新能源汽車市場的增長離不開基礎(chǔ)充電設(shè)施的建設(shè),如何保證充電過程中的用電安全,尤其是防止泄漏電流對生命財(cái)產(chǎn)造成危害,是值得關(guān)注的問題。

隨著近兩年來的新能源汽車數(shù)量的爆發(fā)式增長,其配套設(shè)施充電樁的建設(shè)規(guī)模也隨之?dāng)U大。2010年-2017年七年間,我國充電樁數(shù)量已經(jīng)從千余個(gè)增長至21萬個(gè)。新能源汽車市場的增長離不開基礎(chǔ)充電設(shè)施的建設(shè),如何保證充電過程中的用電安全,尤其是防止泄漏電流對生命財(cái)產(chǎn)造成危害,是值得關(guān)注的問題。

剩余電流保護(hù)器(ResidualCurrentOperatedProtectiveDevices,RCD)作為一種漏電保護(hù)器,被廣泛應(yīng)用于低壓配電系統(tǒng)中,用于防止電擊事故、電氣設(shè)備漏電損壞和電氣火災(zāi)。同樣在電動汽車充電領(lǐng)域,RCD也作為一種基本電氣保護(hù)裝置被廣泛應(yīng)用。

電動汽車充電一共有四種模式,在GB/T18487.1-2015《電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)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(wǎng)相連,剩余電流保護(hù)主要依靠建筑配電箱中的剩余電流保護(hù)裝置(RCD),由于不能保證所有現(xiàn)存建筑物裝置都配有RCD,所以這種方式十分危險(xiǎn),已經(jīng)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(hù)裝置(IC-CPD),IC-CPD內(nèi)部具有剩余電流檢測保護(hù)功能;

模式三使用專用供電設(shè)備,將電動汽車與交流電網(wǎng)直接連接,并且在專用供電設(shè)備上安裝了控特種引裝置,專用供電設(shè)備即交流充電樁;

模式四將電動汽車連接交流電網(wǎng)或直流電網(wǎng)時(shí),使用了帶控特種引功能的直流供電設(shè)備,即直流充電樁。在這里,我們主要討論模式三、模式四充電樁內(nèi)的剩余電流保護(hù)器的選用。

在GB/T18487.1-2015中要求,交流供電設(shè)備的剩余電流保護(hù)器宜采用A型或B型,符合GB14084.2-2008,GB16916.1-2014和GB22794-2008的相關(guān)要求。如圖1所示為充電模式3控特種引電路原理圖,在供電設(shè)備內(nèi)部安裝了剩余電流保護(hù)器。

                                                                 圖1充電模式3控特種引電路原理圖

什么是A型或者B型剩余電流保護(hù)器?我國的剩余電流保護(hù)裝置(RCD)指導(dǎo)性標(biāo)準(zhǔn)GB/Z6829-2008(IEC/TR60755:2008,MOD)《剩余電流動作保護(hù)器的一般要求》從產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)、剩余電流類型、脫扣方式等方面作了劃分。根據(jù)剩余電流類型可將RCD分為AC型、A型、B型。

AC型剩余電流保護(hù)器:對突然施加或緩慢上升的剩余正弦交流電流確保脫扣的RCD。A型剩余電流保護(hù)器:包含AC型的特性并對脈動直流剩余電流、脈動直流剩余電流疊加6mA平滑剩余電流確保脫扣的RCD。B型剩余電流保護(hù)器:包含A型的保護(hù)特性,此外,還能對1000Hz及以下的正弦交流剩余電流、交流剩余電流疊加平滑直流剩余電流、脈動直流剩余電流疊加平滑剩余電流、兩相或多相整流電路產(chǎn)生的脈動直流剩余電流、平滑直流剩余電流確保脫扣的RCD。

                                                                          圖2交流充電樁內(nèi)部結(jié)構(gòu)

目前,由于B型RCD價(jià)格過于昂貴,國內(nèi)大部分的交流充電樁內(nèi)部安裝的都是A型剩余電流保護(hù)器。下圖所示為交流充電樁內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,使用了A型剩余電流保護(hù)裝置。

那么A型的剩余電流保護(hù)器能滿足充電樁的漏電保護(hù)要求嗎?我們來分析一下充電過程中可能產(chǎn)生的剩余電流類型。

                                                        圖3電動汽車充電設(shè)施與電網(wǎng)及電動車間連接示意圖

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(wǎng)相連,樁內(nèi)如果由于絕緣破壞,可能產(chǎn)生工頻交流漏電流。在電動汽車部分,可能產(chǎn)生的漏電流主要來自于車載充電機(jī)漏電,充電機(jī)一般拓?fù)渲饕獮锳C/DC和DC/DC兩部分。如下圖所示為一種常見車載充電機(jī)的主電路圖。

                                                                  圖4一種車載充電機(jī)主電路原理圖

AC/DC部分單相輸入交流電首先經(jīng)過EMI濾波,然后在Boost型APFC電路作用下將85~265V的交流電整流成穩(wěn)定輸出的直流400V電壓,并為后級提供直流輸入。DC/DC部分采用移相全橋LLC主電路將直流電壓400V轉(zhuǎn)化成蓄電池可接受的電壓。

當(dāng)電路板與設(shè)備外殼之間絕緣損壞時(shí),在整流部分可能產(chǎn)生脈動直流剩余電流,在Boost型APFC電路中可能會產(chǎn)生紋波系數(shù)很小的直流剩余電流。這里借用Bender的圖來詳細(xì)說明直流剩余電流的產(chǎn)生及危害。

                                                                 圖5隔離式充電機(jī)直流漏電的產(chǎn)生

可以看到,在DC/DC部分推挽全橋變換器當(dāng)中可能發(fā)生直流漏電,我國低壓配電系統(tǒng)一般采用TN形式供電,設(shè)備金屬外殼與工作零線相接,直流漏電會通過車身和PE線反饋到充電線路上,對整個(gè)系統(tǒng)電流波形造成影響。通過對等效電路的仿真,發(fā)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的電流波形會改變,如下圖所示。

                                                              圖6充電機(jī)直流故障系統(tǒng)電流波形

可以看到在后端發(fā)生直流漏電之后,也會影響到前級電路,整流過后的脈動直流波形發(fā)生畸變,產(chǎn)生尖刺,逐級對后端電路產(chǎn)生干擾,影響到充電效果,甚至影響蓄電池壽命。另一方面,由于TN系統(tǒng)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(tǒng)地線缺失或者PE線斷開,那么這部分電壓就會傷害到人體。實(shí)際上國內(nèi)很多地方尤其農(nóng)村地區(qū)PE線地線的連接都存在問題。現(xiàn)有的A型RCD僅能在檢測脈動直流漏電時(shí)不受直流6mA電流的干擾,而無法檢測到直流漏電并斷開保護(hù),當(dāng)直流漏電大于6mA時(shí),由于直流剩余電流會引起磁芯預(yù)先磁化,使脫扣值增大,導(dǎo)致A型RCD無法正常動作,因而必須使用B型RCD進(jìn)行保護(hù)!

同樣的在直流充電樁內(nèi)部是通過非車載充電機(jī)將市電轉(zhuǎn)換成高精度直流電給蓄電池充電。直流充電樁漏電保護(hù)分為交流側(cè)和直流側(cè),理論上交流側(cè)也需要增加B型RCD進(jìn)行保護(hù),直流側(cè)需要加裝直流對地絕緣監(jiān)測裝置,檢測直流正極和負(fù)極對地絕緣檢測情況。

在可預(yù)見的未來內(nèi),隨著新能源汽車走進(jìn)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(nèi)剩余電流保護(hù)器的更新?lián)Q代十分必要,只有安全的用電環(huán)境才能讓大家放心地享受新能源汽車帶來的便利。

Magtron基于iFluxgate技術(shù)的SoC芯片整體方案,為B型漏電保護(hù)進(jìn)行了數(shù)字化集成,為RCCB從傳統(tǒng)的AC型/A型向B型的技術(shù)升級,提供了一套高性價(jià)比的B型漏電解決方案,為充電設(shè)備的用電安全提供了更好的保障。·