淺談充電樁絕緣檢測系統研究與設計

王文軍

【摘 要】在當今社會燃油資源嚴重匱乏，氣候變暖迅速加快的情形，人們逐漸開始使用電動新能源汽車來代替燃油汽車，當然電動汽車就要有相對的充電裝置，充電裝置中需要一個檢測絕緣電阻的子系統。首先，介紹充電樁絕緣監測系統的研究現狀及目前存在的一些問題，通過其原理進行詳細剖析，最終確定了以msp430g2553系列芯片為核心控制系統，以IR2110作為電壓驅動模塊實現對開關管IRFP460的驅動，MAX485芯片實現通訊功能，采用蜂鳴器，LED燈等模塊作為報警信號，搭建聲光報警模塊實現實時報警功能，綜合以上五個硬件模塊設計硬件電路。

【關鍵詞】充電樁；絕緣檢測；系統

1 引言

為了保證電動汽車有很好的實用性有很大的市場所以不能使用太高的電源，在車的回路上會分為高壓和低壓，當然若果是高壓的話，由于電壓高，電阻小，這樣就會形成較大的電流。我們平常理解的不太一樣的是車上所用的電池不是一個單獨的能量來源，這種電池是有很多安全電壓的電池組合而成的，組合方式是串聯，這么多個小電池組合到一起的總電壓在300V左右。在實際運行中電動車動起來需要很強的電壓，所以車在運行使用中電壓不能忽高忽低，要基本保持穩定，因此需要對于其進行監測與控制。

2 絕緣監測系統發展現狀

絕緣檢測設備是給電動汽車充電的過程中充電設施最需要的檢測技術，一樣的也是在整個系統中對科技含量要求非常高的。根據國檢的相關規定也參照電動汽車對人體可能造成的影響制定標準，當工作于交流狀態時期限制的最大電壓小于660V，在工作狀態為直流的狀態下電壓限制在1000V之內，充電樁的重量不能超過3500KG。

3 充電樁絕緣檢測系統設計

3.1 性能要求

（1）實現充電樁絕緣不合格的紅燈報警；

（2）系統可顯示出輸入測試電壓的數值；

（3）實現測試時對測試人員的保護；

（4）其他設備均采用低功耗元器件；

（5）可以顯示絕緣電阻值；

（6）對系統經行抗干擾處理，原因是電動汽車的充電樁工作地點和天氣環境都是不確定的，在很不適宜用電設備工作的環境下，依然需要正常工作運行保證安全，并且可以在充電前對樁體絕緣性能進行監控測量。

3.2 總體方案設計

本方案由STM32、高壓接觸器模塊、串口通信模塊、電壓測量電路模塊，偏置電阻電路模塊，繼電器模塊，聲光報警模塊等組成。電動汽車充電樁絕緣檢測系統需要完成以下的任務對絕緣電阻的測量計算、和充電樁總控制器進出通訊、在發生故障發現不能使用時發出警報，在報警的同時可以向總控制器反饋斷電以免發生危險。在這一部分之中，測算單元在重要控制單元的控制中，分別完成正母線對地，和負母線對地電壓的測算；這種方案中的主線通訊在外間環境惡劣的情形下，可以穩定方便快捷的完成對內部的控制和對外部的通信，參考直流充電樁的國家規定，和對人體可能產生的不利影響，經過采樣計算芯片處理過后經過判斷是否需要警醒報警計算，控制電源直接切斷以免傷到使用者。

3.3 硬件設計

因為直流充電樁的涉及到電壓很高，發生故障會造成無法彌補的損失，所以在制定絕緣監測系統的功能的時候就要考慮的更加全面，在故障時發出警報；電阻檢測電路；電壓過高時保護電路；和主系統之間的交互；電壓輸入電路。下面針對上述模塊，對它的功能和職責做具體的描述如下：

（1）采樣主控電路

主要負責收錄采集流經采樣電阻的組織和分配主電路的電壓，采集到流經電阻輸出的電壓信號，在經過一系類的電路元件，把這些信號進行加工，最后生成的信號是可以直接輸入A/D采樣模塊的信號。值得關注的是后續的電路和器件都應當共地，達到采樣準確的目的。單片機是MSP430系列中的MSP430G2553，這種單片機可以控制很多種設備，應用范圍很廣。這種器件的配置如下，具有一個強大的16位RISCCPU、16位寄存器和有助于獲得最大編碼效率的常數發生器。數字控制振蕩器（DCO）可在不到1μs的時間里完成從低功耗模式到運行模式的喚醒。上面所說的器件還是一個，功耗很低的多重信號匯合總控制器，擁有計時功能，內置一個定時器，實現目標時不用另加定時模塊，I/O口也十分充足，有二十四個，還擁有連接串行接口的通信能力。此外，MSP430G2553還具有一個10位模數（A/D）轉換器。

（2）開關電路

加入合適的開關元件，使得電壓可以輸入到電路內，方便阻值可以被分段采集到，這樣的結構方便檢測電阻，也為調試電路打下了基礎。

（3）電壓跟隨器

電壓跟隨器要達到的效果是，輸入到跟隨其中的電壓和輸出的電壓是一樣的相位。跟隨器在輸入電路一端的電路阻抗很大，相反的另一面的阻抗就很小了，這個電路可以類比于，阻抗轉換的電路單元，這個組成部分可以讓電路可以加上更多的負載。換句話來說，比如之前的電路有一個很大的輸出，阻抗過大，不符合標準，那就要加一個電壓的跟隨器，電壓跟隨器也可以使電壓壓降降低一些，使輸出更加合理的壓降。

第一部分為兩個個電壓跟隨器，分別作用于橋式阻抗網絡輸出的正端和負端，分別是由一個電阻和一個運算放大器組成，這樣連接配置電路可以讓采樣芯片不接觸過高的電壓；第二個組成是兩組二極管，這兩組二極管組成的是鉗位電路，附加的電容作用是濾波，具體作用就是保證AD采樣單元接收到的電壓信號不超過3.3V，這樣就可以避免單片機出現硬件損壞。

（4）通訊電路

在樁體通信中，主要利用的是總線通信，所以本系統設計中利用通信單元將計算得出的正、負對車體的絕緣電阻結果傳遞給充電樁控制器。報警提示電路分為三個部分，第一部分為上拉偏置電阻R7，三極管Q1，和蜂鳴器SPEKER。第二部分，第三部分的組成基本一樣，都是有一個上拉偏置電阻和一個LED組成的，分別是一個紅色的LED和一個綠色的LED。當主控芯片判斷絕緣電阻正常時，控制綠色LED燈亮，并且通過通信接口向充電樁總的控制端發出正常信號，繼續進行充電樁運行流程，當主控芯片判斷絕緣電阻不正常時，控制紅燈亮起，并且蜂鳴器報警，并且通過通信接口向充電樁總控制端發出信號切斷電源，不繼續進行工作。

MAX485接口芯片是Maxim公司的一種RS-485芯片，采用單一電源+5 V工作，額定電流為300 μA，采用半雙工通訊方式。他可以將TTL轉成485信號進行輸出。該芯片的結構十分易懂，方便分析和使用，可以更好地進行連接組織，其內部分為兩個部分，一個驅動裝置，一個接受裝置。RO和DI兩個端口是驅動器用來接收信號，和發出信號的。和單片機主芯片相連接的時候只需要連接RD，TD；接收和發送的接口要接在RE，DE，給RE定義為邏輯0時，MAX485處于接收信號的狀態，這個要通過MAX485的工作狀態來判斷，所以連接單片機的時候只要連接在一個角上就行了；AB兩個端口是差分信號輸入和輸出的兩個端口，要讓數據輸出為1，那A的電平就要比B大；反之就會輸出數據0。

4 總結

本設計以msp430g2553系列芯片為核心控制系統，以IR2110作為電壓驅動模塊實現對開關管IRFP460的驅動，MAX485芯片實現通訊功能，采用蜂鳴器，LED燈等模塊作為報警信號，搭建聲光報警模塊實現實時報警功能，從而有效地實現了充電樁的檢測功能。

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（作者單位：酒泉市光熱光伏設備質量檢測中心）