作者：Jens Wallmann

　　電動(dòng)汽車(chē) (EV) 高壓電池的頻繁充電意味著對(duì)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(chē)載電子設(shè)備中出現(xiàn)分流器，則電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)體內(nèi)可能會(huì)出現(xiàn)危及生命的剩余電流。特別有問(wèn)題的是交流敏感型 A 型剩余電流裝置 (RCD) 無(wú)法檢測(cè)到的各種直流剩余電流形式。

　　為了防止觸電事故，電動(dòng)汽車(chē)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(cè)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(jì)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(duì)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(dòng)汽車(chē)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(dòng)汽車(chē)充電，電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)在操作充電設(shè)備時(shí)需要采取廣泛的保護(hù)措施。由于充電站和車(chē)載充電機(jī)的諧波豐富且不對(duì)稱(chēng)的開(kāi)關(guān)脈沖，以及數(shù)百伏的直流母線電壓，通過(guò)分流、耦合效應(yīng)、絕緣故障和漏電故障，可能會(huì)產(chǎn)生各種類(lèi)型的交直流剩余電流。

　　整流器、開(kāi)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(duì)人類(lèi)是危險(xiǎn)的。表 1 顯示了各種電路拓?fù)涞牡湫拓?fù)載電流信號(hào)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(cè)的 RCD 類(lèi)型。

　　表 1：根據(jù)最合適的 RCD 類(lèi)型，故障電流形式及其檢測(cè)(第 1 至 3 列)。 (圖片來(lái)源：維基百科)

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

　　RCD類(lèi)型的脫扣特性

　　一般來(lái)說(shuō)，電氣裝置上的個(gè)人防觸電保護(hù)由 IEC 60479 和 UL 943 規(guī)定。這兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都定義了跳閘時(shí) 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(jiàn)的跳閘閾值是 6 mA DC 和 30 mA AC。

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

　　表 2：不同 GFCI 或 RCD 類(lèi)型的跳閘特性。 (表格來(lái)源：abb.com)

　　在電動(dòng)汽車(chē)充電電路中安裝 RCD

　　A型或F型RCD只能檢測(cè)交流剩余電流和直流脈動(dòng)電流，不足以保護(hù)電動(dòng)汽車(chē)充電電路。還必須考慮車(chē)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(xiàng)：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(shí)布置在這兩個(gè)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(jì)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(gè)直流 RCM(情況 2)，或者通過(guò) B 型 RCD 直接連接到交流電源(情況 4)。 (圖片來(lái)源：goingelectric.de)

　　電動(dòng)汽車(chē)的充電模式

　　電動(dòng)汽車(chē)電池可以通過(guò)不同的充電模式進(jìn)行充電，具體取決于可用的現(xiàn)場(chǎng)電源連接、連接插頭、充電電纜以及車(chē)輛和充電站安裝的充電技術(shù)。在歐洲，電能可以通過(guò)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(guò)高壓直流充電站(高達(dá)1000 伏直流電/500 kW)。圖 2 說(shuō)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(lái)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(dòng)或混合動(dòng)力汽車(chē)使用簡(jiǎn)單的無(wú)源電纜連接到標(biāo)準(zhǔn) 230 伏家用插座，并通過(guò)車(chē)載充電器以最大 3.6 kW 的低功率充電。這種充電場(chǎng)景無(wú)法為用戶(hù)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(duì)交流敏感的 A 型 RCD。

　　模式 2 (通過(guò) 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(chē)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(dòng)汽車(chē)充電時(shí)執(zhí)行安全和通信功能，以防止過(guò)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(cè);中性線和 PC 之間只允許有幾歐姆的環(huán)路阻抗。

　　測(cè)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(shí)監(jiān)控/關(guān)閉充電過(guò)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(dòng))。

　　監(jiān)控 ICCB 和兩個(gè)插頭內(nèi)部的溫度，并在必要時(shí)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(hào);充電控制 (CC) 線上的脈寬調(diào)制 (PWM) 信號(hào)向 EV 發(fā)出壁盒充電功率能力的信號(hào)。

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

　　對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)充電，無(wú)源模式 3 電纜連接到私人家庭的壁箱或停車(chē)場(chǎng)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(dòng)汽車(chē)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(cè)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(cè)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(hào)來(lái)控制外部斷開(kāi)(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(cè)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(guò)軟磁環(huán)形鐵芯饋送，導(dǎo)致兩個(gè)電流矢量通常相互補(bǔ)償并加起來(lái)為零。如果故障電流 (I g ) 在探測(cè)器后面的電路中通過(guò)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(guò)人體流入地電位，則 GFCI 總電流不為零，斷路器跳閘。 (圖片來(lái)源：Littelfuse)

　　通過(guò)將磁通門(mén)磁力計(jì)探頭集成到環(huán)形鐵心的槽中，并通過(guò)補(bǔ)償線圈將磁通量補(bǔ)償為零，CT還可以檢測(cè)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(cè) 6 mA 的微小直流故障電流。

　　具有隔離開(kāi)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(cè)選項(xiàng)，符合 IEC 62752(模式 2)、IEC 62752(模式 3)和 UL 2231 標(biāo)準(zhǔn)。

　　每個(gè) RCM 都有 1 個(gè)運(yùn)行 LED 和 1 個(gè)故障 LED。四引腳 JST 連接器簡(jiǎn)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(cè)試，引腳 4 是開(kāi)漏開(kāi)關(guān)輸出，用于驅(qū)動(dòng)外部隔離開(kāi)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(gè)狀態(tài) LED，可通過(guò)四針 JST 連接器輕松連接。 (圖片來(lái)源：Littelfuse)

　　這些有源 RCM 還可用于檢測(cè)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(cè) 50 Hz/60 Hz 交流系統(tǒng)中的直流故障電流。它專(zhuān)為電動(dòng)汽車(chē)模式 3 充電站(IEC 62955 標(biāo)準(zhǔn))而開(kāi)發(fā)，可在直流故障電流 ≥ 6 mA 時(shí)中斷電動(dòng)汽車(chē)的充電電路。該探測(cè)器以經(jīng)濟(jì)高效且簡(jiǎn)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(cè)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(duì)直流剩余電流 ≥ 6 mA 的監(jiān)控。 (圖片來(lái)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(dòng)汽車(chē)的 ICCB 或集成保護(hù)裝置，以在發(fā)生交流或直流故障時(shí)中斷電動(dòng)汽車(chē)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(cè) 60 赫茲 (Hz) 交流安裝中的交流和直流故障電流。它設(shè)計(jì)用于充電電路中斷裝置 (CCID) 電動(dòng)汽車(chē)充電站應(yīng)用，在出現(xiàn)交流和/或直流剩余電流情況時(shí)，它會(huì)中斷電動(dòng)汽車(chē)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(kāi)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(gè)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(kāi)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(lái)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(jiàn)安裝標(biāo)準(zhǔn)，但它們無(wú)法防止電動(dòng)汽車(chē)充電電路中的直流剩余電流危險(xiǎn)。如圖所示，RCM14系列可以執(zhí)行ICCB充電電纜(模式2)和電動(dòng)汽車(chē)充電站(模式3)所需的直流剩余電流監(jiān)測(cè)。僅具有四個(gè)連接引腳，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(kāi)放式框架系統(tǒng)。