漏电流状态异常是指漏电流信号超标、振荡器不振荡、振荡器频率超标中任何一个指标异常。

根据本实用新型的一种具体实施例，所述开关模块采用接触器、继电器或机械开关器件实现功能。

根据本实用新型的一种具体实施例，所述控制电路输出的控制信号还用于充电电路的漏电流报警和/或提示功能。

依据上述实施例的一种充电漏电流检测和保护电路，能准确的检测到直流漏电流，也能准确的检测到交流漏电流，以及具有直流分量的交流漏电流，并能输出检测结果的异常信号，从而实现电路的开关保护功能。检测结果的异常信号还可用于充电电路的漏电流报警和提示功能，大大提升了人身及财产的安全。

附图说明

图1为一种实施例的充电漏电流检测和保护电路示意图；

图2为一种实施例的直流漏电流检测电压波形图；

图3为另一种实施例的交流漏电流检测电压波形图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式结合附图对本实用新型作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。

另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。

本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。

在本实用新型实施例中所采用的一种充电漏电流检测和保护电路参见图1。电路中包括：自激振荡模块103、低通滤波模块104、控制模块105和开关模块106，上述模块和功率电源线101、漏电流传感器102连接在一起形成电路，用于实现充电漏电流检测和保护功能。具体说明如下：

功率电源线101，用于传输充电电流，实现电路的充电功能；同时，功率电源线中也可能会产生待检测的漏电流。通过该功率电源线的电流可以是单相交流电源、三相交流电源或直流电源。在本实施例中，图1中以直流、交流二线功率电源线为例说明。

漏电流传感器102，用于检出功率电源线上产生的漏电流。漏电流传感器102可采用如图1所示的环形磁芯，环形磁芯上缠绕检测绕组121。功率电源线101从漏电流传感器102的空心部分穿过，通过漏电流传感器的磁芯实现功率电源线上的漏电流和检测绕组121之间的电磁耦合，实现漏电流的检出功能。

在功率电源线上没有漏电流的状态下，漏电流传感器102中功率电源线101上通过的电流矢量和等于零，因此，功率电源线101上通过的电流在漏电流传感器102中产生磁通的矢量和等于零，这样在漏电流传感器的检测绕组121中没有感应电流产生，充电电路保持正常供电。

当功率电源线101上产生漏电流时，通过漏电流传感器102的电流矢量和不等于零，因此在漏电流传感器中产生的磁通矢量也不为零，这时，在检测绕组121上会输出检出漏电流I。所述检出漏电流I包括功率电源线上的漏电流信号和漏电流传感器电磁耦合时产生的高频激磁电流两部分信号。

在本实施例中，如图1所示，自激振荡模块103包括漏电流传感器的检测线圈121和自激振荡电路131。自激振荡电路131包括：第一运算放大器U1、第二电阻R2、第三电阻R3、第四电阻R4。第一运算放大器U1采用电路系统+12/-12V供电。Ua为U1反向输入端管脚2的电压，Ub为U1正向输入端管脚3的电压，Uc为U1输出端管脚6的电压。检测绕组121的一端与第四电阻R4的一端、第一运算放大器的反向输入端管脚2和低通滤波模块104的第一电阻R1一端相连，检测绕组121的另一端与第三电阻R3的一端、第一运算放大器U1的输出端管脚6和控制模块105相连；第二电阻R2的一端与第三电阻R3的另一端、第一运算放大器U1的正向输入端管脚3相连；第一运算放大器U1的正电源端管脚4与系统电源+12V相连，负电源端管脚7与系统电源-12V相连；第二电阻R2、第四电阻R4的另一端均与系统地相连。

低通滤波模块104至少包含一个电阻R1和一个电容C1，也可以采用运算放大器设计低通滤波器。如图1所示，第一电阻R1一端与自激振荡模块103的输出端，即检测绕组121的一端相连，第一电阻R1的另一端与第一电容C1的一端、控制模块105相连；第一电容C1的另一端与系统地相连。Ud为低通滤波模块的输出信号，可以表示漏电流信号141的大小。低通滤波模块的截止频率大于被检测漏电流的频率，小于电路的振荡频率。

在本实施例中，自激振荡电路131的工作过程如下：

假设状态1：Ua电压>Ub电压，则Uc电压为-12V，Ub电压＝R2/(R2+R3)*(-12V)，检测绕组121的电流I逐步增加(图1中I标示的箭头方向定义为正方向)，Ua电压＝-R4*I；随着时间增加，电流I也增加，Ua电压越来越负，电路进入状态2；

状态2：Ua电压<Ub电压时，Uc电压由-12V变为+12V，此时，Ub电压＝R2/(R2+R3)*(+12V)，检测绕组121的电流I逐步减小(图1中I标示的箭头方向定义为正方向)，随着时间增加，电流由正变负，Ua电压＝-R4*I，则Ua由负变正，随着电流I的绝对值逐步变大，Ua电压逐渐增加，当Ua电压>Ub电压时，Uc电压由+12V变为-12V，振荡器回到状态1。

检测绕组121上的检出漏电流信号通过自激振荡模块103之后，输出为用于进一步低通滤波模块104处理的漏电流检出信号和控制模块105判断的振荡器频率信号132。

在本实施例中，控制模块105可以采用单片机进行检测控制，也可以采用模拟电路或数字模拟混合电路。控制模块105实时接收自激振荡模块输出的振荡器频率信号和低通滤波模块的漏电流信号，并进行实时判断，根据判断结果输出控制信号。控制信号151包括漏电流状态异常信号。漏电流状态异常是指漏电流信号超标、振荡器不振荡、振荡器频率超标中任何一个指标异常。控制电路105输出的控制信号151，可以用于充电电路的漏电流报警、提示和/或保护功能。

下面以具体的电路参数和电压波形为例进行说明。

在本实施例中，假设：当漏电流传感器102的检测绕组121的圈数n＝300，检出漏电流为I，功率电源线101直接穿过漏电流传感器102，可以看做圈数n₀＝1圈，漏电流电流为I₀，因为I₀·n₀＝I·n，所以I＝I₀/300。

同时，假设：R2＝100Ω，R3＝3KΩ，R4＝10Ω，低通滤波模块104的带宽设置为700Hz(一般B型漏电流可分为400-700-1000Hz三个等级)，则Ua，Ub，Uc和Ud的测得电压波形如图2所示。

从图2可以看出，假设当前功率电源线101上的直流漏电流为1A，那么检测绕组121感应到的漏电流信号为1/300A。在R4上感应的电压为10Ω*1/300A，理论上，d点采样的电压Ud＝33.33mV。图2可以看到实际电路中Ua，Ub，Uc，Ud各点的电压波形图，本漏电流检测电路检测到的Ud电压也在33mV左右，与理论计算准确度一致。

在另一个实施例中，假设当前功率电源线101上的交流漏电流为1A。图3可以看到实际电路中Ua，Ub，Uc，Ud各点的电压波形图，本漏电流检测电路检测到的Ud电压也是交流电压，最大幅度约为33mV，与理论计算准确度一致。

在另一个实施例中，如图1所示，在功率电源线101上可以增加开关模块106。控制模块105输出控制信号151，开关模块106接收控制信号151，当电路正常充电时，开关状态为常闭，接通功率电源线101的电源和负载两端，当控制信号151为漏电流状态异常时，开关模块106启动保护功能，开关状态为断开，停止对负载继续进行充电。开关模块106可以为接触器或继电器，也可以是其他机械器件等。

在另外的实施例中，充电漏电流检测和保护电路还可以根据电路中漏电流信号141、控制信号151的输出，增加漏电流报警模块，用于在检测到漏电流时发出声光报警，提示操作人员注意安全；也可以增加漏电流显示模块，对漏电流准确监控。

以上应用了具体个例对本实用新型进行阐述，只是用于帮助理解本实用新型，并不用以限制本实用新型。对于本实用新型所属技术领域的技术人员，依据本实用新型的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。