2012年至2016年,全球新能源乘用車從11.6萬輛增長到75.1萬輛,近五年保持75%的年化平均增速。 中國新能源汽車市場從2014開始保持高速增長,2014到2015年年化增速200%以上,2016年儘管受騙補和政策影響,依然保持了63%的增長。 新能源汽車市場的增長離不開基礎充電設施的建設,如何保證充電過程中的用電安全,尤其是防止洩漏電流對生命財產造成危害,是值得關注的問題。
剩餘電流保護器(Residual Current Operated Protective Devices, RCD)作為一種漏電保護器,被廣泛應用於低壓配電系統中,用於防止電擊事故、電氣設備漏電損壞和電氣火災。 同樣在電動汽車充電領域,RCD也作為一種基本電氣保護裝置被廣泛應用。
電動汽車充電一共有四種模式,在GB/T 18487.1-2015《電動汽車傳導充電系統 第1部分:通用要求》中有明確說明。 模式一使用充電連接電纜將電動汽車與交流電網相連,剩餘電流保護主要依靠建築配電箱中的剩餘電流保護裝置(RCD),由於不能保證所有現存建築物裝置都配有RCD,所以這種方式十分危險,已經被禁止使用;模式二在充電連接電纜上安裝了纜上控制保護裝置(IC-CPD),IC-CPD內部具有剩餘電流檢測保護功能;模式三使用專用供電設備,將電動汽車與交流電網直接連接,並且在專用供電設備上安裝了控制導引裝置,專用供電設備即交流充電樁;模式四將電動汽車連接交流電網或直流電網時,使用了帶控制導引功能的直流供電設備,即直流充電樁。
在GB/T 18487.1-2015中要求,交流供電設備的剩餘電流保護器宜採用A型或B型,符合GB 14084.2-2008,GB 16916.1-2014和GB 22794-2008的相關要求。 如圖1所示為充電模式3控制導引電路原理圖,在供電設備內部安裝了剩餘電流保護器。
什麼是A型或者B型剩餘電流保護器?我國的剩餘電流保護裝置(RCD)指導性標準GB/Z 6829-2008(IEC/TR 60755:2008,MOD)《剩餘電流動作保護器的一般要求》從產品的基本結構、剩餘電流類型、脫扣方式等方面作了劃分。 根據剩餘電流類型可將RCD分為AC型、A型、B型。 AC型剩餘電流保護器:對突然施加或緩慢上升的剩餘正弦交流電流確保脫扣的RCD。 A型剩餘電流保護器:包含AC型的特性並對脈動直流剩餘電流、脈動直流剩餘電流疊加6mA平滑剩餘電流確保脫扣的RCD。 B型剩餘電流保護器:包含A型的保護特性,此外,還能對1000Hz及以下的正弦交流剩餘電流、交流剩餘電流疊加平滑直流剩餘電流、脈動直流剩餘電流疊加平滑剩餘電流、兩相或多相整流電路產生的脈動直流剩餘電流、平滑直流剩餘電流確保脫扣的RCD。
目前,由於B型RCD價格過於昂貴,國內大部分的交流充電樁內部安裝的都是A型剩餘電流保護器。 下圖所示為交流充電樁內部結構圖,使用了A型剩餘電流保護裝置。
那麼A型的剩餘電流保護器能滿足充電樁的漏電保護要求嗎?我們來分析一下充電過程中可能產生的剩餘電流類型。
如圖3所示,在使用交流充電樁充電過程中,交流充電樁和車輛耦合器與公共電網相連,樁內如果由於絕緣破壞,可能產生工頻交流漏電流。 在電動汽車部分,可能產生的漏電流主要來自於車載充電機漏電,充電機一般拓撲主要為AC/DC和DC/DC兩部分。 如下圖所示為一種常見車載充電機的主電路圖。
AC/DC部分單相輸入交流電首先經過EMI濾波,然後在Boost型APFC電路作用下將85～265V的交流電整流成穩定輸出的直流400V電壓,並為後級提供直流輸入。DC/DC部分採用移相全橋LLC主電路將直流電壓400V轉化成蓄電池可接受的電壓。當電路板與設備外殼之間絕緣損壞時,在整流部分可能產生脈動直流剩餘電流,在Boost型APFC電路中可能會產生紋波係數很小的直流剩餘電流。這裡借用Bender的圖來詳細說明直流剩餘電流的產生及危害。
可以看到,在DC/DC部分推挽全橋變換器當中可能發生直流漏電,我國低壓配電系統一般採用TN形式供電,設備金屬外殼與工作零線相接,直流漏電會通過車身和PE線回饋到充電線路上,對整個系統電流波形造成影響。通過對等效電路的模擬,發現整個系統的電流波形會改變,如下圖所示。
可以看到在後端發生直流漏電之後,也會影響到前級電路,整流過後的脈動直流波形發生畸變,產生尖刺,逐級對後端電路產生干擾,影響到充電效果,甚至影響蓄電池壽命。另一方面,由於TN系統的存在,這種故障不會在車身形成較大電壓,對人體危害較小,然而如果連接系統地線缺失或者PE線斷開,那麼這部分電壓就會傷害到人體。實際上國內很多地方尤其農村地區PE線地線的連接都存在問題。現有的A型RCD僅能在檢測脈動直流漏電時不受直流6mA電流的干擾,而無法檢測到直流漏電並斷開保護,當直流漏電大於6mA時,由於直流剩餘電流會引起磁芯預先磁化,使脫扣值增大,導致A型RCD無法正常動作,因而必須使用B型RCD進行保護!
同樣的在直流充電樁內部是通過非車載充電機將市電轉換成高精度直流電給蓄電池充電。直流充電樁漏電保護分為交流側和直流側,理論上交流側也需要增加B型RCD進行保護,直流側需要加裝直流對地絕緣監測裝置,檢測直流正極和負極對地絕緣檢測情況。
在可預見的未來內,隨著新能源汽車走進千家萬戶,充電樁將成為老百姓生活中必不可少的一部分,因而,充電樁內剩餘電流保護器的更新換代十分必要,只有安全的用電環境才能讓大家放心地享受新能源汽車帶來的便利。
Magtron基於iFluxgate技術的SoC晶片整體方案,為B型漏電保護進行了數位化集成,為RCCB從傳統的AC型/A型向B型的技術升級,提供了一套高性價比的B型漏電解決方案,為充電設備的用電安全提供了更好的保障。
【參考文獻】
[1] 劉紅麗,馬正來,聶鵬.4KW電動汽車車載充電機的研究與實現.武漢理工大學,自動化學院.
[2] GB/T 18487.1-2015電動汽車傳導充電系統 第1部分:通用要求.
[3] GB/Z 6829-2008剩餘電流動作保護器的一般要求.
[4] GB 22794-2008 家用和類似用途的不帶和帶過電流保護的B型剩餘電流動作斷路器(B型RCCB和B型RCBO).
[5] 蔡聰朝,萬英飛,劉勇,阮少青.直流充電樁的潛在電擊風險分析與設計.特變電工新疆新能源股份有限公司,特變電工西安電氣科技有限公司.
[6] 劉金琰,鄒建華,胡宏宇.剩餘電流動作保護器在電動汽車充電系統中的應用.電器與能效管理技術.
[7]WOLFGANG HOFHEINZ,HARALD SELLNER,WINFRIED MÖLL. LANDEN VON ELEKTROFAHRZEUGEN SCHUTZ GEGEN ELEKTRISCHEN SCHLAG DURCH DC-FEHLERSTROMSENSORIK. der Bender GmbH&Co.KG in GrÜnberg
Magtron是All Programamble PGA Sensor、磁電傳感SoC的全球領先企業,致力於實現新一代更智慧的、高功率密度和差異化的磁電傳感系統方案。在整個行業向工業物聯網和傳感智慧化的大趨勢推動下,Magtron的創新技術Quadcore,RCMU,iShunt等創新技術使得磁電傳感,特別是電流感測器應用既高度集成易用,同時實現高功率密度化,也首次實現感測器高速軟體化。
如果您想獲取更多關於Magtron的電流感測器、漏電流感測器系列產品資訊。
本文由Magtron工程師:楊濤 撰寫!
如下圖所示為一種常見車載充電機的主電路圖。AC/DC部分單相輸入交流電首先經過EMI濾波,然後在Boost型APFC電路作用下將85～265V的交流電整流成穩定輸出的直流400V電壓,並為後級提供直流輸入。DC/DC部分採用移相全橋LLC主電路將直流電壓400V轉化成蓄電池可接受的電壓。當電路板與設備外殼之間絕緣損壞時,在整流部分可能產生脈動直流剩餘電流,在Boost型APFC電路中可能會產生紋波係數很小的直流剩餘電流。這裡借用Bender的圖來詳細說明直流剩餘電流的產生及危害。
可以看到,在DC/DC部分推挽全橋變換器當中可能發生直流漏電,我國低壓配電系統一般採用TN形式供電,設備金屬外殼與工作零線相接,直流漏電會通過車身和PE線回饋到充電線路上,對整個系統電流波形造成影響。通過對等效電路的模擬,發現整個系統的電流波形會改變,如下圖所示。
可以看到在後端發生直流漏電之後,也會影響到前級電路,整流過後的脈動直流波形發生畸變,產生尖刺,逐級對後端電路產生干擾,影響到充電效果,甚至影響蓄電池壽命。另一方面,由於TN系統的存在,這種故障不會在車身形成較大電壓,對人體危害較小,然而如果連接系統地線缺失或者PE線斷開,那麼這部分電壓就會傷害到人體。實際上國內很多地方尤其農村地區PE線地線的連接都存在問題。現有的A型RCD僅能在檢測脈動直流漏電時不受直流6mA電流的干擾,而無法檢測到直流漏電並斷開保護,當直流漏電大於6mA時,由於直流剩餘電流會引起磁芯預先磁化,使脫扣值增大,導致A型RCD無法正常動作,因而必須使用B型RCD進行保護!
同樣的在直流充電樁內部是通過非車載充電機將市電轉換成高精度直流電給蓄電池充電。直流充電樁漏電保護分為交流側和直流側,理論上交流側也需要增加B型RCD進行保護,直流側需要加裝直流對地絕緣監測裝置,檢測直流正極和負極對地絕緣檢測情況。
在可預見的未來內,隨著新能源汽車走進千家萬戶,充電樁將成為老百姓生活中必不可少的一部分,因而,充電樁內剩餘電流保護器的更新換代十分必要,只有安全的用電環境才能讓大家放心地享受新能源汽車帶來的便利。
Magtron基於iFluxgate技術的SoC晶片整體方案,為B型漏電保護進行了數位化集成,為RCCB從傳統的AC型/A型向B型的技術升級,提供了一套高性價比的B型漏電解決方案,為充電設備的用電安全提供了更好的保障。
【參考文獻】
[1] 劉紅麗,馬正來,聶鵬.4KW電動汽車車載充電機的研究與實現.武漢理工大學,自動化學院.
[2] GB/T 18487.1-2015電動汽車傳導充電系統 第1部分:通用要求.
[3] GB/Z 6829-2008剩餘電流動作保護器的一般要求.
[4] GB 22794-2008 家用和類似用途的不帶和帶過電流保護的B型剩餘電流動作斷路器(B型RCCB和B型RCBO).
[5] 蔡聰朝,萬英飛,劉勇,阮少青.直流充電樁的潛在電擊風險分析與設計.特變電工新疆新能源股份有限公司,特變電工西安電氣科技有限公司.
[6] 劉金琰,鄒建華,胡宏宇.剩餘電流動作保護器在電動汽車充電系統中的應用.電器與能效管理技術.
[7]WOLFGANG HOFHEINZ,HARALD SELLNER,WINFRIED MÖLL. LANDEN VON ELEKTROFAHRZEUGEN SCHUTZ GEGEN ELEKTRISCHEN SCHLAG DURCH DC-FEHLERSTROMSENSORIK. der Bender GmbH&Co.KG in GrÜnberg
Magtron是All Programamble PGA Sensor、磁電傳感SoC的全球領先企業,致力於實現新一代更智慧的、高功率密度和差異化的磁電傳感系統方案。在整個行業向工業物聯網和傳感智慧化的大趨勢推動下,Magtron的創新技術Quadcore,RCMU,iShunt等創新技術使得磁電傳感,特別是電流感測器應用既高度集成易用,同時實現高功率密度化,也首次實現感測器高速軟體化。
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本文由Magtron工程師:楊濤 撰寫!