一種充電樁輸出保護(hù)電路

劉雙才

（南京國網(wǎng)電瑞電力科技有限責(zé)任公司 江蘇省南京市 211106）

1 前言

隨著新能源車的大力發(fā)展，配套的充電設(shè)施越來越多的出現(xiàn)在我們的生活中，同時(shí)對(duì)充電設(shè)施的保護(hù)要求也越來越高，特別是輸出短路保護(hù)。當(dāng)檢測(cè)到短路故障時(shí)需立刻切斷供電回路，保護(hù)充電設(shè)施、電動(dòng)汽車以及人身安全。本文講述了一種基于繼電器方式的短路保護(hù)電路，該電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，通過普通I/O 口即可實(shí)現(xiàn)短路故障檢測(cè)。

2 輸出短路保護(hù)結(jié)構(gòu)及組成

本文所述的輸出短路保護(hù)用于檢測(cè)充電樁中控制主回路（繼電器/接觸器）之后的線路（電纜線、充電槍、車內(nèi)線路及相關(guān)元件）是否存在短路。在主回路每次合閘前均作一次檢測(cè)，檢測(cè)通過后才允許合閘。如果檢測(cè)到輸出回路（L 與N、L 與PE、N 與PE）有短路存在，則禁止合閘。其整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

具體地，實(shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)電路有以下三部分組成：

（1）施加檢測(cè)信號(hào)：在輸入端L_IN 與N_IN 線路上分別接入繼電器，串聯(lián)四只51KΩ 電阻到輸出端口，驅(qū)動(dòng)一只光耦。

（2）信號(hào)隔離輸出：光耦隔離輸出電平信號(hào)到MCU的I/0端口。

圖1：整體結(jié)構(gòu)圖

圖2：輸出短路檢測(cè)原理圖

圖3：正常輸出波形

圖4：輸出短路波形

（3）異常狀態(tài)的保護(hù)：增加輸出回路放電電阻，即使輸出回路存在高壓，電路中串聯(lián)了可恢復(fù)保險(xiǎn)絲與TVS 管實(shí)現(xiàn)電壓鉗位，不會(huì)造成任何元件的損壞。

詳細(xì)電路方案如圖2所示。

圖6

圖7

2.1 電路說明

施加檢測(cè)信號(hào)：K3, K4, K5 同時(shí)合閘，產(chǎn)生控制電流驅(qū)動(dòng)光耦U1，輸出方波信號(hào)到MCU_I/0 端口。當(dāng)輸出短路時(shí)，由于光耦回路被旁路，光耦將不導(dǎo)通，輸出持續(xù)低電平信號(hào)到MCU 的I/0 端口。

信號(hào)隔離輸出：光耦U1 實(shí)現(xiàn)了電氣隔離，隔離電壓5kV，爬電間距8mm。

異常狀態(tài)的保護(hù)：R7,R8,R9,R10 為輸出回路放電電阻。即使輸出回路存在高壓（車端電壓），電路中可恢復(fù)保險(xiǎn)絲F1 與TVS 管DZ1 實(shí)現(xiàn)了將電壓鉗位到5V，不會(huì)造成光耦損壞。

此外，用于檢測(cè)輸出回路的繼電器控制與主回路控制實(shí)現(xiàn)互鎖操作，避免主回路誤動(dòng)作。

2.2 未連車端時(shí)測(cè)試波形

圖3 為輸出端未短路時(shí)，MCU 的I/O 端接收到方波信號(hào)；圖4 未輸出短路時(shí)，MCU 的I/O 端接收到持續(xù)的低電平信號(hào)。

由于車端有負(fù)載電容的影響，實(shí)際連接車端測(cè)試后正常輸出的方波信號(hào)會(huì)受到影響，于是做了仿真測(cè)試。根據(jù)光耦TLP383 特性曲線圖，需確保光耦導(dǎo)通的壓降要求必須大于1.1V。如圖5所示。

3 按測(cè)試車輛的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

3.1 原電路參數(shù)仿真

輸出的方波信號(hào)高電平周期變短，會(huì)一定程度影響判斷結(jié)果。如圖6所示。

3.2 改R1/R2/R3/R4電阻為10K，電網(wǎng)電壓設(shè)定為176V

輸出的方波占空比幾乎是50%，不易影響判斷結(jié)果。如圖7所示。

根據(jù)仿真結(jié)果，將4 個(gè)限流電阻阻值更改為10K 歐姆時(shí)，在連接車端測(cè)試時(shí)正常輸出波形和短路波形均得到了理想的結(jié)果。這樣通過MCU 的I/O 口即可輕易判斷出輸出端是否為短路狀態(tài)，為充電樁的安全保護(hù)提供了基礎(chǔ)。