CN215415616U - 非隔离储能直流充电桩用绝缘检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种非隔离储能直流充电桩用绝缘检测装置，设置在充电桩的控制器(1)内，其特征在于：所述充电桩包括储能电池包和充电枪，储能电池包和充电枪的电压负极共接在公共负端(HV‑)；所述绝缘检测装置包括基准电阻(R0)和第一开关(K1)，所述基准电阻的一端经第一开关连接地线(PE)，所述基准电阻的另一端连接公共负端；所述绝缘检测装置能采集基准电阻和第一开关串联后的两端的电压，即基准电压(U1)，所述绝缘检测装置能对充电桩的控制器内部采集电压数值，并能根据电压数值变化从而计算得到充电桩系统的总的绝缘电阻。本实用新型的电路结构简洁，控制逻辑简单，易于实现，成本低。
Description
技术领域
本实用新型涉及充电桩绝缘检测系统，特别涉及一种非隔离储能直流充电桩用绝缘检测装置。
背景技术
目前，电池管理系统(BMS)或充电桩控制器的绝缘检测大都采用国标法(GB/T18384.1-2015)，参见图1，在充电桩的储能电池包的正极BAT+和地线PE之间、负极HV-和地线PE之间分别设置电阻值相同的检测电阻Rap和Ran，通过检测电阻和检测开关K的配合工作，分别得到检测电压Up和Un的数值变化，从而计算出系统的绝缘电阻，图中Rp是储能电池包的电压正极相对于地线的绝缘电阻，Rn是储能电池包的电压负极相对于地线的绝缘电阻，Rp和Rn均是抽象的概念，不是设备中实际连接的电阻元件。国标法适用的前提条件是充电桩的储能电池包和充电枪的电压为隔离的DC/DC输出方式，即充电桩内的各个高压源之间不存在电流串扰，流经Rp的电流等于流经Rn的电流。
但是，越来越多的储能充电桩采用非隔离的DC/DC输出方式，即储能电池包的电压负极和充电枪的电压负极共接在公共负端，参见图2。非隔离输出方式相较于隔离输出方式的优点在于工作效率更高，系统成本更低，隔离输出方式由于效率较低，工作时发热情况更严重，这就对充电桩的热管理系统提出更高的要求，进一步增加了成本。从低成本、高效率的角度出发，非隔离的DC/DC输出方式成为更佳的选择。而非隔离的DC/DC输出方式会导致充电桩内部存在两个(充电桩配备单充电枪)或三个(充电桩配备双充电枪)的高压电源，而且各个高压电源之间通过绝缘回路会产生电流的相互干扰，不符合国标法适用的前提条件。因此，亟须一种适用于非隔离储能直流充电桩的绝缘检测装置来满足储能系统的安全要求。
发明内容
本实用新型的目的在于提供一种非隔离储能直流充电桩用绝缘检测装置，该绝缘检测装置能检测非隔离直流储能充电桩系统的总的绝缘电阻，能从整体上反映整个系统的绝缘特性，以保证系统的绝缘安全。
本实用新型是这样实现的：
一种非隔离储能直流充电桩用绝缘检测装置，设置在充电桩的控制器内，所述充电桩包括储能电池包和充电枪，储能电池包和充电枪的电压负极共接在公共负端；所述绝缘检测装置包括基准电阻和第一开关，所述基准电阻的一端经第一开关连接地线，所述基准电阻的另一端连接公共负端；
所述绝缘检测装置能对充电桩的控制器内部采集电压数值，当第一开关断开和闭合时，所述绝缘检测装置能根据电压数值变化从而计算得到充电桩系统的总的绝缘电阻。
所述充电枪包括第一充电枪和第二充电枪；所述绝缘检测装置能采集基准电阻和第一开关串联后的两端的电压，即基准电压；
当第一开关断开和闭合时，所述绝缘检测装置能根据基准电压的数值变化从而计算得到充电桩系统的总的绝缘电阻，公式如下：
式中，Rn为公共负端相对于地线的绝缘电阻，Rp1是储能电池包电压正极相对于地线的绝缘电阻，Rp2是第一充电枪电压正极相对于地线的绝缘电阻，Rp3是第二充电枪电压正极相对于地线的绝缘电阻，R0为已知数值的基准电阻，U1是第一开关断开时的基准电压，U1’为第一开关闭合时的基准电压。
所述充电枪包括第一充电枪和第二充电枪；所述绝缘检测装置还包括第一电阻、第二电阻、第三电阻、第二开关和第三开关；所述第一开关经第二开关连接地线；所述第一电阻的一端经第三开关连接储能电池包电压正极，第一电阻的另一端经第二开关连接地线，所述第二电阻和第三电阻串联后的一端经第二开关连接地线，所述第二电阻和第三电阻串联后的另一端连接公共负端；所述第二开关和第三开关的常态为断开，在对充电桩作绝缘检测时为同时闭合状态；
所述绝缘检测装置能采集第三电阻上的电压，即采样电压，当第一开关断开和闭合时，所述绝缘检测装置能根据基准电压的数值变化从而计算得到充电桩系统的总的绝缘电阻，公式如下：
式中，Rn为公共负端相对于地线的绝缘电阻，Rp1是储能电池包电压正极相对于地线的绝缘电阻，Rp2是第一充电枪电压正极相对于地线的绝缘电阻，Rp3是第二充电枪电压正极相对于地线的绝缘电阻，R0为已知数值的基准电阻，R1为已知数值的第一电阻，R2是已知数值的第二电阻，R3是已知数值的第三电阻，U2是第一开关断开、第二开关闭合、第三开关闭合时的采样电压，U2’为第一开关、第二开关和第三开关同时闭合时的采样电压。
本实用新型在控制器内部设置电阻和开关并配合工作，通过采集电阻上的电压数值变化，利用弥尔曼定理从而得到充电桩系统的总的绝缘电阻，用以确保充电桩系统的整体绝缘安全，整体电路结构简洁且控制逻辑简单，易于实现且使用安全。另外，在充电桩控制器内部，还可以通过在地线和公共负端之间设置分压电阻和采样电阻，并在储能电池包电压正极和地线之间设置电阻，仅对采样电阻进行电压采样，不仅能提高绝缘检测的工作效率，还能提高A/D电压采样的稳定性，保证绝缘检测工作有效可靠。
本实用新型与现有技术相比，具有如下有益效果：满足非隔离直流储能充电桩的绝缘检测要求，电路结构简洁，低成本、高效率、安全可靠。
附图说明
图1为现有技术适用于带隔离DC/DC输出方式的储能直流充电桩的绝缘检测电路结构示意图；
图2为本实用新型非隔离储能直流充电桩用绝缘检测装置的实施例一的电路结构示意图；
图3为本实用新型的实施例二的电路结构示意图。
图中，1控制器，BAT+储能电池包电压正极，BAT-储能电池包电压负极，PE 地线，HV-公共负端，Gun1+第一充电枪电压正极，Gun2+第二充电枪电压正极， Rap检测电阻，Up检测电压，Ran检测电阻，Un检测电压，K检测开关，Rp现有技术储能电池包电压正极相对于地线的绝缘电阻，Rn储能电池包电压负极相对于地线的绝缘电阻，R0基准电阻，U1基准电压，K1第一开关，Rp1储能电池包电压正极相对于地线的绝缘电阻，Rp2第一充电枪电压正极相对于地线的绝缘电阻，Rp3第二充电枪电压正极相对于地线的绝缘电阻，R1第一电阻，R2第二电阻，R2第三电阻，U2采样电压，K2第二开关，K3第三开关。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明。
实施例一
参见图2，一种非隔离储能直流充电桩用绝缘检测装置，设置在充电桩的控制器1内，所述充电桩包括储能电池包、第一充电枪和第二充电枪，储能电池包、第一充电枪和第二充电枪的电压负极共接在公共负端HV-。所述绝缘检测装置包括基准电阻R0和第一开关K1，第一开关K1通常为继电器、光MOS等。所述基准电阻R0的一端经第一开关K1连接地线PE(即充电桩设备的金属外壳)，所述基准电阻R0的另一端连接公共负端HV-。
所述绝缘检测装置能采集基准电阻R0和第一开关K1串联后的两端的电压，即基准电压U1，当第一开关K1断开和闭合时，所述绝缘检测装置能根据基准电压U1的数值变化从而计算得到充电桩系统的总的绝缘电阻。
充电桩系统的总的绝缘电阻Rins为整个充电桩系统的所有绝缘电阻的并联，而且根据电阻并联的特点，并联后的电阻值小于并联前最小电阻值，由此得到的绝缘电阻数值能从整体上代表充电桩的绝缘特性，从而确保整体系统的绝缘安全。
所述绝缘检测装置根据弥尔曼定理计算得到充电桩系统的总的绝缘电阻 Rins，具体方法如下：
当第一开关K1断开时，基准电压U1为：
当第一开关K1闭合时，基准电压U1’为：
由以上两式得：
式中，Rn为公共负端HV-相对于地线的绝缘电阻，Rp1是储能电池包电压正极 BAT+相对于地线PE的绝缘电阻，Rp2是第一充电枪电压正极Gun1+相对于地线PE 的绝缘电阻，Rp3是第二充电枪电压正极Gun2+相对于地线PE的绝缘电阻，Rn、Rp1、Rp2、Rp3均是一个抽象的概念，而非在电路结构中实际接入的电阻元件，R0为已知数值的基准电阻，U1是第一开关K1断开时的基准电压，U1’为第一开关K1 闭合时的基准电压。
实施例二
参见图3，实施例二是在实施例一的基础上，所述绝缘检测装置还包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3、第二开关K2和第三开关K3，所述第一开关K1经第二开关K2连接地线PE，所述第一电阻R1的一端经第三开关K3连接储能电池包电压正极BAT+，第一电阻R1的另一端经第二开关K2连接地线PE，所述第二电阻R2和第三电阻R3串联后的一端经第二开关K2连接地线PE，所述第二电阻R2和第三电阻R3串联后的另一端连接公共负端HV-。
所述控制器1通过A/D电压采样模块采集地线PE到公共负端HV-的电压数值，在实际工况下，由于充电桩的高压特性使得地线PE到公共负端HV-的电压数值可能在几百伏至上千伏，因而通过设置第二电阻R2为A/D电压采样的分压电阻，第三电阻R3为A/D电压采样的采样电阻，由A/D电压采样模块采集第三电阻 R3上的电压数值。同时，由于实际的绝缘电阻Rn、Rp1、Rp2和Rp3的阻值可能非常大(GΩ级)，所以通过设置第一电阻R1以保证充电桩控制器1内部电压采样的稳定性，如果没有第一电阻R1将会导致流经第二电阻R2和第三电阻R3的电流非常小，会严重影响到电压采样的稳定性，从而影响绝缘检测的稳定性。本实施例中，电阻阻值为：R0为600KΩ，R1为3000KΩ，R2为2990KΩ，R3为10KΩ。
所述第二开关K2和第三开关K3通常为继电器、光MOS等，是为了在控制器1不做绝缘检测时使所述绝缘检测装置与控制器1外部脱开，用于保证系统安全。在系统不作绝缘检测时，第二开关K2和第三开关K3为断开。
所述绝缘检测装置能采集第三电阻R3上的电压，即采样电压U2，并根据弥尔曼定理计算得到充电桩系统在接入第一电阻R1、第二电阻R2和第三电阻R3后的总的绝缘电阻Rins’，具体方法如下：
当第一开关K1断开、第二开关K2闭合、第三开关K3闭合时：
当第一开关K1、第二开关K2、第三开关K3同时闭合时：
由以上两式得：
而在计算充电桩系统的总的绝缘电阻(即不接入用于电压采样的第一电阻 R1、第二电阻R2和第三电阻R3)时，需要将已知数值的电阻R1、R2和R3剔除，从而得到充电桩系统的总的绝缘电阻Rins，公式如下：
式中，Rn为公共负端HV-相对于地线的绝缘电阻，Rp1是储能电池包电压正极 BAT+相对于地线PE的绝缘电阻，Rp2是第一充电枪电压正极Gun1+相对于地线PE 的绝缘电阻，Rp3是第二充电枪电压正极Gun2+相对于地线PE的绝缘电阻，Rn、 Rp1、Rp2、Rp3均是一个抽象的概念，而非在电路结构中实际接入的电阻元件，R0为已知数值的基准电阻，R1为已知数值的第一电阻，R2是已知数值的第二电阻， R3是已知数值的第三电阻，U2是第一开关K1断开、第二开关K2闭合、第三开关 K3闭合时的采样电压，U2’为第一开关K1、第二开关K2和第三开关K3同时闭合时的采样电压。
本实用新型非隔离储能直流充电桩用绝缘检测装置在控制器内部设置若干已知数值的电阻，并结合相应的开关元件一起工作，通过采集基准电压或采样电压的数值变化，从而得出充电桩系统的总的绝缘电阻，绝缘检测装置的电路结构简洁，易于实现，使用安全，且能为绝缘检测提供有效的数据基础，并提高效率。
以上仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围，因此，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、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种非隔离储能直流充电桩用绝缘检测装置，设置在充电桩的控制器(1)内，其特征在于：所述充电桩包括储能电池包和充电枪，储能电池包和充电枪的电压负极共接在公共负端(HV-)；所述绝缘检测装置包括基准电阻(R0)和第一开关(K1)，所述基准电阻(R0)的一端经第一开关(K1)连接地线(PE)，所述基准电阻(R0)的另一端连接公共负端(HV-)；
所述绝缘检测装置能对充电桩的控制器(1)内部采集电压数值，当第一开关(K1)断开和闭合时，所述绝缘检测装置能根据电压数值变化从而计算得到充电桩系统的总的绝缘电阻。
2.根据权利要求1所述的非隔离储能直流充电桩用绝缘检测装置，其特征在于：所述充电枪包括第一充电枪和第二充电枪；所述绝缘检测装置能采集基准电阻(R0)和第一开关(K1)串联后的两端的电压，即基准电压(U1)；
当第一开关(K1)断开和闭合时，所述绝缘检测装置能根据基准电压(U1)的数值变化从而计算得到充电桩系统的总的绝缘电阻，公式如下：
式中，Rn为公共负端(HV-)相对于地线的绝缘电阻，Rp1是储能电池包电压正极(BAT+)相对于地线(PE)的绝缘电阻，Rp2是第一充电枪电压正极(Gun1+)相对于地线(PE)的绝缘电阻，Rp3是第二充电枪电压正极(Gun2+)相对于地线(PE)的绝缘电阻，R0为已知数值的基准电阻，U1是第一开关(K1)断开时的基准电压，U1’为第一开关(K1)闭合时的基准电压。
3.根据权利要求1所述的非隔离储能直流充电桩用绝缘检测装置，其特征在于：所述充电枪包括第一充电枪和第二充电枪；所述绝缘检测装置还包括第一电阻(R1)、第二电阻(R2)、第三电阻(R3)、第二开关(K2)和第三开关(K3)；所述第一开关(K1)经第二开关(K2)连接地线(PE)；所述第一电阻(R1)的一端经第三开关(K3)连接储能电池包电压正极(BAT+)，第一电阻(R1)的另一端经第二开关(K2)连接地线(PE)，所述第二电阻(R2)和第三电阻(R3)串联后的一端经第二开关(K2)连接地线(PE)，所述第二电阻(R2)和第三电阻(R3)串联后的另一端连接公共负端(HV-)；所述第二开关(K2)和第三开关(K3)的常态为断开，在对充电桩作绝缘检测时为同时闭合状态；
所述绝缘检测装置能采集第三电阻(R3)上的电压，即采样电压(U2)，当第一开关(K1)断开和闭合时，所述绝缘检测装置能根据基准电压(U2)的数值变化从而计算得到充电桩系统的总的绝缘电阻，公式如下：
式中，Rn为公共负端(HV-)相对于地线的绝缘电阻，Rp1是储能电池包电压正极(BAT+)相对于地线(PE)的绝缘电阻，Rp2是第一充电枪电压正极(Gun1+)相对于地线(PE)的绝缘电阻，Rp3是第二充电枪电压正极(Gun2+)相对于地线(PE)的绝缘电阻，R0为已知数值的基准电阻，R1为已知数值的第一电阻，R2是已知数值的第二电阻，R3是已知数值的第三电阻，U2是第一开关(K1)断开、第二开关(K2)闭合、第三开关(K3)闭合时的采样电压，U2’为第一开关(K1)、第二开关(K2)和第三开关(K3)同时闭合时的采样电压。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN114407725A (zh) * | 2022-02-26 | 2022-04-29 | 重庆长安新能源汽车科技有限公司 | 电池包充电电路及避免电池包总电压采集值跳变的方法 |
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| CN114407725A (zh) * | 2022-02-26 | 2022-04-29 | 重庆长安新能源汽车科技有限公司 | 电池包充电电路及避免电池包总电压采集值跳变的方法 |
| CN114407725B (zh) * | 2022-02-26 | 2023-05-23 | 重庆长安新能源汽车科技有限公司 | 电池包充电电路及避免电池包总电压采集值跳变的方法 |
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