作者：Jens Wallmann

　　電動汽車 (EV) 高壓電池的頻繁充電意味著對充電電纜和連接器的機(jī)械應(yīng)力要求較高。如果絕緣破損、帶電金屬部件暴露，或者車載電子設(shè)備中出現(xiàn)分流器，則電動汽車用戶體內(nèi)可能會出現(xiàn)危及生命的剩余電流。特別有問題的是交流敏感型 A 型剩余電流裝置 (RCD) 無法檢測到的各種直流剩余電流形式。

　　為了防止觸電事故，電動汽車供電設(shè)備 (EVSE) 制造商必須將 RCD 集成到其電力電子產(chǎn)品中，在幾毫安 (mA) 的交流和直流剩余電流下，該產(chǎn)品可在幾毫秒內(nèi)跳閘。

　　本文介紹了剩余電流的形式、如何測量它們以及在充電電路中安裝 RCD 的位置。然后介紹了Littelfuse的剩余電流監(jiān)視器 (RCM) ，系統(tǒng)設(shè)計人員可以使用該監(jiān)視器以經(jīng)濟(jì)高效的方式在其 EVSE 設(shè)備中添加針對直流電擊的保護(hù)。本文還演示了這些電流傳感器適合哪些電動汽車充電模式以及如何使用它們。

　　EV充電電路中的殘余電流

　　在高達(dá) 400 伏交流電壓和 1000 伏直流電壓下為電動汽車充電，電動汽車用戶在操作充電設(shè)備時需要采取廣泛的保護(hù)措施。由于充電站和車載充電機(jī)的諧波豐富且不對稱的開關(guān)脈沖，以及數(shù)百伏的直流母線電壓，通過分流、耦合效應(yīng)、絕緣故障和漏電故障，可能會產(chǎn)生各種類型的交直流剩余電流。

　　整流器、開關(guān)轉(zhuǎn)換器、變頻器以及逆變器和相角控制系統(tǒng)等電力電子電路具有各種各樣的負(fù)載電流特性。產(chǎn)生的潛在殘余電流可分為正弦交流、脈沖直流和直流直流。這些殘余電流形式對人類是危險的。表 1 顯示了各種電路拓?fù)涞牡湫拓?fù)載電流信號以及由此產(chǎn)生的剩余電流波形。第 1 至 3 列指定適合檢測的 RCD 類型。

　　表 1：根據(jù)最合適的 RCD 類型，故障電流形式及其檢測(第 1 至 3 列)。 (圖片來源：維基百科)

　　對剩余電流波形的深入了解可以幫助電動汽車維修店和電工追蹤電動汽車板電子設(shè)備、EVSE 或充電站中的剩余電流。

　　RCD類型的脫扣特性

　　一般來說，電氣裝置上的個人防觸電保護(hù)由 IEC 60479 和 UL 943 規(guī)定。這兩個標(biāo)準(zhǔn)都定義了跳閘時 6、30、100、300、500 和 1000 mA 范圍內(nèi)的顯著交流和直流剩余電流范圍從 20 到 500 毫秒。 EV 充電電路中常見的跳閘閾值是 6 mA DC 和 30 mA AC。

　　系統(tǒng)設(shè)計人員現(xiàn)在可以通過選擇適當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的 RCD 類型，輕松地在充電電路中實(shí)現(xiàn)特定的個人保護(hù)要求。表 2 列出了不同 RCD 或接地故障斷路器 (GFCI) 類型的剩余電流形式和跳閘容限。

　　表 2：不同 GFCI 或 RCD 類型的跳閘特性。 (表格來源：abb.com)

　　在電動汽車充電電路中安裝 RCD

　　A型或F型RCD只能檢測交流剩余電流和直流脈動電流，不足以保護(hù)電動汽車充電電路。還必須考慮車載充電器或電池管理系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的大范圍直流剩余電流。

　　因此，IEC 62196 標(biāo)準(zhǔn)定義了兩種剩余電流保護(hù)選項：使用 B 型(或 B+ 型)全電流敏感 RCD，或根據(jù) IEC 62955 將 A 型 RCD 與剩余直流監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合使用其中 I Δn DC ≥ 6 mA。直流故障電流監(jiān)控可以布置在壁箱中、建筑物電氣裝置中或同時布置在這兩個位置。

　　由于建筑電氣系統(tǒng)中通常存在交流敏感型 A 型或 F 型 RCD，因此設(shè)計人員可以經(jīng)濟(jì)高效地向模式 3 壁箱或充電站以及電纜內(nèi)控制添加 6 mA 剩余直流監(jiān)控模式 2 充電電纜盒 (ICCB)(圖 1，案例 2 和 3)。

　　圖 1：EVSE 設(shè)備必須在交流敏感型 A 型 RCD 下游添加一個直流 RCM(情況 2)，或者通過 B 型 RCD 直接連接到交流電源(情況 4)。 (圖片來源：goingelectric.de)

　　電動汽車的充電模式

　　電動汽車電池可以通過不同的充電模式進(jìn)行充電，具體取決于可用的現(xiàn)場電源連接、連接插頭、充電電纜以及車輛和充電站安裝的充電技術(shù)。在歐洲，電能可以通過單相交流電(230 伏/3.6 千瓦 (kW)、三相交流電(400 伏/22 千瓦)或通過高壓直流充電站(高達(dá)1000 伏直流電/500 kW)。圖 2 說明了 IEC 61851 標(biāo)準(zhǔn)中定義的四種充電模式。

　　圖 2：IEC 61851 標(biāo)準(zhǔn)中定義的四種充電模式的圖示。 (圖片來源：bestchargers.eu)

　　模式 1 (單相交流充電最高 3.6 kW;默認(rèn)充電模式)

　　在這種情況下，電動或混合動力汽車使用簡單的無源電纜連接到標(biāo)準(zhǔn) 230 伏家用插座，并通過車載充電器以最大 3.6 kW 的低功率充電。這種充電場景無法為用戶提供足夠的殘余直流保護(hù)。通常，建筑物的電氣系統(tǒng)中僅安裝對交流敏感的 A 型 RCD。

　　模式 2 (通過 ICCB 充電電纜進(jìn)行單相/三相交流充電，功率高達(dá) 22 kW)

　　配備 2 型車輛插頭的模式 2 充電電纜包含 ICCB，在使用家用和三相插座為電動汽車充電時執(zhí)行安全和通信功能，以防止過載。

　　ICCB 必須集成以下保護(hù)功能：

　　極性確定和保護(hù)導(dǎo)體(PC)監(jiān)測;中性線和 PC 之間只允許有幾歐姆的環(huán)路阻抗。

　　測試PC與金屬體之間的電氣連接。

　　交直流剩余電流斷路器可防止電流事故。

　　出現(xiàn)異常情況時監(jiān)控/關(guān)閉充電過程(例如，由于插頭觸點(diǎn)腐蝕或電纜斷裂而導(dǎo)致電流波動)。

　　監(jiān)控 ICCB 和兩個插頭內(nèi)部的溫度，并在必要時執(zhí)行關(guān)閉操作。

　　充電功率控制：控制導(dǎo)頻 (CP) 線上的下拉電阻向壁箱和 EV 發(fā)送電纜額定電流負(fù)載信號;充電控制 (CC) 線上的脈寬調(diào)制 (PWM) 信號向 EV 發(fā)出壁盒充電功率能力的信號。

　　模式 3 (通過壁箱進(jìn)行單相/三相交流充電，功率高達(dá) 22 kW)

　　對于電動汽車充電，無源模式 3 電纜連接到私人家庭的壁箱或停車場的公共交流充電站。兩者都集成了與上述 ICCB 相同的保護(hù)功能。

　　模式 4 (直接電池直流快速充電，最高 500 kW)

　　與模式 2 和模式 3 相比，用于電動汽車的直流大功率充電站 (DC/HPC) 可提供明顯更高的充電電流。該增壓器實(shí)現(xiàn)了殘余交流和直流電沖擊保護(hù);不同的充電線始終連接牢固。

　　測量 EVSE 電路中的交流和直流故障電流

　　RCM 屬于Littelfuse Inc. 的RCM14 系列，可檢測交流或直流系統(tǒng)中的直流和/或交流剩余電流，并提供輸出信號來控制外部斷開(切斷繼電器)。相比之下，RCD 和漏電斷路器 (RCCB) 具有集成的切斷繼電器。

　　使用感應(yīng)電流互感器 (CT) 檢測交流剩余電流。為此，電流前向?qū)w (I L ) 和電流返回導(dǎo)體 (I N ) 通過軟磁環(huán)形鐵芯饋送，導(dǎo)致兩個電流矢量通常相互補(bǔ)償并加起來為零。如果故障電流 (I g ) 在探測器后面的電路中通過人體流入接地電位，則 RCM 或 GFCI 總電流將不同于零，斷路器將跳閘(圖 3)。

　　圖 3：如果故障電流 (I g ) 通過人體流入地電位，則 GFCI 總電流不為零，斷路器跳閘。 (圖片來源：Littelfuse)

　　通過將磁通門磁力計探頭集成到環(huán)形鐵心的槽中，并通過補(bǔ)償線圈將磁通量補(bǔ)償為零，CT還可以檢測差分直流。該方法比霍爾效應(yīng)傳感器或分流電阻器更準(zhǔn)確，可在高達(dá) 500 安培 (A) 的重直流負(fù)載電流下檢測 6 mA 的微小直流故障電流。

　　具有隔離開關(guān)控制輸出的 RCM

　　Littelfuse 的 RCM14 系列非常適合用于 EV(模式 2)和 EV 充電站(模式 3)的 ICCB 充電電纜。它們提供三種剩余電流檢測選項，符合 IEC 62752(模式 2)、IEC 62752(模式 3)和 UL 2231 標(biāo)準(zhǔn)。

　　每個 RCM 都有 1 個運(yùn)行 LED 和 1 個故障 LED。四引腳 JST 連接器簡化了安裝：引腳 1 和 2 用于 12 伏電源，引腳 3 用于外部功能測試，引腳 4 是開漏開關(guān)輸出，用于驅(qū)動外部隔離開關(guān)(例如切斷器)繼電器，電流高達(dá) 100 mA，電壓高達(dá) 24 V(最大值)(圖 4)。

　　圖 4：RCM14 系列模塊具有兩個狀態(tài) LED，可通過四針 JST 連接器輕松連接。 (圖片來源：Littelfuse)

　　這些有源 RCM 還可用于檢測單相或多相直流裝置中的交流和/或直流剩余電流。單相操作將負(fù)載電流限制為 100 A，而三相操作為 40 A。它們可以處理高達(dá) 3000 A 的負(fù)載電流脈沖。

　　RCM14-01：6 mA DC RCM 模塊，符合 IEC 62955，14 毫米 (mm) 孔徑

　　RCM14-01 剩余電流監(jiān)視器可檢測 50 Hz/60 Hz 交流系統(tǒng)中的直流故障電流。它專為電動汽車模式 3 充電站(IEC 62955 標(biāo)準(zhǔn))而開發(fā)，可在直流故障電流 ≥ 6 mA 時中斷電動汽車的充電電路。該探測器以經(jīng)濟(jì)高效且簡單的方式為建筑物電氣系統(tǒng)現(xiàn)有的 A 型和 F 型 RCD 添加了直流剩余電流監(jiān)測功能(圖 5)。

　　圖 5：RCM14-01 為建筑電氣系統(tǒng)中的交流敏感 A 型 RCD 添加了對直流剩余電流 ≥ 6 mA 的監(jiān)控。 (圖片來源：Littelfuse、Western Automation)

　　RCM14-03：6 mA DC/30 mA AC RCM 模塊，符合 IEC 62752，14 mm 孔徑

　　RCM14-03 適用于充電模式 2 下電動汽車的 ICCB 或集成保護(hù)裝置，以在發(fā)生交流或直流故障時中斷電動汽車的供電。

　　RCM14-04：56 mA DC/20 mA AC RCM 模塊，符合 UL 2231-2，14 mm 孔徑

　　RCM14-04 模塊可檢測 60 赫茲 (Hz) 交流安裝中的交流和直流故障電流。它設(shè)計用于充電電路中斷裝置 (CCID) 電動汽車充電站應(yīng)用，在出現(xiàn)交流和/或直流剩余電流情況時，它會中斷電動汽車的供電。

　　為了集成到更大的設(shè)備電路中，以下 RCM 模塊也可用作開放框架系統(tǒng)：

　　RCM14-01_SYS_V，RCM14-01_SYS_H

　　RCM14-03_SYS_V，RCM14-03_SYS_H

　　RCM14-04_SYS

　　每個系統(tǒng)均由可焊接傳感器印刷電路板和單獨(dú)的電流互感器組成(圖 6)。

　　圖 6：RCM14-04_SYS 模塊是開放式系統(tǒng)，由傳感器印刷電路板和電流互感器組成。 (圖片來源：Littelfuse、Western Automation)

　　結(jié)論

　　交流敏感 A 型 RCD 是建筑電氣系統(tǒng)中的常見安裝標(biāo)準(zhǔn)，但它們無法防止電動汽車充電電路中的直流剩余電流危險。如圖所示，RCM14系列可以執(zhí)行ICCB充電電纜(模式2)和電動汽車充電站(模式3)所需的直流剩余電流監(jiān)測。僅具有四個連接引腳，系統(tǒng)設(shè)計人員可以輕松且經(jīng)濟(jì)高效地在其 EVSE 中實(shí)施緊湊型 RCM 模塊或開放式框架系統(tǒng)。