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來(lái)源：DigiKey 作者：Jens Wallmann 電動(dòng)汽車 (EV) 高壓電池的頻繁充電對(duì)充電電纜和連接器的機(jī)械應(yīng)力提出了很高的要求。如果絕緣層破損，帶電金屬部件外露，或者車載電子設(shè)備中出現(xiàn)分流，危及生命的剩余電流就會(huì)流過(guò)電動(dòng)汽車用戶的身體。特別棘手的是，交流敏感式 A 型剩余電流保護(hù)器 (RCD) 無(wú)法檢測(cè)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)汽車電源設(shè)備 (EVSE) 制造商必須在電力電子產(chǎn)品中采用 RCD，當(dāng)出現(xiàn)幾 mA 的交流和直流剩余電流時(shí)，該 RCD 可在幾毫秒內(nèi)跳閘。 本文說(shuō)明了剩余電流的形式、測(cè)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(jiān)測(cè)器 (RCM)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以利用這些監(jiān)測(cè)器為他們的 EVSE 設(shè)備增加直流電擊保護(hù)，既經(jīng)濟(jì)高效又節(jié)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)汽車充電模式及其使用方式。 電動(dòng)汽車充電電路中的剩余電流 要在高達(dá) 400 V 的交流電壓和高達(dá) 1000 V 的直流電壓下為電動(dòng)汽車充電，要求電動(dòng)汽車用戶在操作充電設(shè)備時(shí)采取周全保護(hù)措施。由于充電站和車載充電器會(huì)產(chǎn)生富含諧波的不對(duì)稱開(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(yīng)、絕緣故障和漏電故障產(chǎn)生各種類型的交流和直流剩余電流。 整流器、開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器、變頻器等電力電子電路以及逆變器和相角控制系統(tǒng)具有各種各樣的負(fù)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(duì)人類具有危險(xiǎn)。表 1 顯示了各種電路拓?fù)涞牡湫拓?fù)載電流信號(hào)，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(cè)的 RCD 類型。 
表 1：故障電流形式以及最合適對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)的 RCD 類型（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)汽車維修店和電工監(jiān)測(cè)電動(dòng)汽車電路板電子元件、EVSE 或充電站中的剩余電流。 各種 RCD 類型的跳閘特性 一般來(lái)說(shuō)，電氣設(shè)備的個(gè)人電擊防護(hù)由 IEC 60479 和 UL 943 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。這兩項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)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)汽車充電電路中的常見(jiàn)跳閘閾值為 6 mA 直流和 30 mA 交流。 現(xiàn)在，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員只需選擇適當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的 RCD 類型，即可在充電電路中輕松實(shí)現(xiàn)特定個(gè)人保護(hù)要求。表 2 列出了不同類型 RCD 或接地故障斷路器 (GFCI) 的剩余電流形式和跳閘容差。
表 2：不同類型 GFCI 或 RCD 的跳閘特性。（表格來(lái)源：abb.com） 在電動(dòng)汽車充電電路中安裝 RCD A 型或 F 型 RCD 只能檢測(cè)交流剩余電流和直流脈動(dòng)電流，不足以保護(hù)電動(dòng)汽車充電電路。我們還必須考慮在車載充電器或電池管理系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的各種直流剩余電流。 因此，IEC 62196 標(biāo)準(zhǔn)定義了兩個(gè)剩余電流保護(hù)選項(xiàng)：使用全電流敏感的 B 型 RCD（或 B+ 型），或者結(jié)合使用 A 型 RCD 與符合 IEC 62955 標(biāo)準(zhǔn)且 IΔn DC ≥ 6 mA 的剩余直流監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。直流故障電流監(jiān)測(cè)裝置既可安裝在暗線盒中，也可安裝在建筑電氣系統(tǒng)內(nèi)，或同時(shí)安裝在兩個(gè)位置。 由于建筑電氣系統(tǒng)中通常存在交流敏感式 A 型或 F 型 RCD，因此設(shè)計(jì)人員可以采用更為經(jīng)濟(jì)高效的方式，即在模式 3 暗線盒或充電站中，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(jiān)測(cè)裝置（圖 1，情況 2 和 3）。
圖 1：EVSE 設(shè)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)汽車充電模式 電動(dòng)汽車電池可以通過(guò)不同的充電模式進(jìn)行充電，具體取決于可用的現(xiàn)場(chǎng)電源連接、連接插頭、充電電纜，以及車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。圖 2 顯示了在 IEC 61851 標(biāo)準(zhǔn)中定義的四種充電模式。
圖 2：IEC 61851 標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)充電模式） 在這種情況下，電動(dòng)汽車或混合動(dòng)力汽車通過(guò)一根簡(jiǎn)單的無(wú)源電纜連接到標(biāo)準(zhǔn)的 230 V 家用插座，并通過(guò)車載充電器進(jìn)行低功率充電，最大功率為 3.6 kW。這種充電方案無(wú)法為用戶提供足夠的直流剩余電流保護(hù)。通常情況下，建筑的電氣系統(tǒng)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)汽車充電時(shí)，配備了 2 型汽車插頭的模式 2 充電電纜包含一個(gè)纜上控制盒 (ICCB)，可執(zhí)行安全和通信功能，防止插座過(guò)載。 ICCB 必須集成下列保護(hù)功能： · 確定極性和監(jiān)測(cè)保護(hù)導(dǎo)體 (PC)；中性線與 PC 之間只允許有幾歐姆的回路阻抗。 · 測(cè)試 PC 與金屬機(jī)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(xiàn)異常情況時(shí)（例如插頭觸點(diǎn)腐蝕或電纜斷裂導(dǎo)致電流波動(dòng)），監(jiān)測(cè)/關(guān)閉充電過(guò)程。 · 監(jiān)測(cè) ICCB 和兩個(gè)插頭內(nèi)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 (CP) 上的下拉電阻器，向暗線盒和電動(dòng)汽車發(fā)出電纜電流負(fù)載額定值信號(hào)；充電控制線 (CC) 上的脈寬調(diào)制 (PWM) 信號(hào)，向電動(dòng)汽車發(fā)出暗線盒充電功率能力信號(hào)。 模式 3（通過(guò)暗線盒進(jìn)行單相/三相交流充電，最高功率 22 kW） 對(duì)于電動(dòng)汽車充電，無(wú)源模式 3 電纜可連接到私人家庭的暗線盒或停車場(chǎng)的公共交流充電站。兩者都集成了與上述 ICCB 相同的保護(hù)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)汽車的直流高功率充電站 (DC/HPC) 可提供更高的充電電流。該超級(jí)充電器采用了電擊保護(hù)裝置，防止由于交流和直流剩余電流導(dǎo)致的電擊；不同的充電電纜始終能夠牢固連接。 測(cè)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(cè)交流或直流系統(tǒng)中的直流和/或交流剩余電流，并提供輸出信號(hào)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(cè)。為此，電流正向?qū)Ь� (IL) 和電流回路導(dǎo)線 (IN) 通過(guò)軟磁環(huán)形鐵芯饋電，導(dǎo)致兩個(gè)電流矢量通常相互補(bǔ)償，相加為零。如果故障電流 (Ig) 通過(guò)檢測(cè)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)將磁通門磁力儀探頭集成到環(huán)形鐵芯的槽中，并采用補(bǔ)償線圈的方式將磁通量補(bǔ)償為零，CT 還可以檢測(cè)差分直流。這種方法比霍爾效應(yīng)傳感器或并聯(lián)電阻器更精確，可在高達(dá) 500 A 的大直流負(fù)載電流下，檢測(cè)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（模式 2）和電動(dòng)汽車充電站（模式 3）的 ICCB 充電電纜。它們提供三個(gè)剩余電流檢測(cè)選項(xiàng)，分別符合 IEC 62752（模式 2）、IEC 62752（模式 3）和 UL 2231 標(biāo)準(zhǔn)。 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(cè)試，針腳 4 為開(kāi)漏開(kāi)關(guān)輸出，用于驅(qū)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(cè)單相或多相直流系統(tǒng)中的交流和/或直流剩余電流。單相運(yùn)行時(shí)，負(fù)載電流限制在 100 A，而三相運(yùn)行時(shí)，負(fù)載電流限制在 40 A。它們可以處理高達(dá) 3000 A 的負(fù)載電流脈沖。 RCM14-01：符合 IEC 62955 標(biāo)準(zhǔn)的 6 mA DC RCM 模塊，孔徑為 14 mm RCM14-01 剩余電流監(jiān)測(cè)器可檢測(cè) 50 Hz/60 Hz 交流系統(tǒng)中的直流故障電流。它專為電動(dòng)汽車模式 3 充電站（IEC 62955 標(biāo)準(zhǔn)）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)汽車的充電電路。該檢測(cè)器通過(guò)經(jīng)濟(jì)高效而簡(jiǎn)單的方式，為建筑電氣系統(tǒng)中現(xiàn)有的 A 型和 F 型 RCD 增加了直流剩余電流監(jiān)測(cè)功能（圖 5）。
圖 5：RCM14-01 可為建筑電氣系統(tǒng)中的交流敏感式 A 型 RCD 增加 ≥ 6 mA 直流剩余電流監(jiān)測(cè)功能。（圖片來(lái)源：Littelfuse、Western Automation） RCM14-03：符合 IEC 62752 標(biāo)準(zhǔn)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)汽車的 ICCB 或集成保護(hù)裝置，可在發(fā)生交流或直流故障時(shí)中斷電動(dòng)汽車的供電。 RCM14-04：符合 UL 2231-2 標(biāo)準(zhǔn)的 56 mA 直流/20 mA 交流 RCM 模塊，孔徑為 14 mm RCM14-04 模塊可檢測(cè) 60 Hz 交流系統(tǒng)中的交流和直流故障電流。該模塊設(shè)計(jì)用于電動(dòng)汽車充電站的充電電路中斷裝置 (CCID)，可在出現(xiàn)交流和/或直流剩余電流的情況下中斷對(duì)電動(dòng)汽車的供電。 為了集成到更大的設(shè)備電路中，以下 RCM 模塊也可作為開(kāi)放式系統(tǒng)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(tǒng)都由可焊接的傳感器印刷電路板和單獨(dú)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(tǒng)。（圖片來(lái)源：Littelfuse、Western Automation） 總結(jié) 交流敏感式 A 型 RCD 是建筑電氣系統(tǒng)中常見(jiàn)的標(biāo)準(zhǔn)裝置，但它們無(wú)法防御電動(dòng)汽車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(zhí)行 ICCB 充電電纜（模式 2）和電動(dòng)汽車充電站（模式 3）必需的直流剩余電流監(jiān)測(cè)。由于 RCM14 系列只有四個(gè)連接針腳，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可在 EVSE 中經(jīng)濟(jì)高效地輕松安裝緊湊型 RCM 模塊或開(kāi)放式系統(tǒng)。 |
