一种高安全可靠的非车载充电机的制作方法

本实用新型属于电动汽车充电技术领域，特别涉及一种直流非车载充电机。

背景技术：

目前市场上，非车载充电机普遍使用传统的单一电气保护，通过漏电断路器或者人工急停来保障设备的安全运行，这样满足不了高安全可靠的市场运行需求。如图1所示，现有技术中，非车载充电机的充电电路主要包括充电主回路和充电控制回路，其中，充电主回路的输入端通过供电接口与380V交流电源连接，输出端通过充电接口与电动汽车连接。充电主回路主要包括交流断路器、充电模块、熔断器和输出接触器K1K2，充电控制回路主要包括控制器、辅助电源和输出继电器K3K4。在工作时，非车载充电机控制器(简称控制器)通过控制K1K2和K3K4以及和BMS(电池管理系统)之间的通讯，实现充电功能。若充电过程中出现异常，控制器下发停机指令给充电模块，命令其关机，同时也会控制K1K2和K3K4断开。出现极端情况，输出侧熔断器会熔断、交流断路器会脱扣，以对整体系统进行保护，但如果熔断器或断路器失效则将带来重大的安全隐患。此外，在一般故障下，例如电池过充，电压异常、绝缘异常等，通过熔断器或断路器也无法进行保护。

技术实现要素：

为解决上述问题，本实用新型提供一种高安全可靠的非车载充电机(即直流充电桩)，以提高非车载充电机使用的安全性。

本实用新型所公开的高安全可靠的非车载充电机，其包括充电主回路和充电控制回路；充电主回路包括充电模块、以及充电模块输入侧电连接的交流电能表、交流断路器、交流接触器，充电模块输出侧电连接的熔断器、直流电能表和直流接触器；所述交流电能表和直流电能表分别用于检测充电模块输入侧和充电模块输出侧的电压电流值并发送至控制器；所述交流接触器和直流接触器分别用于控制充电模块输入侧电路和输出侧电路的通断；充电控制回路包括控制器、与控制器连接的输出继电器以及为充电控制回路供电的辅助电源，控制器与交流电能表、交流接触器、直流电能表和直流接触器电连接，用于控制充电主回路工作状态。所述控制器根据与BMS通信获取到的电动汽车的充电需求值、接收到的交流电能表和直流电能表的电压电流检测值、以及充电模块反馈的电压电流输出值，来控制充电主回路的工作状态，从而保证充电主回路的充电安全。

优选的，所述交流断路器、熔断器、交流接触器和直流接触器均具有触点反馈功能，能通过控制器所具有的遥信检测功能，检测其健康状态。

优选的，充电模块输出侧还包括绝缘检测电路和泄放电路，所述绝缘检测电路用于预充电前的桩体绝缘性能判断，所述泄放电路用于绝缘检测后的电压泄放和充电结束后的电压泄放。

优选的，交流电能表的输入端通过供电接口与外部交流电源连接，交流电能表的输出端依次连接交流断路器、交流接触器和充电模块的输入端；充电模块的输出端依次连接熔断器、泄放电路、绝缘检测电路、直流电能表和直流接触器，直流接触器的输出端通过充电接口与电动汽车连接。

优选的，充电控制回路还包括用于控制充电控制回路通断的微型断路器。

优选的，所述微型断路器具有漏电保护功能，以检测充电控制回路发生漏电故障时，进行跳闸保护。

优选的，所述充电控制回路还包括与输出继电器输出端电连接的快速熔断器，用于在异常状况发生时阻隔充电控制回路和充电主回路，以保证充电控制回路的安全。

优选的，还包括与控制器连接的控制导引保护电路。

优选的，所述充电模块自带多重保护功能，包括漏电保护、电压异常保护、过流保护和启动前短路保护功能。

有益效果：通过多级冗余保护机制，提高了非车载充电机的安全保护冗余度，从单一孤立的保护变为多联动综合保护；解决了现有技术中单一电气安全保护的弊端，大大降低了安全隐患出现的可能；加强了电气安全保护的完备性、实时性、准确性和环境适应性；以满足国家针对电动汽车基础设施运行安全的政策要求。

附图说明

图1是现有技术中非车载充电机的电路框图；

图2是实施例中非车载充电机的电路框图；

图3是实施例中多级冗余保护示意图。

具体实施方式

本实用新型公开的高安全可靠的非车载充电机(简称充电机)，构建了一种多级冗余保护机制，不仅在电气元件层面能实现电气安全保护，而且结合充电模块的软硬件通讯以及电能表对电气参数的精确监测，三者并行处理来确保设备的安全可靠运行。

如图2所示，实施例公开一种具有多级冗余特性的高安全可靠的非车载充电机，其充电回路主要包括充电主回路和充电控制回路，其中，充电主回路的输入端通过供电接口与380V交流电源连接，输出端通过充电接口与电动汽车连接。在图1所示的现有非车载充电机的基础上，在充电主回路中增加三相交流电能表、交流接触器、泄放电路、绝缘检测电路、直流电能表；在充电控制回路中增加微型断路器、快速熔断器，以及控制导引保护电路。图中，虚线表示通讯(双向通信)，细箭头表示控制，虚线+细箭头则表示通讯和控制，仅具有触点反馈的连线未示意出来。此外，还包括与控制器连接的上行通信单元和人机交互界面等常用模块。

上述交流断路器、交流接触器、熔断器、泄放电路、直流接触器等均带有触点反馈功能，相应的控制器具有遥信检测功能。基于各电气元件自带的触点反馈功能，控制器能通过遥信检测实时监测各电气元件的状态，判断其状态(闭合或断开)是否匹配预设状态或充电状态以做出合适反应，并能同时判断电气元件的健康度(主要是指是否有黏黏)。

输入侧的交流电能表和输出侧的直流电能表作为充电回路的计量单元，三相交流电能表主要用于检测充电模块输入侧的三相电压、总电流和功率值等，并将其反馈至控制器；直流电能表用于检测充电模块输出侧的最高电压、总电流和功率值等，并将其反馈至控制器。

交流接触器和直流接触器分别用于控制充电模块输入侧和输出侧电路的通断。在待机运行时，通过交流接触器断开充电模块输入侧的电路使充电模块失电，可以达到省电节能的效果。交流接触器还可以作为一种“急停”按钮，在需要断开或恢复输入侧电路时，通过交流接触器即可实现，且该操作普通用户就能完成操作，而无需操作交流断路器，提高使用便利性，也减小了运维人员的工作量。此外，在出现异常状况需要停止充电时，这时既可以通过交流断路器断电，也可以通过交流接触器急停，防止在交流断路器出现故障时，无法停止充电的安全隐患，进一步提高了输入侧电路的安全性。

绝缘检测电路主要用于对整个充电机的绝缘值进行检测。

泄放电路主要用于保护电池负载和人员安全。在做完绝缘检测后，需要对充电模块输出侧电压进行泄放，使车辆电池负载不受高电压冲击；在停机时，也需要对充电模块输出侧电压进行泄放，以保证人员安全。

在充电主回路中，充电模块接收控制器通过与BMS通信实时获取的电动汽车充电需求，并根据充电需求功率计算电压电流需求值，然后发送至充电模块；充电模块根据电压电流需求值进行充电，并同时将其工作参数上送至控制器，包括电压电流工作值等。为防止充电模块上送的工作参数不准确而带来的安全隐患，控制器将接收到的电能表输出的电压电流检测值和充电模块上送的电压电流工作值进行比较，一方面判断充电电路的工作状态，是输出正常还是存在过流、电压异常、漏电或短路现象，并在出现漏电、短路和过压，或者欠压、过流超过阀值时发出停机指令，控制充电模块停止工作，控制交流接触器或直流接触器通断，以保证充电主回路的电路及相关电气元件的安全；另一方面也能了解充电模块的工作状态及相关性能参数，包括充电效率、寿命情况等，提前做好预警工作。优选的，充电模块可选用自带多重保护特性的类型，包括漏电保护、电压异常保护、过流保护和启动前短路保护功能等，并能将这些状态反馈给与其通信连接的控制器，以实现对非车载充电机的多重保护。此外，控制器还能通过遥信检测判断各电气元件的指令执行情况(断开或闭合)和自身健康度。

在充电控制回路中，通过与控制器连接的微型断路器可将充电主回路和充电控制回路分开控制，例如，在需要对控制器断电时，可以通过微型断路器实现。辅助电源用于为充电控制回路提供12V电源。进一步的，增加的快速熔断器是为避免因绝缘降低或其它设计缺陷，导致充电主回路直流输出的高压和辅助电源输出的低压短接在一起造成辅助电源烧毁等安全事故，以保护充电控制回路的安全。

此外，控制主回路中，还增加控制导引保护，用于实时检测充电连接装置(充电枪)与电动汽车的连接状态。一旦检测出连接异常，控制器将控制立即停止输出，并记录故障上送主站。

下面对实施例所述的非车载充电机的工作原理进行简要说明：

待机运行：为响应节能减排，交流接触器和直流接触器处于断开状态，充电主回路不导通，充电模块失电，充电控制主回路中，控制器和上行通信单元保持上电，控制器通过上行通信单元即时向主站上传相关电路中相关数据信息，主要包括电路的运行状态及一些异常状况，例如，交直流电能表通讯、急停按钮状态等等，使得整个待机功耗处于最低水平。同时，控制器也会遥信检测与其连接的电气元件的健康状态，一旦检测到有器件黏黏，将通过与其连接的人机交互界面立刻显示故障，并命令充电机停止充电服务，同时通过上行通信单元上送主站，由此，很好地杜绝了因器件黏黏可能造成的安全隐患。

绝缘检测阶段：在启动充电前增加绝缘检测环节。此时，交流接触器和直流接触器均闭合，绝缘检测电路会对整个充电机的绝缘值进行检测，只有在检测到的绝缘值均满足标准要求(GB/T 18487.1-2015附录B)才会允许充电机进行下一步动作，否则立即停止充电服务。待绝缘检测完成后，将绝缘检测以物理的方式从强电回路中分离，并投入泄放电路对充电输出电压进行泄放，以避免绝缘检测过程的高电压对车辆电池负载产生电压冲击，导致电池损坏甚至烧毁。绝缘检测完后，断开直流接触器。

作为一种优选方案，在交流接触器闭合后，绝缘检测前，为防止充电主回路有短路点存在，可设定充电模块先输出小电压(50V左右)，在控制器未检测到电流异常且确认熔断器状态正常时，再进一步抬升电压，从而避免因开始就大电压输出，回路中又存在短路点，导致直接击穿熔断器，或损害其他重要元器件，甚至造成人员伤亡事故。

预充电阶段：在预充电阶段，BMS还未传送电压需求值，控制器会预先检测车辆电池电压，在确认车辆电池正常(即确认电池电压大于非车载充电机最低输出电压且小于非车载充电机最高输出电压)时，充电机输出预充电压，在预充电压接近车辆电池电压检测值后控制直流接触器闭合，使输出侧的直流回路导通，即整个充电主回路导通。

充电阶段：控制器根据车辆BMS实时发送的电池充电需求功率调整充电模块充电电压和充电电流，并相互交换充电状态。控制器将读取直流电能表输出的电压电流检测值与充电模块上送的电压电流输出值进行比较，以判断充电模块输出状态与通信状态，来保证充电过程的安全进行。在此过程中，通过将读取的电能表电压电路检测值、充电模块上送的电压电流输出值以及电压电流需求值进行比较，有利于输出数据更加精确，并实现错误数据的筛查。

在上述过程中，通过控制导引保护检测非车载充电机的所有过程连接状态，预设在控制器中的三种电压状态(12V、6V和4V)实时与实际状态相比较，一旦异常，立即停机保护。需要说明的是，这三种电压状态比较在国标中有要求，此处不再赘述。

充电结束：首先命令模块关机，通过直流电能表检测到电流值小于5A时，断开直流接触器，继而启动泄放电路，泄放充电模块上的残余电压，最终断开交流接触器。此外，充电机应及时通过泄放电路对充电输出电压进行泄放，避免对操作人员造成电击伤害。泄放电路的参数选择应保证在充电连接装置断开后1秒内将模块输出电压降到60V DC以下。与此同时，控制器会通过读取直流电能表参数，统计并保存每次充电后泄放过程的泄放时间和泄放后电压，并对此数据进行分析判断得出需要的结论，例如，泄放电路是否满足国标要求，进一步的，还可以此为依据判断泄放电路的性能，并对后续泄放电路的选型和改进等具有一定指导意义。

结合图3所示，实施例1所公开的非车载充电机在传统保护的基础上，增加了多重保护，以实现非车载充电机的多级冗余保护。现有技术中，一般通过交流断路器(相当于总开关)来实现漏电保护，通过熔断器(相当于保险丝)来实现短路保护，但对充电模块本身及各电气元件的健康度等不作保护，且对过流或输入输出过压等异常最多也只是显示而已。本发明在此基础上：通过交流电能表和直流电流表配合控制器使用，两种电能表将检测到的电压、电流等数据反馈输出至控制器，控制器判断充电主回路的电压、电流状况，例如出现输入侧电压缺相、某一相电压异常、输出侧过流等现象时，控制器可根据预先设置的需求阀值发出停机指令并切断相关开关器件，这一方面提高了使用的安全性，另一方面也能提高相关电气元件的使用寿命。通过选用具有多重保护特性的充电模块来实现对其自身的漏电、电压异常、过流以及短路等异常状况的检测与保护，并能即时上报至控制器以控制非车载充电机停止提供充电服务。通过绝缘检测电路实现整机绝缘性能判断，并通过泄放电路实现绝缘后泄放和停机泄放。此外，还可通过各电气元件具有的触点反馈功能及控制器的遥信检测功能实时监控各电气元件的状态，避免因电气元件本身健康状态(例如黏黏)带来的安全隐患。而在主控制回路中，通过微型断路器将主回路与控制回路隔离开来，通过快速熔断器保护控制回路不受输出的高压影响，并设有控制引导保护。

因此，可以看出，通过实施例的电路设计，从各个维度对充电机进行保护，形成多级冗余保护机制，大大提升充电机及使用过程的安全性，完全符合GB/T18487.1-2015对电动汽车传导充电系统的要求，同时也可以更加精确的判断设备运行状态和更稳定地执行保护措施，从而提高了电气安全保护的完备性、实时性、准确性和环境适应性。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。