充電樁中剩余電流保護(hù)器的選用

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)從千余個增長至 21 萬個。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產(chǎn)造成危害，是值得關(guān)注的問題。

剩余電流保護(hù)器（Residual Current Operated Protective Devices, 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/T 18487.1-2015《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，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)備上安裝了控制導(dǎo)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，使用了帶控制導(dǎo)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/T 18487.1-2015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GB 14084.2-2008，GB 16916.1-2014和GB 22794-2008的相關(guān)要求。如圖1所示為充電模式3控制導(dǎo)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控制導(dǎo)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/Z 6829-2008（IEC/TR 60755:2008,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。

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。目前，由于B型RCD價格過于昂貴，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。
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圖2交流充電樁內(nèi)部結(jié)構(gòu)

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，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?，F(xiàn)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并斷開保護(hù)，當(dāng)直流漏電大于6mA時，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)！?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

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。