一种充电桩输出保护电路

刘双才

（南京国网电瑞电力科技有限责任公司 江苏省南京市 211106）

1 前言

随着新能源车的大力发展，配套的充电设施越来越多的出现在我们的生活中，同时对充电设施的保护要求也越来越高，特别是输出短路保护。当检测到短路故障时需立刻切断供电回路，保护充电设施、电动汽车以及人身安全。本文讲述了一种基于继电器方式的短路保护电路，该电路结构简单，通过普通I/O 口即可实现短路故障检测。

2 输出短路保护结构及组成

本文所述的输出短路保护用于检测充电桩中控制主回路（继电器/接触器）之后的线路（电缆线、充电枪、车内线路及相关元件）是否存在短路。在主回路每次合闸前均作一次检测，检测通过后才允许合闸。如果检测到输出回路（L 与N、L 与PE、N 与PE）有短路存在，则禁止合闸。其整体结构如图1所示。

具体地，实现输出短路保护电路有以下三部分组成：

（1）施加检测信号：在输入端L_IN 与N_IN 线路上分别接入继电器，串联四只51KΩ 电阻到输出端口，驱动一只光耦。

（2）信号隔离输出：光耦隔离输出电平信号到MCU的I/0端口。

图1：整体结构图

图2：输出短路检测原理图

图3：正常输出波形

图4：输出短路波形

（3）异常状态的保护：增加输出回路放电电阻，即使输出回路存在高压，电路中串联了可恢复保险丝与TVS 管实现电压钳位，不会造成任何元件的损坏。

详细电路方案如图2所示。

图6

图7

2.1 电路说明

施加检测信号：K3, K4, K5 同时合闸，产生控制电流驱动光耦U1，输出方波信号到MCU_I/0 端口。当输出短路时，由于光耦回路被旁路，光耦将不导通，输出持续低电平信号到MCU 的I/0 端口。

信号隔离输出：光耦U1 实现了电气隔离，隔离电压5kV，爬电间距8mm。

异常状态的保护：R7,R8,R9,R10 为输出回路放电电阻。即使输出回路存在高压（车端电压），电路中可恢复保险丝F1 与TVS 管DZ1 实现了将电压钳位到5V，不会造成光耦损坏。

此外，用于检测输出回路的继电器控制与主回路控制实现互锁操作，避免主回路误动作。

2.2 未连车端时测试波形

图3 为输出端未短路时，MCU 的I/O 端接收到方波信号；图4 未输出短路时，MCU 的I/O 端接收到持续的低电平信号。

由于车端有负载电容的影响，实际连接车端测试后正常输出的方波信号会受到影响，于是做了仿真测试。根据光耦TLP383 特性曲线图，需确保光耦导通的压降要求必须大于1.1V。如图5所示。

3 按测试车辆的拓扑结构仿真结果

3.1 原电路参数仿真

输出的方波信号高电平周期变短，会一定程度影响判断结果。如图6所示。

3.2 改R1/R2/R3/R4电阻为10K，电网电压设定为176V

输出的方波占空比几乎是50%，不易影响判断结果。如图7所示。

根据仿真结果，将4 个限流电阻阻值更改为10K 欧姆时，在连接车端测试时正常输出波形和短路波形均得到了理想的结果。这样通过MCU 的I/O 口即可轻易判断出输出端是否为短路状态，为充电桩的安全保护提供了基础。