浅谈充电桩绝缘检测系统研究与设计
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【摘 要】在当今社会燃油资源严重匮乏，气候变暖迅速加快的情形，人们逐渐开始使用电动新能源汽车来代替燃油汽车，当然电动汽车就要有相对的充电装置，充电装置中需要一个检测绝缘电阻的子系统。首先，介绍充电桩绝缘监测系统的研究现状及目前存在的一些问题，通过其原理进行详细剖析，最终确定了以msp430g2553系列芯片为核心控制系统，以IR2110作为电压驱动模块实现对开关管IRFP460的驱动，MAX485芯片实现通讯功能，采用蜂鸣器，LED灯等模块作为报警信号，搭建声光报警模块实现实时报警功能，综合以上五个硬件模块设计硬件电路。
【关键词】充电桩；绝缘检测；系统
1 引言
为了保证电动汽车有很好的实用性有很大的市场所以不能使用太高的电源，在车的回路上会分为高压和低压，当然若果是高压的话，由于电压高，电阻小，这样就会形成较大的电流。我们平常理解的不太一样的是车上所用的电池不是一个单独的能量来源，这种电池是有很多安全电压的电池组合而成的，组合方式是串联，这么多个小电池组合到一起的总电压在300V左右。在实际运行中电动车动起来需要很强的电压，所以车在运行使用中电压不能忽高忽低，要基本保持稳定，因此需要对于其进行监测与控制。
2 绝缘监测系统发展现状
绝缘检测设备是给电动汽车充电的过程中充电设施最需要的检测技术，一样的也是在整个系统中对科技含量要求非常高的。根据国检的相关规定也参照电动汽车对人体可能造成的影响制定标准，当工作于交流状态时期限制的最大电压小于660V，在工作状态为直流的状态下电压限制在1000V之内，充电桩的重量不能超过3500KG。
3 充电桩绝缘检测系统设计
3.1 性能要求
（1）实现充电桩绝缘不合格的红灯报警；
（2）系统可显示出输入测试电压的数值；
（3）实现测试时对测试人员的保护；
（4）其他设备均采用低功耗元器件；
（5）可以显示绝缘电阻值；
（6）对系统经行抗干扰处理，原因是电动汽车的充电桩工作地点和天气环境都是不确定的，在很不适宜用电设备工作的环境下，依然需要正常工作运行保证安全，并且可以在充电前对桩体绝缘性能进行监控测量。
3.2 总体方案设计
本方案由STM32、高压接触器模块、串口通信模块、电压测量电路模块，偏置电阻电路模块，继电器模块，声光报警模块等组成。电动汽车充电桩绝缘检测系统需要完成以下的任务对绝缘电阻的测量计算、和充电桩总控制器进出通讯、在发生故障发现不能使用时发出警报，在报警的同时可以向总控制器反馈断电以免发生危险。在这一部分之中，测算单元在重要控制单元的控制中，分别完成正母线对地，和负母线对地电压的测算；这种方案中的主线通讯在外间环境恶劣的情形下，可以稳定方便快捷的完成对内部的控制和对外部的通信，参考直流充电桩的国家规定，和对人体可能产生的不利影响，经过采样计算芯片处理过后经过判断是否需要警醒报警计算，控制电源直接切断以免伤到使用者。
3.3 硬件设计
因为直流充电桩的涉及到电压很高，发生故障会造成无法弥补的损失，所以在制定绝缘监测系统的功能的时候就要考虑的更加全面，在故障时发出警报；电阻检测电路；电压过高时保护电路；和主系统之间的交互；电压输入电路。下面针对上述模块，对它的功能和职责做具体的描述如下：
（1）采样主控电路
主要负责收录采集流经采样电阻的组织和分配主电路的电压，采集到流经电阻输出的电压信号，在经过一系类的电路元件，把这些信号进行加工，最后生成的信号是可以直接输入A/D采样模块的信号。值得關注的是后续的电路和器件都应当共地，达到采样准确的目的。单片机是MSP430系列中的MSP430G2553，这种单片机可以控制很多种设备，应用范围很广。这种器件的配置如下，具有一个强大的16位RISCCPU、16位寄存器和有助于获得最大编码效率的常数发生器。数字控制振荡器（DCO）可在不到1?s的时间里完成从低功耗模式到运行模式的唤醒。上面所说的器件还是一个，功耗很低的多重信号汇合总控制器，拥有计时功能，内置一个定时器，实现目标时不用另加定时模块，I/O口也十分充足，有二十四个，还拥有连接串行接口的通信能力。此外，MSP430G2553还具有一个10位模数（A/D）转换器。
（2）开关电路
加入合适的开关元件，使得电压可以输入到电路内，方便阻值可以被分段采集到，这样的结构方便检测电阻，也为调试电路打下了基础。
（3）电压跟随器
电压跟随器要达到的效果是，输入到跟随其中的电压和输出的电压是一样的相位。跟随器在输入电路一端的电路阻抗很大，相反的另一面的阻抗就很小了，这个电路可以类比于，阻抗转换的电路单元，这个组成部分可以让电路可以加上更多的负载。换句话来说，比如之前的电路有一个很大的输出，阻抗过大，不符合标准，那就要加一个电压的跟随器，电压跟随器也可以使电压压降降低一些，使输出更加合理的压降。
第一部分为两个个电压跟随器，分别作用于桥式阻抗网络输出的正端和负端，分别是由一个电阻和一个运算放大器组成，这样连接配置电路可以让采样芯片不接触过高的电压；第二个组成是两组二极管，这两组二极管组成的是钳位电路，附加的电容作用是滤波，具体作用就是保证AD采样单元接收到的电压信号不超过3.3V，这样就可以避免单片机出现硬件损坏。
（4）通讯电路
在桩体通信中，主要利用的是总线通信，所以本系统设计中利用通信单元将计算得出的正、负对车体的绝缘电阻结果传递给充电桩控制器。报警提示电路分为三个部分，第一部分为上拉偏置电阻R7，三极管Q1，和蜂鸣器SPEKER。第二部分，第三部分的组成基本一样，都是有一个上拉偏置电阻和一个LED组成的，分别是一个红色的LED和一个绿色的LED。当主控芯片判断绝缘电阻正常时，控制绿色LED灯亮，并且通过通信接口向充电桩总的控制端发出正常信号，继续进行充电桩运行流程，当主控芯片判断绝缘电阻不正常时，控制红灯亮起，并且蜂鸣器报警，并且通过通信接口向充电桩总控制端发出信号切断电源，不继续进行工作。
MAX485接口芯片是Maxim公司的一种RS-485芯片，采用单一电源+5 V工作，额定电流为300 μA，采用半双工通讯方式。他可以将TTL转成485信号进行输出。该芯片的结构十分易懂，方便分析和使用，可以更好地进行连接组织，其内部分为两个部分，一个驱动装置，一个接受装置。RO和DI两个端口是驱动器用来接收信号，和发出信号的。和单片机主芯片相连接的时候只需要连接RD，TD；接收和发送的接口要接在RE，DE，给RE定义为逻辑0时，MAX485处于接收信号的状态，这个要通过MAX485的工作状态来判断，所以连接单片机的时候只要连接在一个角上就行了；AB两个端口是差分信号输入和输出的两个端口，要让数据输出为1，那A的电平就要比B大；反之就会输出数据0。
4 总结
本设计以msp430g2553系列芯片为核心控制系统，以IR2110作为电压驱动模块实现对开关管IRFP460的驱动，MAX485芯片实现通讯功能，采用蜂鸣器，LED灯等模块作为报警信号，搭建声光报警模块实现实时报警功能，从而有效地实现了充电桩的检测功能。
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（作者单位：酒泉市光热光伏设备质量检测中心）
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