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來(lái)源：DigiKey 作者：Jens Wallmann 電動(dòng)汽車(chē) (EV) 高壓電池的頻繁充電對充電電纜和連接器的機械應力提出了很高的要求。如果絕緣層破損，帶電金屬部件外露，或者車(chē)載電子設備中出現分流，危及生命的剩余電流就會(huì )流過(guò)電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)的身體。特別棘手的是，交流敏感式 A 型剩余電流保護器 (RCD) 無(wú)法檢測到各種形式的直流剩余電流。 為防止發(fā)生觸電事故，電動(dòng)汽車(chē)電源設備 (EVSE) 制造商必須在電力電子產(chǎn)品中采用 RCD，當出現幾 mA 的交流和直流剩余電流時(shí)，該 RCD 可在幾毫秒內跳閘。 本文說(shuō)明了剩余電流的形式、測量方法以及在充電電路中安裝 RCD 的位置。然后，介紹了來(lái)自 Littelfuse 的剩余電流監測器 (RCM)，系統設計人員可以利用這些監測器為他們的 EVSE 設備增加直流電擊保護，既經(jīng)濟高效又節省時(shí)間。本文還闡述了這些電流傳感器適用于哪些電動(dòng)汽車(chē)充電模式及其使用方式。 電動(dòng)汽車(chē)充電電路中的剩余電流 要在高達 400 V 的交流電壓和高達 1000 V 的直流電壓下為電動(dòng)汽車(chē)充電，要求電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)在操作充電設備時(shí)采取周全保護措施。由于充電站和車(chē)載充電器會(huì )產(chǎn)生富含諧波的不對稱(chēng)開(kāi)關(guān)脈沖，以及幾百伏的直流鏈路電壓，可能會(huì )通過(guò)分流、耦合效應、絕緣故障和漏電故障產(chǎn)生各種類(lèi)型的交流和直流剩余電流。 整流器、開(kāi)關(guān)轉換器、變頻器等電力電子電路以及逆變器和相角控制系統具有各種各樣的負載電流特性。由此可能產(chǎn)生的剩余電流分為正弦交流電、脈沖直流電和直式直流電。這些形式的剩余電流對人類(lèi)具有危險。表 1 顯示了各種電路拓撲的典型負載電流信號，以及它們產(chǎn)生的剩余電流波形。第 1 列至第 3 列指明了適合用于檢測的 RCD 類(lèi)型。 
表 1：故障電流形式以及最合適對其進(jìn)行檢測的 RCD 類(lèi)型（第 1 列至第 3 列）。（圖片來(lái)源：維基百科） 充分了解剩余電流波形，可以幫助電動(dòng)汽車(chē)維修店和電工監測電動(dòng)汽車(chē)電路板電子元件、EVSE 或充電站中的剩余電流。 各種 RCD 類(lèi)型的跳閘特性 一般來(lái)說(shuō)，電氣設備的個(gè)人電擊防護由 IEC 60479 和 UL 943 標準規定。這兩項標準規定的重要交流和直流剩余電流范圍分別為 6、30、100、300、500 和 1000 mA，跳閘時(shí)間為 20 至 500 ms。電動(dòng)汽車(chē)充電電路中的常見(jiàn)跳閘閾值為 6 mA 直流和 30 mA 交流。 現在，系統設計人員只需選擇適當標準的 RCD 類(lèi)型，即可在充電電路中輕松實(shí)現特定個(gè)人保護要求。表 2 列出了不同類(lèi)型 RCD 或接地故障斷路器 (GFCI) 的剩余電流形式和跳閘容差。
表 2：不同類(lèi)型 GFCI 或 RCD 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 只能檢測交流剩余電流和直流脈動(dòng)電流，不足以保護電動(dòng)汽車(chē)充電電路。我們還必須考慮在車(chē)載充電器或電池管理系統中可能出現的各種直流剩余電流。 因此，IEC 62196 標準定義了兩個(gè)剩余電流保護選項：使用全電流敏感的 B 型 RCD（或 B+ 型），或者結合使用 A 型 RCD 與符合 IEC 62955 標準且 IΔn DC ≥ 6 mA 的剩余直流監測系統。直流故障電流監測裝置既可安裝在暗線(xiàn)盒中，也可安裝在建筑電氣系統內，或同時(shí)安裝在兩個(gè)位置。 由于建筑電氣系統中通常存在交流敏感式 A 型或 F 型 RCD，因此設計人員可以采用更為經(jīng)濟高效的方式，即在模式 3 暗線(xiàn)盒或充電站中，以及模式 2 充電電纜的纜上控制盒 (ICCB) 中添加 6 mA 直流剩余電流監測裝置（圖 1，情況 2 和 3）。
圖 1：EVSE 設備必須在交流敏感式 A 型 RCD 下游添加直流 RCM（情況 2），或通過(guò) B 型 RCD 直接連接到交流市電（情況 4）。（圖片來(lái)源：goingelectric.de） 電動(dòng)汽車(chē)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場(chǎng)電源連接、連接插頭、充電電纜，以及車(chē)輛和充電站采用的充電技術(shù)。在歐洲，電能可通過(guò)單相交流電（230 V/3.6 kW）、三相交流電（400 V/22 kW）或高壓直流充電站（最高 1000 VDC/500 kW）輸入汽車(chē)。圖 2 顯示了在 IEC 61851 標準中定義的四種充電模式。
圖 2：IEC 61851 標準中定義的四種充電模式的示意圖。（圖片來(lái)源：bestchargers.eu） 模式 1（單相交流充電，最高 3.6 kW；默認充電模式） 在這種情況下，電動(dòng)汽車(chē)或混合動(dòng)力汽車(chē)通過(guò)一根簡(jiǎn)單的無(wú)源電纜連接到標準的 230 V 家用插座，并通過(guò)車(chē)載充電器進(jìn)行低功率充電，最大功率為 3.6 kW。這種充電方案無(wú)法為用戶(hù)提供足夠的直流剩余電流保護。通常情況下，建筑的電氣系統中僅安裝交流敏感式 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，最高功率 22 kW） 在使用家用插座和三相插座為電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)，配備了 2 型汽車(chē)插頭的模式 2 充電電纜包含一個(gè)纜上控制盒 (ICCB)，可執行安全和通信功能，防止插座過(guò)載。 ICCB 必須集成下列保護功能： · 確定極性和監測保護導體 (PC)；中性線(xiàn)與 PC 之間只允許有幾歐姆的回路阻抗。 · 測試 PC 與金屬機身之間的電氣連接。 · 交流和直流剩余電流斷路器可防止電流事故。 · 在出現異常情況時(shí)（例如插頭觸點(diǎn)腐蝕或電纜斷裂導致電流波動(dòng)），監測/關(guān)閉充電過(guò)程。 · 監測 ICCB 和兩個(gè)插頭內部的溫度，必要時(shí)進(jìn)行關(guān)閉。 · 充電功率控制：控制引示線(xiàn) (CP) 上的下拉電阻器，向暗線(xiàn)盒和電動(dòng)汽車(chē)發(fā)出電纜電流負載額定值信號；充電控制線(xiàn) (CC) 上的脈寬調制 (PWM) 信號，向電動(dòng)汽車(chē)發(fā)出暗線(xiàn)盒充電功率能力信號。 模式 3（通過(guò)暗線(xiàn)盒進(jìn)行單相/三相交流充電，最高功率 22 kW） 對于電動(dòng)汽車(chē)充電，無(wú)源模式 3 電纜可連接到私人家庭的暗線(xiàn)盒或停車(chē)場(chǎng)的公共交流充電站。兩者都集成了與上述 ICCB 相同的保護功能。 模式 4（直接電池直流快速充電，最高功率 500 kW） 與模式 2 和模式 3 相比，電動(dòng)汽車(chē)的直流高功率充電站 (DC/HPC) 可提供更高的充電電流。該超級充電器采用了電擊保護裝置，防止由于交流和直流剩余電流導致的電擊；不同的充電電纜始終能夠牢固連接。 測量 EVSE 電路中的交流和直流故障電流 Littelfuse Inc. 的 RCM14 系列 RCM 可檢測交流或直流系統中的直流和/或交流剩余電流，并提供輸出信號來(lái)控制外部斷路裝置（斷路繼電器）。相比之下，RCD 和剩余電流斷路器 (RCCB) 集成一個(gè)斷路繼電器。 交流剩余電流使用電感式電流互感器 (CT) 來(lái)檢測。為此，電流正向導線(xiàn) (IL) 和電流回路導線(xiàn) (IN) 通過(guò)軟磁環(huán)形鐵芯饋電，導致兩個(gè)電流矢量通常相互補償，相加為零。如果故障電流 (Ig) 通過(guò)檢測器后面電路中的人體流入地電位端，則 RCM 或 GFCI 總電流不為零，斷路器跳閘（圖 3）。
圖 3：如果故障電流 (Ig) 通過(guò)人體流入地電位端，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)磁力儀探頭集成到環(huán)形鐵芯的槽中，并采用補償線(xiàn)圈的方式將磁通量補償為零，CT 還可以檢測差分直流。這種方法比霍爾效應傳感器或并聯(lián)電阻器更精確，可在高達 500 A 的大直流負載電流下，檢測到 6 mA 的微弱直流故障電流。 提供斷路器控制輸出的 RCM Littelfuse 的 RCM14 系列非常適合用于電動(dòng)汽車(chē)（模式 2）和電動(dòng)汽車(chē)充電站（模式 3）的 ICCB 充電電纜。它們提供三個(gè)剩余電流檢測選項，分別符合 IEC 62752（模式 2）、IEC 62752（模式 3）和 UL 2231 標準。 每個(gè) RCM 都有一個(gè)工作 LED 和一個(gè)故障 LED。四針 JST 連接器簡(jiǎn)化了安裝：針腳 1 和 2 用于 12 V 電源，針腳 3 用于外部功能測試，針腳 4 為開(kāi)漏開(kāi)關(guān)輸出，用于驅動(dòng)外部斷路器，如斷路繼電器，電流最大 100 mA，電壓最高 24 V（圖 4）。
圖 4：RCM14 系列模塊有兩個(gè) LED 狀態(tài)指示燈，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 還可用于檢測單相或多相直流系統中的交流和/或直流剩余電流。單相運行時(shí)，負載電流限制在 100 A，而三相運行時(shí)，負載電流限制在 40 A。它們可以處理高達 3000 A 的負載電流脈沖。 RCM14-01：符合 IEC 62955 標準的 6 mA DC RCM 模塊，孔徑為 14 mm RCM14-01 剩余電流監測器可檢測 50 Hz/60 Hz 交流系統中的直流故障電流。它專(zhuān)為電動(dòng)汽車(chē)模式 3 充電站（IEC 62955 標準）開(kāi)發(fā)，可在直流故障電流大于或等于 6 mA 時(shí)，斷開(kāi)電動(dòng)汽車(chē)的充電電路。該檢測器通過(guò)經(jīng)濟高效而簡(jiǎn)單的方式，為建筑電氣系統中現有的 A 型和 F 型 RCD 增加了直流剩余電流監測功能（圖 5）。
圖 5：RCM14-01 可為建筑電氣系統中的交流敏感式 A 型 RCD 增加 ≥ 6 mA 直流剩余電流監測功能。（圖片來(lái)源：Littelfuse、Western Automation） RCM14-03：符合 IEC 62752 標準的 6 mA 直流/30 mA 交流 RCM 模塊，孔徑為 14 mm RCM14-03 適用于采用充電模式 2 的電動(dòng)汽車(chē)的 ICCB 或集成保護裝置，可在發(fā)生交流或直流故障時(shí)中斷電動(dòng)汽車(chē)的供電。 RCM14-04：符合 UL 2231-2 標準的 56 mA 直流/20 mA 交流 RCM 模塊，孔徑為 14 mm RCM14-04 模塊可檢測 60 Hz 交流系統中的交流和直流故障電流。該模塊設計用于電動(dòng)汽車(chē)充電站的充電電路中斷裝置 (CCID)，可在出現交流和/或直流剩余電流的情況下中斷對電動(dòng)汽車(chē)的供電。 為了集成到更大的設備電路中，以下 RCM 模塊也可作為開(kāi)放式系統提供： · RCM14-01_SYS_V、RCM14-01_SYS_H · RCM14-03_SYS_V、RCM14-03_SYS_H · RCM14-04_SYS 每個(gè)系統都由可焊接的傳感器印刷電路板和單獨的電流互感器組成（圖 6）。
圖 6：RCM14-04_SYS 模塊是由傳感器印刷電路板和電流互感器組成的開(kāi)放式系統。（圖片來(lái)源：Littelfuse、Western Automation） 總結 交流敏感式 A 型 RCD 是建筑電氣系統中常見(jiàn)的標準裝置，但它們無(wú)法防御電動(dòng)汽車(chē)充電電路中的直流剩余電流危害。如本文所述，RCM14 系列可以執行 ICCB 充電電纜（模式 2）和電動(dòng)汽車(chē)充電站（模式 3）必需的直流剩余電流監測。由于 RCM14 系列只有四個(gè)連接針腳，系統設計人員可在 EVSE 中經(jīng)濟高效地輕松安裝緊湊型 RCM 模塊或開(kāi)放式系統。 |
