王文軍

【摘 要】在當(dāng)今社會(huì)燃油資源嚴(yán)重匱乏，氣候變暖迅速加快的情形，人們逐漸開(kāi)始使用電動(dòng)新能源汽車(chē)來(lái)代替燃油汽車(chē)，當(dāng)然電動(dòng)汽車(chē)就要有相對(duì)的充電裝置，充電裝置中需要一個(gè)檢測(cè)絕緣電阻的子系統(tǒng)。首先，介紹充電樁絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及目前存在的一些問(wèn)題，通過(guò)其原理進(jìn)行詳細(xì)剖析，最終確定了以msp430g2553系列芯片為核心控制系統(tǒng)，以IR2110作為電壓驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)管IRFP460的驅(qū)動(dòng)，MAX485芯片實(shí)現(xiàn)通訊功能，采用蜂鳴器，LED燈等模塊作為報(bào)警信號(hào)，搭建聲光報(bào)警模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警功能，綜合以上五個(gè)硬件模塊設(shè)計(jì)硬件電路。

【關(guān)鍵詞】充電樁；絕緣檢測(cè)；系統(tǒng)

1 引言

為了保證電動(dòng)汽車(chē)有很好的實(shí)用性有很大的市場(chǎng)所以不能使用太高的電源，在車(chē)的回路上會(huì)分為高壓和低壓，當(dāng)然若果是高壓的話，由于電壓高，電阻小，這樣就會(huì)形成較大的電流。我們平常理解的不太一樣的是車(chē)上所用的電池不是一個(gè)單獨(dú)的能量來(lái)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(lián)，這么多個(gè)小電池組合到一起的總電壓在300V左右。在實(shí)際運(yùn)行中電動(dòng)車(chē)動(dòng)起來(lái)需要很強(qiáng)的電壓，所以車(chē)在運(yùn)行使用中電壓不能忽高忽低，要基本保持穩(wěn)定，因此需要對(duì)于其進(jìn)行監(jiān)測(cè)與控制。

2 絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

絕緣檢測(cè)設(shè)備是給電動(dòng)汽車(chē)充電的過(guò)程中充電設(shè)施最需要的檢測(cè)技術(shù)，一樣的也是在整個(gè)系統(tǒng)中對(duì)科技含量要求非常高的。根據(jù)國(guó)檢的相關(guān)規(guī)定也參照電動(dòng)汽車(chē)對(duì)人體可能造成的影響制定標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)工作于交流狀態(tài)時(shí)期限制的最大電壓小于660V，在工作狀態(tài)為直流的狀態(tài)下電壓限制在1000V之內(nèi)，充電樁的重量不能超過(guò)3500KG。

3 充電樁絕緣檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 性能要求

（1）實(shí)現(xiàn)充電樁絕緣不合格的紅燈報(bào)警；

（2）系統(tǒng)可顯示出輸入測(cè)試電壓的數(shù)值；

（3）實(shí)現(xiàn)測(cè)試時(shí)對(duì)測(cè)試人員的保護(hù)；

（4）其他設(shè)備均采用低功耗元器件；

（5）可以顯示絕緣電阻值；

（6）對(duì)系統(tǒng)經(jīng)行抗干擾處理，原因是電動(dòng)汽車(chē)的充電樁工作地點(diǎn)和天氣環(huán)境都是不確定的，在很不適宜用電設(shè)備工作的環(huán)境下，依然需要正常工作運(yùn)行保證安全，并且可以在充電前對(duì)樁體絕緣性能進(jìn)行監(jiān)控測(cè)量。

3.2 總體方案設(shè)計(jì)

本方案由STM32、高壓接觸器模塊、串口通信模塊、電壓測(cè)量電路模塊，偏置電阻電路模塊，繼電器模塊，聲光報(bào)警模塊等組成。電動(dòng)汽車(chē)充電樁絕緣檢測(cè)系統(tǒng)需要完成以下的任務(wù)對(duì)絕緣電阻的測(cè)量計(jì)算、和充電樁總控制器進(jìn)出通訊、在發(fā)生故障發(fā)現(xiàn)不能使用時(shí)發(fā)出警報(bào)，在報(bào)警的同時(shí)可以向總控制器反饋斷電以免發(fā)生危險(xiǎn)。在這一部分之中，測(cè)算單元在重要控制單元的控制中，分別完成正母線對(duì)地，和負(fù)母線對(duì)地電壓的測(cè)算；這種方案中的主線通訊在外間環(huán)境惡劣的情形下，可以穩(wěn)定方便快捷的完成對(duì)內(nèi)部的控制和對(duì)外部的通信，參考直流充電樁的國(guó)家規(guī)定，和對(duì)人體可能產(chǎn)生的不利影響，經(jīng)過(guò)采樣計(jì)算芯片處理過(guò)后經(jīng)過(guò)判斷是否需要警醒報(bào)警計(jì)算，控制電源直接切斷以免傷到使用者。

3.3 硬件設(shè)計(jì)

因?yàn)橹绷鞒潆姌兜纳婕暗诫妷汉芨撸l(fā)生故障會(huì)造成無(wú)法彌補(bǔ)的損失，所以在制定絕緣監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的功能的時(shí)候就要考慮的更加全面，在故障時(shí)發(fā)出警報(bào)；電阻檢測(cè)電路；電壓過(guò)高時(shí)保護(hù)電路；和主系統(tǒng)之間的交互；電壓輸入電路。下面針對(duì)上述模塊，對(duì)它的功能和職責(zé)做具體的描述如下：

（1）采樣主控電路

主要負(fù)責(zé)收錄采集流經(jīng)采樣電阻的組織和分配主電路的電壓，采集到流經(jīng)電阻輸出的電壓信號(hào)，在經(jīng)過(guò)一系類(lèi)的電路元件，把這些信號(hào)進(jìn)行加工，最后生成的信號(hào)是可以直接輸入A/D采樣模塊的信號(hào)。值得關(guān)注的是后續(xù)的電路和器件都應(yīng)當(dāng)共地，達(dá)到采樣準(zhǔn)確的目的。單片機(jī)是MSP430系列中的MSP430G2553，這種單片機(jī)可以控制很多種設(shè)備，應(yīng)用范圍很廣。這種器件的配置如下，具有一個(gè)強(qiáng)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(shù)發(fā)生器。數(shù)字控制振蕩器（DCO）可在不到1μs的時(shí)間里完成從低功耗模式到運(yùn)行模式的喚醒。上面所說(shuō)的器件還是一個(gè)，功耗很低的多重信號(hào)匯合總控制器，擁有計(jì)時(shí)功能，內(nèi)置一個(gè)定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)時(shí)不用另加定時(shí)模塊，I/O口也十分充足，有二十四個(gè)，還擁有連接串行接口的通信能力。此外，MSP430G2553還具有一個(gè)10位模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器。

（2）開(kāi)關(guān)電路

加入合適的開(kāi)關(guān)元件，使得電壓可以輸入到電路內(nèi)，方便阻值可以被分段采集到，這樣的結(jié)構(gòu)方便檢測(cè)電阻，也為調(diào)試電路打下了基礎(chǔ)。

（3）電壓跟隨器

電壓跟隨器要達(dá)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(gè)電路可以類(lèi)比于，阻抗轉(zhuǎn)換的電路單元，這個(gè)組成部分可以讓電路可以加上更多的負(fù)載。換句話來(lái)說(shuō)，比如之前的電路有一個(gè)很大的輸出，阻抗過(guò)大，不符合標(biāo)準(zhǔn)，那就要加一個(gè)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(gè)個(gè)電壓跟隨器，分別作用于橋式阻抗網(wǎng)絡(luò)輸出的正端和負(fù)端，分別是由一個(gè)電阻和一個(gè)運(yùn)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(guò)高的電壓；第二個(gè)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(hào)不超過(guò)3.3V，這樣就可以避免單片機(jī)出現(xiàn)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(tǒng)設(shè)計(jì)中利用通信單元將計(jì)算得出的正、負(fù)對(duì)車(chē)體的絕緣電阻結(jié)果傳遞給充電樁控制器。報(bào)警提示電路分為三個(gè)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(gè)上拉偏置電阻和一個(gè)LED組成的，分別是一個(gè)紅色的LED和一個(gè)綠色的LED。當(dāng)主控芯片判斷絕緣電阻正常時(shí)，控制綠色LED燈亮，并且通過(guò)通信接口向充電樁總的控制端發(fā)出正常信號(hào)，繼續(xù)進(jìn)行充電樁運(yùn)行流程，當(dāng)主控芯片判斷絕緣電阻不正常時(shí)，控制紅燈亮起，并且蜂鳴器報(bào)警，并且通過(guò)通信接口向充電樁總控制端發(fā)出信號(hào)切斷電源，不繼續(xù)進(jìn)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(zhuǎn)成485信號(hào)進(jìn)行輸出。該芯片的結(jié)構(gòu)十分易懂，方便分析和使用，可以更好地進(jìn)行連接組織，其內(nèi)部分為兩個(gè)部分，一個(gè)驅(qū)動(dòng)裝置，一個(gè)接受裝置。RO和DI兩個(gè)端口是驅(qū)動(dòng)器用來(lái)接收信號(hào)，和發(fā)出信號(hào)的。和單片機(jī)主芯片相連接的時(shí)候只需要連接RD，TD；接收和發(fā)送的接口要接在RE，DE，給RE定義為邏輯0時(shí)，MAX485處于接收信號(hào)的狀態(tài)，這個(gè)要通過(guò)MAX485的工作狀態(tài)來(lái)判斷，所以連接單片機(jī)的時(shí)候只要連接在一個(gè)角上就行了；AB兩個(gè)端口是差分信號(hào)輸入和輸出的兩個(gè)端口，要讓數(shù)據(jù)輸出為1，那A的電平就要比B大；反之就會(huì)輸出數(shù)據(jù)0。

4 總結(jié)

本設(shè)計(jì)以msp430g2553系列芯片為核心控制系統(tǒng)，以IR2110作為電壓驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)管IRFP460的驅(qū)動(dòng)，MAX485芯片實(shí)現(xiàn)通訊功能，采用蜂鳴器，LED燈等模塊作為報(bào)警信號(hào)，搭建聲光報(bào)警模塊實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警功能，從而有效地實(shí)現(xiàn)了充電樁的檢測(cè)功能。

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（作者單位：酒泉市光熱光伏設(shè)備質(zhì)量檢測(cè)中心）