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單位：浙江巨磁智能技術有限公司 作者：Justin 在能源結構轉型背景下，我國提出了“雙碳”目標，對碳排放進行了嚴格要求。在此影響之下，我國新能源產業(yè)，尤其是新能源汽車產業(yè)政策持續(xù)利好。再加上國內新能源汽車行業(yè)技術的進步等多重因素影響下，我國新能源汽車市場規(guī)模得以快速增長。截止到2021年純電動汽車產銷量分別為294.2萬輛和291.6萬輛，同比2016年增速分別高達630.8%和612.9%。隨著EV新能源汽車的需求增多，與其配套的充電設施也火熱起來。 
圖1： 2016-2021中國純電動汽車產銷量統(tǒng)計（數(shù)據(jù)來源于：中國汽車工業(yè)協(xié)會）
圖2： 2016-2021中國純電動汽車產產銷量比例（數(shù)據(jù)來源于：中國汽車工業(yè)協(xié)會） 對使用者而言，充電設備組件的安全性和可靠性尤為重要。隨著電動汽車的暢銷，特別是純電動汽車銷量的快速增長，市場對于高可靠以及全面防護的漏電保護方案的需求也迫在眉睫。 在充電樁的保護方面，相關國際標準較早做出了規(guī)定。對于交流充電樁內漏電流保護器，在標準IEC60364-7-722 部分-電動車供電里要求：應選擇B型或A型30mA動作的RCD作為直流接地故障防護措施（722.531.2條）。
圖3：《IEC 60364》相關標準條目 同樣我國的相關標準也在逐步升級，并向國際標準看齊。2022-05-01實施的GB/T40820-2021《電動汽車模式3充電用直流剩余電流檢測電器（RDC-DD）》標準，可作為電動汽車充電樁的漏電保護要求的大致參考。根據(jù)該標準的4.1.1部分，應用在模式3充電設備中的漏電檢測裝置需具有對6mA直流漏電的監(jiān)測評估能力和對30mA交直流漏電流的保護功能。
圖4：GB/T40820-2021相關標準條目 這里我們明確一下剩余動作電流與剩余不動作電流之間的關系，額定剩余動作電流I∆n定義為RCD在規(guī)定的條件動作的剩余電流值。也就是說，當電路中的漏電流超過這個電流值時，RCD一定會動作（通常是脫扣，斷開電源）。額定剩余不動作電流I∆no定義為電路中的剩余電流小于等于這個值時，RCD在規(guī)定的條件不會動作的剩余電流值。標準中規(guī)定，I∆no=0.5I∆n。
圖5：剩余動作電流、額定剩余動作電流與額定剩余不動作電流間的關系 一、RCD漏電檢測及保護類型 RCD漏電檢測保護的分類如下表
圖6：RCD漏電檢測保護的分類
圖7：不同類型剩余電流波形的表現(xiàn)特征 二、TYPE-B型漏電流傳感器的工作原理 因為TYPE-B型剩余電流包含了平滑直流漏電波形（SDC），傳統(tǒng)互感器原理方案的產品（零序互感器）是無法滿足對type-B型電流的檢測和保護的。所以需要另一種檢測方案來實現(xiàn)對包含平滑直流漏電波形的type-B型電流的檢測。磁通門原理的剩余電流傳感器工作原理如圖8所示。其中，環(huán)形磁芯是由高導磁率的矩形磁滯特性的軟磁材料制成；自適應激勵方波能夠根據(jù)所接收的翻轉信號輸出絕對值相等極性相反的勵磁電壓；檢測控制單元除了判斷勵磁電流是否到達閾值外，還要分析勵磁電壓或勵磁電流波形等。
圖8：磁通門漏電流傳感器的工作原理 其一般工作過程如下：自適應激勵方波輸出一個正電壓，此時勵磁電流急速上升并達到正向閾值，磁芯迅速達到正向飽和；檢測控制單元輸出翻轉信號，控制自適應激勵方波輸出一個絕對值相等的負電壓，磁芯迅速達到反向磁飽和，此時勵磁電流急速下降并達到反向閾值，檢測控制單元輸出翻轉信號，自適應激勵方波輸出電壓反向，如此反復循環(huán)上述過程。當電流矢量之和為零時，激勵方波將呈現(xiàn)出周期對稱的波形。 當電流矢量之和不為零時，剩余電流會使磁芯預先磁化。若為正向剩余電流，則達到正向磁飽和時間會提前，而反向飽和時間會延長。這就導致勵磁電壓波形正負半周不對稱，正負半周的占空比存在差值。基于占空比和剩余電流有效值間的線性關系，后端MCU的一系列運算處理可得出漏電流數(shù)值
圖9：矢量之和不為零的時勵磁電壓&勵磁電流波形 三、電動汽車配套的充電產品在測試中遇到的典型問題 1>.A公司板端溫升問題 一些終端廠商的產品在常溫20.6℃下，跳過繼電器進行一定時間上電后，使用熱成像儀器觀察發(fā)現(xiàn)PCBA會存在溫度上升較快的現(xiàn)象（如下圖）
圖10：PCBA正面最高點溫度達79℃ PCBA反面最高點溫度達85.2℃ 分析原因：其中潛在的問題點是PCBA覆銅面積不夠，電流傳感器中的母線過流線直徑較小，載流能力不足引發(fā)過熱現(xiàn)象。通過一些手段進行優(yōu)化后，溫升問題得以改善（如下圖）。
圖11：Before：電流傳感器過流線為2.59mm After：過流線徑加粗至3.02mm
圖12：Before：覆銅寬度為10.85mm After：覆銅寬度加粗至11.8mm 優(yōu)化后，在常溫20.6度情況下，由熱成像儀觀測可確認，跳過繼電器的PCBA在上電一定時間后發(fā)熱情況明顯得到改善。（如下圖）
圖13：PCBA正面最高點溫度達50.8℃ PCBA背面最高點溫度達49.9℃ 改善方式：通過拓寬覆銅面積、增加電流傳感器中的過流線直徑 電路板的載流電流大小主要與覆銅線寬度有關。PCB線路板銅箔的厚度與線寬之積就是截面積，有一個電流密度的經驗值，為15~25A/平方毫米，它乘以截面積等于通流容量。由于覆銅板銅箔厚度有限，在需要通過較大電流的條狀銅箔中，需考慮銅箔的載流量問題。以典型的0.03mm厚度的銅箔為例，若將銅箔視作寬度為W（mm）,長度為L（mm）的條狀導線，其電阻為0.0005*L/W（Ω）。另外銅箔的載流量還與印刷電路板上安裝的元器件種類，數(shù)量以及散熱條件有關。 在考慮到安全的情況下，在常溫25℃下可參考下圖線路板銅箔載流量的數(shù)據(jù)對應表&線徑過流能力表
圖14：行業(yè)內銅箔載流量的數(shù)據(jù)對應表
圖15：《IEC62752-2016》里8.3.11.2線徑和過流能力關系對應表 2>.Y電容的容性漏電問題 Y電容一般跨接在電力線兩線與地之間（L-E 、N-E），用于濾除高次諧波，防止干擾，提高輸出電壓質量，消除L對地或N對地的共模干擾。當高壓回路與車輛之間存在 Y 電容時，漏電傳感器發(fā)出的交變電壓會出現(xiàn)電容充放電的典型波形。Y電容越大，漏電傳感器給此電容充電時間越長，激勵電壓方波的失真越嚴重，即基準電壓很難在檢測周期內達到實際穩(wěn)定值。這可能導致漏電傳感器計算得出的漏電流值偏大，絕緣阻值偏小，進而引發(fā)漏電誤報警 。
圖16：B公司方案應用示意圖 當高壓回路不存在較大Y電容時，漏電傳感器檢測腳間電壓波形為方波，漏電傳感器檢測腳間電壓穩(wěn)定，所計算的絕緣阻值比較準確
圖17：漏電傳感器檢測腳間電壓波形圖 漏電檢測模塊檢測到的PWM方波易受Y電容影響，但檢測到的電壓在檢測周期內達到穩(wěn)定值，對整車功能無影響。Y電容的增大將引起上電時間的延長，波形如圖所示
圖18：Y電容增大后漏電傳感器檢測腳間電壓波形圖 3>.繼電器在PCBA中的布局 隨著電子、電力、電氣設備應用越來越廣泛，他們在運行過程中產生的電磁干擾和諧波干擾問題愈發(fā)不可忽視。其中，電磁干擾（EMI）是指由無用的信號或電磁干擾(噪聲)對有用的接收或傳輸所造成的損害。電磁干擾具有很寬的頻率范圍 （從幾百HZ到幾MHZ），又有一定的強度，經過傳導和輻射將對電子設備造成干擾。 一個系統(tǒng)或系統(tǒng)內，某一個電路受電磁干擾的程度可以表示為以下公式: N = G*C / I 其中:G為噪聲強度; I為干擾電路的敏感程度; C為噪聲通過某種途徑傳導受干擾的耦合因素。 電磁干擾抑制技術是圍繞三個要素所采取的各種措施，歸納起來是  1)抑制電磁干擾源;(2)切斷電磁干擾耦合方式;(3)降低電磁敏感裝置的靈敏度。一般來說，易發(fā)生電流電壓瞬變的地方即是干擾源，如：繼電器的吸合、電容充放電、電機運轉、集成電路開關工作等都可能成為干擾源。從結構上來說，繼電器一般不宜和漏電傳感器相距太近，否則會對漏電流傳感器產生干擾，從而導致漏電采樣值有所偏差，檢測數(shù)值不精準。 從下圖為某終端充電樁廠家的設計應用方案。繼電器距離漏電傳感器距離較近，導致漏電檢測不精準。
圖19：C公司方案應用示意圖 產生干擾的原因：繼電器的電磁干擾主要來自其線圈中突變磁場和觸點斷合瞬間產生的電弧。 這些干擾的電磁波頻率約為 0.1～1000MHz , 因而其干擾的頻帶是很寬的 , 其場強為垂直極化和水平極化 (在 100MHz 以下主要是垂直極化) , 場強與頻率基本呈正態(tài)分布。板端通電后，繼電器的線圈繞組會產生一個磁場，而磁通門產品也攜帶磁的特性，所以繼電器會對磁通門技術的傳感器中的磁芯產生磁干擾現(xiàn)象，致使采樣的數(shù)值有一定幅度的正負偏差。 通常的建議做法是： 1、繼電器盡量避免距離漏電傳感器太過靠近，最好是保持在15mm以上的距離。 2、傳感器適配補償機制，通過一定策略軟件消除偏差值。 四、Magtron 公司的交直流漏電檢測方案 以MAGTRON公司的產品RCMU101-K系列漏電流傳感器為例，該系列產品采用Trip信號輸出，為歐標和美標交流充電客戶提供設計簡潔，性能可靠的漏電流檢測解決方案。此方案產品采用高精度自適應磁通門傳感技術，并通過內置信號判斷處理芯片，輸出Trip信號，可實現(xiàn)對交直流剩余電流實時準確有效的檢測。相比傳統(tǒng)的漏電流傳感器檢測更可靠、更全面、更安全。
MAGTRON符合國標、歐標、美標的漏電傳感器 -------------------------------參考文獻--------------------------------------- 1. 中國汽車工業(yè)協(xié)會 www.caam.org.cn/ddzn 2. IEC 62752-2018 In-cable control and protection device for mode 2 charging of electric road vehicles (IC-CPD)。 3. GB/T 40820 -2021電動汽車模式3充電用直流剩余電流檢測電器RDC-DD 4.《BUS ＆ COACH TECHNOLOGY AND RESEARCH》 5. www.se.com 《How to design efficient earth fault protection with residual Current Devices (RCD)》 6.《電磁繼電器的電磁干擾現(xiàn)象與抑制方法》 |
