智能型高可靠性电动汽车缆上控制与保护装置的制作方法

本实用新型涉及电力技术领域，具体而言，涉及一种智能型高可靠性电动汽车缆上控制与保护装置。

背景技术：

目前，市面上存在多种型号的缆上控制与保护装置(IC-CPD)，主要用于新能源电动汽车家庭充电场合使用，家庭交流电压对电动汽车进行充电之前，首先需要确认电动汽车与家庭交流充电装置是否正常连接，按照国家标准，电动汽车在进行充电时还需要实时监控充电过程，发生异常情况时保护电路应该立即停止电动汽车充电，因此在充电的过程中存在许多问题：1、现有控制导引信号检测电路结构复杂，检测精度低，保护电路可靠性低，对操作人员安全构成隐患；2、应用于长时间的无人值守的充电场合，实现的是简单的断电保护功能，没有与人沟通信息的智能环节，这样操作者每隔一段时间要亲自去操作现场去巡查充电情况，以防意外情况发生，这样操作不方便，耗时耗力，无法满足无人值班时的应用场合。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于提供一种智能型高可靠性电动汽车揽上控制与保护装置，解决现有技术存在的控制导引信号检测电路结构复杂，检测精度低，保护电路可靠性小，同时无法适应无人值班充电场合等问题，真正的把智能化融入到电动汽车缆上控制与保护装置中。

本实用新型是这样实现的，

一种智能型高可靠性电动汽车揽上控制与保护装置，该装置包括：主控单元、保护电路单元、电源单元、PWM信号产生模块、CP工作状态检测单元、人机交互智能监控单元以及人机交互显示单元；

其中，电源单元，由家庭交流充电插座经Flayback变换产生正负12V直流电压分别给PWM信号产生模块和继电器模块供电，正负12V直流电压通过直流斩波技术产生12V/5V电压的DC/DC模块给主控单元供电；

CP工作状态检测单元，包括接口模块通过用于发送PWM控制信号，同时接受CP电动汽车工作状态控制信号，通过峰值检波电路处理将电动汽车工作状态反馈到主控单元；

PWM信号产生模块，与所述接口模块连接，并通过光耦隔离模块连接至主控单元，并接受主控单元的PWM触发信号；

保护电路单元，是由掉地自检模块、电流检测模块、电压检测模块及漏电流检测模块构成，采集所述家庭交流充电插座的交流电量并传递至主控单元；

人机交互智能监控单元，通过Zigbee协调器连接在主控单元，利用RS232 通信传递方式将实时采集的交流充电参数传送到Zigbee协调器，Zigbee协调器将采集信息进行数据融合，一方面将处理的数据通过GSM模块发送到用户手机，另一方面通过客户端Internet发送到生产厂家监控系统。

进一步地，还包括人机交互显示单元，是由通过Zigbee协调器连接在主控单元，同时与主控单元连接的存储模块连接，实时采集的交流充电参数传送到存储模块，同时将实时数据发送到人机交互显示界面单元进行实时数据处理。

进一步地，掉地自检模块由整流桥经滤波电容C27和分压电阻R28与电压比较器同向输入端连接，参考电压经分压电阻R22、分压电阻R23分压与电压比较器反向输入端连接，分压电阻R25与电阻分压R26连接构成分压电路，电压比较器输出与分压电阻R25连接构成。

进一步地，电流检测模块由电流互感器与一输出电阻并联连接，经由输出电阻R31输出的感应电压与一真有效值检测芯片的VIN管脚连接，一电容C33经 VCC电源与真有效值检测芯片的+VS管脚连接，真有效值检测芯片的CAV管脚经电容C34与-VCC连接，真有效值检测芯片的OUT管脚经一滤波电容与反馈端 CF管脚连接构成。

进一步地，电压检测模块由一保险丝经一限流电阻36与一电压互感器连接，一输出电阻与运算放大器同相输入端连接，电阻R40与电阻R41公共端与运算放大器反相输入端连接构成同相比例运算放大器，运算放大器输出与电压跟随器连接，电阻R44与电容C45连接构成RC滤波电路，一电压跟随器经RC滤波电路与真有效值检测芯片及其外围电路连接构成。

进一步地，漏电流检测模块包括：一零序电流互感器经输出电阻与第一运算放大器同相输入端连接，电阻R53与电R54公共端与第二运算放大器反相输入端连接构成同相比例运算放大器，第二运算放大器输出端与电压跟随器连接，电阻R56与电容C57连接构成RC滤波电路，电压跟随器经RC滤波电路与一真有效值检测芯片及其外围电路连接构成。

进一步地，所述所述峰值检波电路是由电阻R64，电容C65并联连接至一运算放大器的反相输入端和输出端构成积分运算电路，一电压比较器通过电阻R63 与积分运算电路连接，电阻R67与电容C68连接构成RC滤波电路，运算放大器通过滤波电路与一电压跟随器连接构成。

本实用新型与现有技术相比，有益效果在于：

本实用新型装置电路简单，体积较小，可靠性高，操作性简便，在电动汽车揽上控制与保护装置中首次采用真有效值信号调理电路结构，摒弃了现有均值检波电路不精确采样的缺点，不仅简化电路结构而且可以提高检测精度，对控制导引电路的可靠性控制具有重要意义。同时本实用新型涉及一种智能型电动汽车揽上控制与保护装置，首次把zigbee技术应用到电动汽车领域，人机交互界面以及智能化远距离监控充电状态使其适应的应用场合更加广泛，利用 Zigbee技术，控制器将交流充电信息传递给协调器节点，在协调器内将数据融合，当判断有故障时，故障信息通过GSM模块通知到用户手机，通过串口将故障信息传送到客户端，用户也可以通过手机浏览特定网页访问人机交互界面，从而达到用户远距离监控充电情况的目的，实现IC-CPD设备与人的配合和控制上的人机闭环，真正做到人与机器的交互式融合，这样在无人值班充电场合是必不可少的，简单有效，操作性强，缩短了人力时间，提高了工作效率，同时通过Internet将信息传送到生产厂家云端服务器上，可以为生产厂家提供后续的运行、维护、保养的数据基础，方便产品的升级换代。

附图说明

图1为一种智能型高可靠性电动汽车揽上控制与保护装置结构框图；

图2为掉地自检模块电路图；

图3为电流检测模块电路图；

图4为电压检测模块电路图；

图5为漏电流检测模块电路图；

图6为峰值检波模块电路图；

图7为基于虚拟仪器数据采集方式下电动汽车充电参数测量结构框图；

图8为基于Zigbee技术下远距离智能监控电动汽车充电结构总示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

如图1所示，本实用新型一种智能型高可靠性电动汽车揽上控制与保护装置，包括：主控单元、保护电路单元、电源单元、PWM信号产生模块及CP工作状态检测单元和人机交互显示界面单元，人机交互智能监控单元。其中，主控单元1，是由飞思卡尔汽车专用单片机及其外围电路构成。保护电路单元，是由掉地自检模块2、电流检测模块3、电压检测模块4及漏电流检测模块5构成。电源单元，由家庭交流充电插座7经Flayback变换产生正负12V直流电压分别给PWM信号产生模块11和继电器模块6供电，正负12V直流电压8通过直流斩波技术产生12V/5V经由DC/DC模块9给主控单元1供电。PWM信号产生模块及CP工作状态检测单元，是由主控单元1发出PWM触发信号经过光耦隔离模块10与PWM信号产生模块11连接，接口模块12发送PWM控制信号，同时接受CP电动汽车工作状态控制信号，通过峰值检波电路13处理将电动汽车工作状态反馈到主控单元1。人机交互显示界面单元，是由主控单元1 把实时采集的交流充电参数(充电电压，充电电流，漏电流，掉地自检信号，电动汽车工作状态控制信号，PWM工作模式信号)传送到存储模块19，同时将实时数据发送到人机交互显示界面单元20，利用Labview软件进行实时数据处理。人机交互智能监控单元，是由主控单元1通过RS232串口通信方式，把电动汽车交流充电参数传输到Zigbee协调器14中，利用Labview软件编写一个上位机软件，用于显示Zigbee协调器14接收到的电动汽车交流充电参数，借助Labview内嵌功能，Zigbee协调器把交流充电信息进行数据融合，一方面将处理的数据通过GSM模块发送到用户手机，通过串口将故障信息传送到客户端，用户也可以通过手机浏览特定网页访问人机交互界面，从而达到用户远距离监控充电情况的目的，实现IC-CPD设备与人的配合和控制上的人机闭环，真正做到人与机器的交互式融合，另一方面通过客户端Internet发送到生产厂家云数据服务器上，可以为生产厂家提供后续的运行、维护、保养的数据基础，方便产品的升级换代。

图2是本实用新型中的掉地自检电路，本实用新型中掉地自检电路包含整流桥21、电阻R29、电阻R28、电阻R22、电阻R23、电阻R25、电阻R26、电容C27、电压比较器24。其连接关系是，整流桥21交流输入端连接220V家庭交流零线和火线，整流桥21直流正输出端与电阻R29连接，电阻R29与电阻 R28另一端串联连接构成直流降压电路，电容C27与电阻R28并联连接，起到直流滤波的作用，电阻R28与电压比较器24同相输入端连接，电压比较器24 同相输入端的输入电压即为整流桥21直流输出电压经降压电路降压后的电压值，其输出值为

Uo_ut＝U*R₂₈/(R₂₈+R₂₉)

其中U为整流桥21直流电压输出值，R₂₈，R₂₉分别代表电阻R28，电阻 R29。

电阻R22与电阻R23的公共端与电压比较器24的反相输入端连接，电阻 R22与电阻R23串联连接至电源VCC构成分压电路，电阻R23分得电压为参考电压VREF为

VREF＝VCC*R₂₃/(R₂₃+R₂₂)；

其中VCC为电源电压值，R₂₂，R₂₃分别代表电阻R22，电阻R23。

根据电压比较器应用原理，当Uo_ut>VREF时电压比较器24输出电压值 VCC,当Uo_ut<VREF时电压比较器24输出电压值为0。电阻R25与电阻R26 串联连接构成降压电路与电压比较器24输出端连接，因此主控单元单片机通过AD采集电压比较器24输出电压值可以判断当前是否为缺地状态，电路结构简单，可靠性高。

图3是本实用新型中的电流检测电路，本实用新型中电流检测电路包含电流互感器30、输出电阻R31、真有效值检测芯片32、电容C33、电容C34、电容C35。其连接关系是，电流互感器30输出端与电阻R31并联连接，其输出为一个恒流源，通常电阻R31阻值不能取得太大，避免非线性失调，真有效值检测芯片32选为AD736精度高，价格便宜，电路拓扑结构简单，真有效值检测芯片32的COM端与CC端直接短接连接,电容C33与真有效值检测芯片32的+VS端口连接，电容C34一端与真有效值检测芯片32的CAV端口连接，电容C34另一端与负电源-VCC连接，电容C35跨接在真有效值检测芯片32的CF端口与OUT端口之间连接，起到平滑滤波的作用，由于家庭交流电容易受到电力系统电网品质因数影响，因此检测的交流成分含有很多谐波因数，往往导致波形失真，这样用传统平均值检测法很不准确，可靠性降低，对于操作者的安全带来隐患，利用真有效值检测方法，能准确、实时测量各种电压波形的有效值，无须考虑波形参数和失真问题，外围元件少，电路连接简单、电性能指标容易保证，这是均值检测法无法保证的。

图4为电压检测电路图，本实用新型中电压检测电路包含保险丝36、限流电阻R37、电压互感器38、输出电阻R39、运算放大器42、运算放大器43、电阻R40、电阻R41、电阻R44、电容C45、电容C47、电容C48、电容C49、真有效值检测芯片46。其连接关系是，家庭交流电火线端通过保险丝36、限流电阻R37与电压互感器38连接，加限流电阻的作用是避免输入电流过大烧毁电压互感器38，电压互感器的输出与输出电阻R39并联连接，同样输出电阻R39阻值不能取得太大，避免非线性失调，电阻R39与运算放大器42同相输入端连接，电阻R40、电阻R41串联连接，其公共端与运算放大器42反相输入端连接构成同相比例积分放大电路，因为电压互感器检测电压信号很微弱，所以要通过同相比例积分放大电路放大，放大倍数为

K＝R₄₁/R₄₀；

其中，K为同相比例积分放大电路的放大倍数，R₄₁，R₄₀分别代表电阻 R41，电阻R40；

运算放大器42的输出与电压跟随器43连接，电阻R44与电容C45串联连接构成RC滤波电路，电压跟随器43通过RC滤波电路与真有效值检测芯片46的VIN端口连接，同样本实用新型装置中真有效值检测芯片46选为 AD736真有效值集成检测芯片，真有效值检测芯片的COM端与CC端直接短接连接,电容C47与真有效值检测芯片46的+VS端口连接，电容C48一端与真有效值检测芯片46的CAV端口连接，电容C48另一端与负电源-VCC连接，电容C49跨接在真有效值检测芯片46的CF端口与OUT端口之间连接，起到平滑滤波的作用，电压跟随器43起到隔离缓冲的作用，避免次级输入电阻的影响。

图5是本实用新型中的漏电流检测电路，本实用新型中漏电流检测电路包含零序电流互感器50、输出电阻R51、运算放大器52、运算放大器55、电阻 R53、电阻R54、电阻R56、电容C57、电容C59、电容C60、电容C61、真有效值检测芯片58。其连接关系是，零序电流互感器50输出端与电阻R51并联连接，电阻R51与运算放大器52同相输入端连接，电阻R53、电阻R54串联连接，电阻R54跨接在运算放大器52反相输入端与输出端之间连接构成同相比例积分放大电路，运算放大器55输出端与其反相输入端连接构成电压跟随器，运算放大器52的输出端与电压跟随器55同相输入端连接，电阻R56与电容C57连接构成RC滤波电路，电压跟随器经RC滤波电路与真有效值检测芯片58的VIN端连接，同样本实用新型装置中真有效值检测芯片58选为 AD736真有效值集成检测芯片，真有效值检测芯片58的COM端与CC端直接短接连接,电容C59与真有效值检测芯片58的+VS端口连接，电容C60一端与真有效值检测芯片58的CAV端口连接，电容C60另一端与负电源-VCC 连接，电容C61跨接在真有效值检测芯片58的CF端口与OUT端口之间连接，起到平滑滤波的作用。

图6是本实用新型中峰值检波电路，本实用新型中峰值检波电路包含电压比较器62、运算放大器66、运算放大器69、电阻R63、电阻R64、电阻R67、电容C68、电容C65。其连接关系是，电压比较器62的输出端通过电阻R63 与运算放大器66的反相输入端连接，电阻R64与电容C65并联连接跨接在运算放大器66的反相输入端与输出端连接构成积分运算电路，运算放大器66 的输出端与电压比较器62的同相输入端连接构成反馈网络，电阻R67与电容 C68连接构成RC滤波电路，运算放大器69的输出端与其反相输入端连接构成电压跟随器，运算放大器66的输出端通过RC滤波电路与电压跟随器69 的同相输入端连接。电压比较器62反相输入端输入电压检测信号CP，当CP 电压信号峰值比运算放大器66的输出电压大时，电压比较器62内部场效应管导通，输出负电压，这时根据运算放大器虚短虚断原则，有电流从电容C65 流向电阻R63，电流值为

I＝Cdu/dt；

其中，I为流过电容C65的电流，du/dt为电容C65电压的变化率。因此只要当CP电压信号峰值比运算放大器66的输出电压大时，就有电流值为电容C65充电，直到运算放大器66的输出电压比CP电压信号峰值大为止，这样通过负反馈环节就能检测到输入电压信号CP电压峰值，其中电压跟随器 69起到隔离缓冲的作用，避免次级输入电阻的影响。

图7是本实用新型中基于虚拟仪器数据采集方式下电动汽车充电参数测量结构框图，虚拟仪器不在本实用新型的保护范围内，但为了理解的需求，在此做出说明，本实用新型中基于虚拟仪器数据采集方式下电动汽车充电参数测量结构框图包含存储模块19、ARM单片机SPI总线70、程序逻辑处理模块71、 labview数据读取存储器72、labview波形图表模块73、PC显示器74。其关系是，数据储存模块19实时存储主控单元单片机发送的交流充电参数(充电电压，充电电流，漏电流，掉地自检信号，电动汽车工作状态控制信号，PWM工作模式信号)，本实用新型装置中存储模块采用型号AT45DB161的FLASH存储芯片， ARM单片机SPI总线70传输方式，将交流充电参数实时发送给ARM单片机，在本实用新型中，ARM单片机型号选用STM32F103ZT6，其内核是Cortex-M3。经过程序逻辑处理单元71，在NI-VISA子程序控件协议下，通过USB直接与 Labview进行快速实时通信，Labview通过编写动态链接库DLL文件将读取的 USB传输数据存放到Labview数据读取存储器72中，通过调用Labview波形图表模块73，把读取的数据以图表的形式在PC显示器74上实时的显示出来。通过这种方式可以把交流充电参数以动态曲线的形式同时在一个界面上显示出来，这样可以更加直观的查看当前电动汽车的充电情况。

图8是本实用新型中基于Zigbee技术下远距离人机交互智能监控电动汽车充电结构总示意图，本实用新型中基于Zigbee技术下远距离人机交互智能监控电动汽车充电结构总示意图包括主控单元1、CC2430协调器节点76、CC2430 传感器网络终端节点75、数据融合处理单元77、用户手机17以及监控中心78。其连接关系是，CC2430传感器网络终端节点75利用峰值检波电路以及保护电路传感器通过AD转换把当前的CP控制信号以及电压、电流、漏电流及缺地自检参数通过RS232串口传输方式传输到CC2430协调器节点76上，主控单元 1利用Labview软件编写一个上位机软件，用于显示CC2430协调器节点接收到的电动汽车交流充电参数，借助Labview内嵌功能，以Zigbee协调器作为网络服务器的核心，对于传输到协调器内的信息通过数据融合处理单元77进行数据处理，通过启动定时器，在设定时间内通过通过使用加权算法来判断故障是否发生，是否向用户手机发送警报信息，通过特定网络协议，利用客户端Internet 把电动汽车的当前的充电参数传送给用户手机74或者监控中心78，这样即使用户不在电动汽车充电现场也可以实时监控当前的充电状态，一旦发生充电异常情况，用户就可以通过手机警报信号赶到充电现场，同时将故障信息发送到生产厂家云数据服务器上，可以为生产厂家提供后续的运行、维护、保养的数据基础，方便产品的升级换代。

工作过程为：

步骤1：接通家庭交流充电插座7，经Flayback反击变换产生正负12V直流电压8分别给PWM信号产生模块11和继电器模块6提供正负12V电压，同时通过降压斩波技术，DC/DC12V/5V直流转换模块9产生5V直流电压为主控单元1供电；

步骤2：保护模块部分，掉地自检模块2，电流检测模块3，电压检测模块4，漏电流检测模块5分别检测家庭交流充电插座7交流充电信号，通过信号调理电路将检测信号传送至主控单元1；

步骤3：经过保护模块部分，开机自检无误后，接口模块12检测电动汽车发出的CP控制信号，经过峰值检波电路13将指令控制信号传至主控单元1；

步骤4：主控单元1根据接口模块12检测的电动汽车指令控制信号，发出相应的PWM触发信号，经过光耦隔离模块10隔离驱动，通过PWM信号产生模块11产生PWM控制信号，通过接口模块12传送给电动汽车指示当前的工作状态；

步骤5：主控单元1把保护电路检测信号和峰值检波电路13的控制信号实时存储在存储模块19中，并将采集的数据值在人机交互显示单元20实时显示出来。

步骤6：主控单元1通过RS232串口通信方式与Zigbee协调器14实时通信，利用Labview软件编写一个上位机软件，用于显示Zigbee协调器14接收到的电动汽车交流充电参数，借助Labview内嵌功能，以Zigbee协调器14作为网络服务器核心，可以使用户通过手机浏览特定网页访问人机交互界面20，当电动汽车发生充电故障时可以第一时间把故障信息发送到用户手机上，从而达到用户远距离监控充电情况的目的，同时将故障信息发送到生产厂家云数据服务器上，便于为生产厂家提供后续的运行、维护、保养的数据基础，方便产品的升级换代。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。