非车载充电机绝缘检测模块设计

黄亮王建吴有超

（北京智芯微电子科技有限公司北京）

摘要：本文提出的非车载充电机绝缘检测模块，可用于非车载充电机直流正、负极输出对地绝缘电阻的检测。模块采用不平衡电桥原理进行绝缘电阻检测，可有效检测出绝缘电阻的具体阻值。此外非车载充电机绝缘检测模块还具备绝缘电阻实时监测、绝缘故障报警、绝缘检测电路投切等功能。

关键词：不平衡电桥；非车载充电机；绝缘电阻；

0引言

在全球能源危机和环境危机严重的大背景下，在我国政府积极推进新能源汽车的应用与发展下，近年来电动汽车发展非常迅速，市场占有份额越来越大，但与新能源汽车的爆发相比，充电基础设施建设远远落后。与此同时，随着电动汽车充电桩的大量建设和应用，其安全性越来越受到重视。尤其是直流充电桩功率大、体积大、电压高，并且往往配有蓄电池进行储能，结构复杂。当直流侧绝缘不佳的时候，会造成设备损坏，火灾，以及人身触电。由于直流侧漏电故障无法使交流侧的漏电保护器动作，所以，增加直流侧绝缘检测以及接地故障保护装置显得尤为重要。

本文提出的非车载充电机绝缘检测模块，采用不平衡电桥电路检测绝缘电阻，相比平衡电桥检测法不仅可有效检测出绝缘电阻的变化，而且可以得出非车载充电机直流正、负极输出对地绝缘电阻的具体数值，同时也不会存在低频探测法受直流系统对地分布电容制约以及增大直流系统的电压纹波系数等问题。本文提出的非车载充电机绝缘检测模块还配置有MCU、信号调理电路、AD转换以及多种通信接口，可以实现对地绝缘电阻的实时监测及故障报警。此外，本文提出的绝缘检测模块中的不平衡电桥绝缘电阻检测电路具备投切功能，当绝缘检测完成或不需要检测时可从直流强电回路中分离。

1系统组成与原理

本文提出的非车载充电机绝缘检测模块，可用于非车载充电机直流正、负极输出对地绝缘电阻的检测。模块采用不平衡电桥原理进行绝缘电阻检测，可有效检测出绝缘电阻的具体阻值。此外本文提出的非车载充电机绝缘检测模块还具备绝缘电阻实时监测、绝缘故障报警、绝缘检测电路投切等功能。

非车载充电机绝缘检测模块主要由以下部分组成：不平衡电桥及信号调理电路、光耦隔离电路、AD转换电路、MCU、通信接口电路、绝缘故障指示电路。其系统组成框图如下图所示：

图1非车载充电机绝缘检测模块功能组成框图

不平衡电桥及信号调理电路主要由不平衡电桥电路和差分比例运放电路组成，不平衡电桥电路主要功能为通过电路中投切开关不同通断状态实现电桥的不同连通方式，相应地使不平衡电桥电路端口输出不同电平，后续电路将不平衡电桥电路输出电平信号进行调理和AD转换后进入MCU，依据不平衡电桥检测原理MCU即可计算出绝缘电阻的具体数值。

光耦隔离电路可对信号调理电路的输出电平信号进行光电隔离传输，使其前端的信号调理电路与后端的AD转换电路、MCU等有效隔离，对其后续弱电电路起到保护作用。本模块选用线性光耦HNCR201实现光电隔离，除可实现隔离功能外，其传输系数亦可进行微调，使用更加灵活方便。

AD转换电路将光耦隔离电路输出的电平信号（模拟信号）转换为数字信号并接入至MCU，此处选用TI公司的ADS7952，其为12路模拟输入、12位数字输出高精度数模转换芯片，其具备低功耗工作模式及模拟输入电平范围可调，均可通过MCU进行设置。

MCU控制不平衡电桥电路中的投切开关状态，实现电桥的不同连通方式，相应地使不平衡电桥电路端口输出不同电平；MCU将AD转换电路输出的数字化电平信息进行计算处理，即可准确计算出非车载充电机直流正、负极输出对地绝缘电阻的具体数值，根据《GB_T18487.1-2015电动汽车传导充电系统第1部分：通用要求》相关规定当绝缘电阻>500Ω/V时视为安全，100Ω/V<绝缘电阻≤500Ω/V时宜进行绝缘异常报警，但仍可正常充电，绝缘电阻≤100Ω/V时视为绝缘故障，应停止充电。此外MCU内还集成了CAN通信接口和RS485通信接口，只需外围配置相应的通信驱动芯片即可实行相应通信功能，MCU可通过CAN总线或RS485总线实现非车载充电机绝缘检测模块与非车载充电机主控制器之间快速可靠的信息交互。本模块MCU选用ST公司的STM32F107系列32位微处理器。

绝缘故障指示单元与MCU相连，主要包括指示灯和蜂鸣器，当绝缘电阻处于异常状态时将进行警示预警。

2不平衡电桥及信号调理电路

本模块不平衡电桥及信号调理电路原理如下图所示：

图2不平衡电桥及信号调理电路原理图

不平衡电桥电路由电阻R1、R2、R3、R4、R+、R-及投切开关K1、K2、K3组成，连接关系如上图2左半部分所示。电阻R1、R2、R3、R4的值主要由非车载充电机的直流输出电压决定，此处选取R1=R2=240KΩ，选取R3=R4=80KΩ。电阻R1一端与投切开关K1一端相连，电阻R1另一端与非车载充电机直流输出正端DC+相连，投切开关K1另一端与非车载充电机的PE端（连接机壳并接大地）相连；电阻R2一端与投切开关K2一端相连，电阻R2另一端与非车载充电机直流输出负端DC-相连，投切开关K2另一端与非车载充电机的PE端（连接机壳并接大地）相连；电阻R1、R2和投切开关K1、K2组成不平衡电桥的可投切分压支路，在进行绝缘电阻检测时通过投切开关K1、K2的通断组合使不平衡电桥电路端口（电阻R3两端电压或电阻R4两端电压）输出不同电平以便进行绝缘电阻检测，在非工作状态下投切开关K1、K2均需断开以使可投切分压支路从直流强电回路中分离。电阻R3一端与非车载充电机直流输出正端DC+相连，另一端与非车载充电机的PE端（连接机壳并接大地）相连；电阻R4一端与非车载充电机直流输出负端DC-相连，另一端与非车载充电机的PE端（连接机壳并接大地）相连；电阻R3与R4组成不平衡电桥的固定分压支路。投切开关K3连接在PE与固定分压支路之间，在进行绝缘电阻检测时处于闭合状态，在非工作状态下需断开以使固定分压支路从直流强电回路中分离。电阻R+为非车载充电机直流输出正端DC+与PE端的绝缘电阻，电阻R-为非车载充电机直流输出负端DC-与PE端的绝缘电阻，电阻R+与电阻R-的阻值即为需检测的目标值。本模块投切开关可由干簧管继电器或者光耦继电器实现。

信号调理电路对不平衡电桥的输出端口电压信号进行调理，主要包括电压比例调节及滤波处理，不平衡电桥的输出端口电压信号幅值较大需对其进行电压变换，转换为幅值较小的电平信号以便后续AD转换电路进行模数转换，连接关系如上图2右半部分所示。信号调理电路由两路功能相同的电路组成，分别对电阻R3两端电压信号，即DC+端与PE端之间的电压信号，以及电阻R4两端电压信号，即PE端与DC-端之间的电压信号进行信号调理。其中对DC+端与PE端之间电压信号进行信号调理的电路由运算放大器A1、电阻R5、R6、R7、R8、R13以及电容C1组成，运放A1与电阻R5、R6、R7、R8组成差分比例运算电路，电阻R7连接在DC+端与运放A1的同相输入端之间，电阻R5连接在PE端与运放A1的反相输入端之间，电阻R6连接在运放A1的输出端与反相输入端之间作为反馈电阻，电阻R8连接在运放A1同相输入端与信号地GND之间，其中R5=R7、R6=R8，R6/R5的值为比例参数，即差分比例运算电路的输出电平与输入电平的比值为R6/R5，其由后续AD转换电路的基准参考电压决定，此处R6/R5的值取0.003。电阻R13与电容C1组成滤波电路，对运放输出信号进行滤波。对PE端与DC-端之间电压信号进行信号调理的电路由运算放大器A2、电阻R9、R10、R11、R12、R14以及电容C2组成，运放A2与电阻R9、R10、R11、R12组成差分比例运算电路，电阻R11连接在PE端与运放A2的同相输入端之间，电阻R9连接在DC-端与运放A2的反相输入端之间，电阻R10连接在运放A2的输出端与反相输入端之间作为反馈电阻，电阻R12连接在运放A2同相输入端与信号地GND之间，其中R9=R11、R10=R12，R10/R9的值为比例参数，即差分比例运算电路的输出电平与输入电平的比值为R10/R9，其由后续AD转换电路的基准参考电压决定，此处R10/R9的值取0.003。电阻R14与电容C2组成滤波电路，对运放输出信号进行滤波。本模块运放芯片选用的是LM258。

3绝缘电阻检测过程及计算方法

绝缘电阻检测过程及计算方法如下：

首先，在不检测绝缘电阻时，非车载充电机绝缘模块中的投切开关K1、K2、K3均处于断开状态，不平衡电桥电路从直流强电回路中分离。开始测试绝缘电阻时，先使投切开关K1、K3闭合，投切开关K2断开。此时不平衡电桥电路DC+端与PE端之间电阻为R+、R1、R3三个电阻并联，不平衡电桥电路PE端与DC-端之间电阻为R-、R4两个电阻并联，此时电阻R4两端电压，即PE端与DC-端之间的电压应为：

（1）

其中U1为PE端与DC-端之间的电压，U0为DC+端与DC-端电压，即绝缘检测电压。

然后，使投切开关K2、K3闭合，投切开关K1断开，此时不平衡电桥电路DC+端与PE端之间电阻为R+、R3两个电阻并联，不平衡电桥电路PE端与DC-端之间电阻为R-、R2、R4三个电阻并联，此时电阻R4两端电压，即PE端与DC-端之间的电压应为：

式（5）和式（6）中U1、U2为测量值，其经过后续信号调理电路、AD转换电路输入至MCU，电阻R1、R4以及绝缘检测电压U0为已知值，所以MCU可根据上述公式计算出绝缘电阻R+、R-的具体数值。MCU可根据计算所得的绝缘电阻值来判断非车载充电机直流输出母线与PE端的绝缘状态，并据此作出相应的处理措施。

4结论

（1）本文提出的非车载充电机绝缘检测模块采用不平衡电桥电路检测非车载充电机直流输出正、负端对地绝缘电阻，相比平衡电桥检测法不仅可有效检测出绝缘电阻的变化，而且可以得出绝缘电阻的具体数值，同时也不会存在低频探测法受直流系统对地分布电容制约以及增大直流系统电压纹波系数等问题。

（2）本文提出的非车载充电机绝缘检测模块在绝缘电阻检测完成后，非车载充电机开始充电前可断开投切开关，从而使不平衡电桥电路以物理的方式从非车载充电机直流强电回路中分离，不会对非车载充电机充电过程产生影响。

（3）本文提出的非车载充电机绝缘检测模块配置了高性能的32位MCU，可实现对绝缘电阻实时计算，并根据绝缘电阻的结算结果及时进行相应的故障报警处理，通过绝缘故障指示电路发出指示；此外MCU内部还集成了CAN和RS485通信接口，可快速可靠的实现与非车载充电机主控制器之间数据交互，包括测量数据的传输以及接收控制指令的下发。

参考文献：

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[5]张进，张向文.电动汽车动力电池绝缘检测系统的设计与实现电源技术，2016（10）：55-58

[6]《GB_T18487.1-2015电动汽车传导充电系统第1部分：通用要求》

作者简介：

黄亮（1980），男，工学学士，主要从事用电节能、硬件电路设计等方面的工作

王建（1986），男，工学学士，主要从事用电节能、智能用电等方面的工作

吴有超（1987），男，工学学士，主要从事用电节能、智能用电等方面的工作