如何利用剩余电流监测器确保电动汽车充电时的电气安全
作者：Jens Wallmann
电动汽车 (EV) 高压电池的频繁充电对充电电缆和连接器的机械应力提出了很高的要求。如果绝缘层破损，带电金属部件外露，或者车载电子设备中出现分流，危及生命的剩余电流就会流过电动汽车用户的身体。特别棘手的是，交流敏感式 A 型剩余电流保护器 (RCD) 无法检测到各种形式的直流剩余电流。
为防止发生触电事故，电动汽车电源设备 (EVSE) 制造商必须在电力电子产品中采用 RCD，当出现几 mA 的交流和直流剩余电流时，该 RCD 可在几毫秒内跳闸。
本文说明了剩余电流的形式、测量方法以及在充电电路中安装 RCD 的位置。然后，介绍了来自 Littelfuse 的剩余电流监测器 (RCM)，系统设计人员可以利用这些监测器为他们的 EVSE 设备增加直流电击保护，既经济高效又节省时间。本文还阐述了这些电流传感器适用于哪些电动汽车充电模式及其使用方式。
电动汽车充电电路中的剩余电流
要在高达 400 V 的交流电压和高达 1000 V 的直流电压下为电动汽车充电，要求电动汽车用户在操作充电设备时采取周全保护措施。由于充电站和车载充电器会产生富含谐波的不对称开关脉冲，以及几百伏的直流链路电压，可能会通过分流、耦合效应、绝缘故障和漏电故障产生各种类型的交流和直流剩余电流。
整流器、开关转换器、变频器等电力电子电路以及逆变器和相角控制系统具有各种各样的负载电流特性。由此可能产生的剩余电流分为正弦交流电、脉冲直流电和直式直流电。这些形式的剩余电流对人类具有危险。表 1 显示了各种电路拓扑的典型负载电流信号，以及它们产生的剩余电流波形。第 1 列至第 3 列指明了适合用于检测的 RCD 类型。
表 1：故障电流形式以及最合适对其进行检测的 RCD 类型（第 1 列至第 3 列）。（图片来源：维基百科）
充分了解剩余电流波形，可以帮助电动汽车维修店和电工监测电动汽车电路板电子元件、EVSE 或充电站中的剩余电流。
各种 RCD 类型的跳闸特性
一般来说，电气设备的个人电击防护由 IEC 60479 和 UL 943 标准规定。这两项标准规定的重要交流和直流剩余电流范围分别为 6、30、100、300、500 和 1000 mA，跳闸时间为 20 至 500 ms。电动汽车充电电路中的常见跳闸阈值为 6 mA 直流和 30 mA 交流。
现在，系统设计人员只需选择适当标准的 RCD 类型，即可在充电电路中轻松实现特定个人保护要求。表 2 列出了不同类型 RCD 或接地故障断路器 (GFCI) 的剩余电流形式和跳闸容差。
表 2：不同类型 GFCI 或 RCD 的跳闸特性。（表格来源：abb.com）
在电动汽车充电电路中安装 RCD
A 型或 F 型 RCD 只能检测交流剩余电流和直流脉动电流，不足以保护电动汽车充电电路。我们还必须考虑在车载充电器或电池管理系统中可能出现的各种直流剩余电流。
因此，IEC 62196 标准定义了两个剩余电流保护选项：使用全电流敏感的 B 型 RCD（或 B+ 型），或者结合使用 A 型 RCD 与符合 IEC 62955 标准且 IΔn DC ≥ 6 mA 的剩余直流监测系统。直流故障电流监测装置既可安装在暗线盒中，也可安装在建筑电气系统内，或同时安装在两个位置。
由于建筑电气系统中通常存在交流敏感式 A 型或 F 型 RCD，因此设计人员可以采用更为经济高效的方式，即在模式 3 暗线盒或充电站中，以及模式 2 充电电缆的缆上控制盒 (ICCB) 中添加 6 mA 直流剩余电流监测装置（图 1，情况 2 和 3）。
图 1：EVSE 设备必须在交流敏感式 A 型 RCD 下游添加直流 RCM（情况 2），或通过 B 型 RCD 直接连接到交流市电（情况 4）。（图片来源：goingelectric.de）
电动汽车充电模式
电动汽车电池可以通过不同的充电模式进行充电，具体取决于可用的现场电源连接、连接插头、充电电缆，以及车辆和充电站采用的充电技术。在欧洲，电能可通过单相交流电（230 V/3.6 kW）、三相交流电（400 V/22 kW）或高压直流充电站（最高 1000 VDC/500 kW）输入汽车。图 2 显示了在 IEC 61851 标准中定义的四种充电模式。
图 2：IEC 61851 标准中定义的四种充电模式的示意图。（图片来源：bestchargers.eu）
模式 1（单相交流充电，最高 3.6 kW；默认充电模式）
在这种情况下，电动汽车或混合动力汽车通过一根简单的无源电缆连接到标准的 230 V 家用插座，并通过车载充电器进行低功率充电，最大功率为 3.6 kW。这种充电方案无法为用户提供足够的直流剩余电流保护。通常情况下，建筑的电气系统中仅安装交流敏感式 A 型 RCD。
模式 2（通过 ICCB 充电电缆进行单相/三相交流充电，最高功率 22 kW）
在使用家用插座和三相插座为电动汽车充电时，配备了 2 型汽车插头的模式 2 充电电缆包含一个缆上控制盒 (ICCB)，可执行安全和通信功能，防止插座过载。
ICCB 必须集成下列保护功能：
· 确定极性和监测保护导体 (PC)；中性线与 PC 之间只允许有几欧姆的回路阻抗。
· 测试 PC 与金属机身之间的电气连接。
· 交流和直流剩余电流断路器可防止电流事故。
· 在出现异常情况时（例如插头触点腐蚀或电缆断裂导致电流波动），监测/关闭充电过程。
· 监测 ICCB 和两个插头内部的温度，必要时进行关闭。
· 充电功率控制：控制引示线 (CP) 上的下拉电阻器，向暗线盒和电动汽车发出电缆电流负载额定值信号；充电控制线 (CC) 上的脉宽调制 (PWM) 信号，向电动汽车发出暗线盒充电功率能力信号。
模式 3（通过暗线盒进行单相/三相交流充电，最高功率 22 kW）
对于电动汽车充电，无源模式 3 电缆可连接到私人家庭的暗线盒或停车场的公共交流充电站。两者都集成了与上述 ICCB 相同的保护功能。
模式 4（直接电池直流快速充电，最高功率 500 kW）
与模式 2 和模式 3 相比，电动汽车的直流高功率充电站 (DC/HPC) 可提供更高的充电电流。该超级充电器采用了电击保护装置，防止由于交流和直流剩余电流导致的电击；不同的充电电缆始终能够牢固连接。
测量 EVSE 电路中的交流和直流故障电流
Littelfuse Inc. 的 RCM14 系列 RCM 可检测交流或直流系统中的直流和/或交流剩余电流，并提供输出信号来控制外部断路装置（断路继电器）。相比之下，RCD 和剩余电流断路器 (RCCB) 集成一个断路继电器。
交流剩余电流使用电感式电流互感器 (CT) 来检测。为此，电流正向导线 (IL) 和电流回路导线 (IN) 通过软磁环形铁芯馈电，导致两个电流矢量通常相互补偿，相加为零。如果故障电流 (Ig) 通过检测器后面电路中的人体流入地电位端，则 RCM 或 GFCI 总电流不为零，断路器跳闸（图 3）。
图 3：如果故障电流 (Ig) 通过人体流入地电位端，则 GFCI 总电流不为零，断路器跳闸。（图片来源：Littelfuse）
通过将磁通门磁力仪探头集成到环形铁芯的槽中，并采用补偿线圈的方式将磁通量补偿为零，CT 还可以检测差分直流。这种方法比霍尔效应传感器或并联电阻器更精确，可在高达 500 A 的大直流负载电流下，检测到 6 mA 的微弱直流故障电流。
提供断路器控制输出的 RCM
Littelfuse 的 RCM14 系列非常适合用于电动汽车（模式 2）和电动汽车充电站（模式 3）的 ICCB 充电电缆。它们提供三个剩余电流检测选项，分别符合 IEC 62752（模式 2）、IEC 62752（模式 3）和 UL 2231 标准。
每个 RCM 都有一个工作 LED 和一个故障 LED。四针 JST 连接器简化了安装：针脚 1 和 2 用于 12 V 电源，针脚 3 用于外部功能测试，针脚 4 为开漏开关输出，用于驱动外部断路器，如断路继电器，电流最大 100 mA，电压最高 24 V（图 4）。
图 4：RCM14 系列模块有两个 LED 状态指示灯，可通过四针 JST 连接器轻松连接。（图片来源：Littelfuse）
这些有源 RCM 还可用于检测单相或多相直流系统中的交流和/或直流剩余电流。单相运行时，负载电流限制在 100 A，而三相运行时，负载电流限制在 40 A。它们可以处理高达 3000 A 的负载电流脉冲。
RCM14-01：符合 IEC 62955 标准的 6 mA DC RCM 模块，孔径为 14 mm
RCM14-01 剩余电流监测器可检测 50 Hz/60 Hz 交流系统中的直流故障电流。它专为电动汽车模式 3 充电站（IEC 62955 标准）开发，可在直流故障电流大于或等于 6 mA 时，断开电动汽车的充电电路。该检测器通过经济高效而简单的方式，为建筑电气系统中现有的 A 型和 F 型 RCD 增加了直流剩余电流监测功能（图 5）。
图 5：RCM14-01 可为建筑电气系统中的交流敏感式 A 型 RCD 增加 ≥ 6 mA 直流剩余电流监测功能。（图片来源：Littelfuse、Western Automation）
RCM14-03：符合 IEC 62752 标准的 6 mA 直流/30 mA 交流 RCM 模块，孔径为 14 mm
RCM14-03 适用于采用充电模式 2 的电动汽车的 ICCB 或集成保护装置，可在发生交流或直流故障时中断电动汽车的供电。
RCM14-04：符合 UL 2231-2 标准的 56 mA 直流/20 mA 交流 RCM 模块，孔径为 14 mm
RCM14-04 模块可检测 60 Hz 交流系统中的交流和直流故障电流。该模块设计用于电动汽车充电站的充电电路中断装置 (CCID)，可在出现交流和/或直流剩余电流的情况下中断对电动汽车的供电。
为了集成到更大的设备电路中，以下 RCM 模块也可作为开放式系统提供：
· RCM14-01_SYS_V、RCM14-01_SYS_H
· RCM14-03_SYS_V、RCM14-03_SYS_H
· RCM14-04_SYS
每个系统都由可焊接的传感器印刷电路板和单独的电流互感器组成（图 6）。
图 6：RCM14-04_SYS 模块是由传感器印刷电路板和电流互感器组成的开放式系统。（图片来源：Littelfuse、Western Automation）
总结
交流敏感式 A 型 RCD 是建筑电气系统中常见的标准装置，但它们无法防御电动汽车充电电路中的直流剩余电流危害。如本文所述，RCM14 系列可以执行 ICCB 充电电缆（模式 2）和电动汽车充电站（模式 3）必需的直流剩余电流监测。由于 RCM14 系列只有四个连接针脚，系统设计人员可在 EVSE 中经济高效地轻松安装紧凑型 RCM 模块或开放式系统。
