小型剩余電流動作斷路器在充電樁中的應(yīng)用探討

朱 俊, 邵江華, 任吉利

(浙江正泰電器股份有限公司, 浙江 溫州 325603)

0 引 言

隨著“雙碳”目標(biāo)的正向引導(dǎo)及電動汽車給大眾帶來的良好體驗,配套的充電樁規(guī)模也隨著電動汽車的爆發(fā)式增長快速擴大。充電樁作為向電動汽車提供能源的新興電力裝置,其應(yīng)用環(huán)境相對復(fù)雜惡劣、系統(tǒng)內(nèi)的電流具有一定的特殊性,其使用過程中的安全性、可靠性問題應(yīng)得到重視。帶過電流保護的剩余電流動作斷路器同時具有剩余電流動作保護、過載和短路保護功能,成為充電樁電源控制模塊的配套首選,尤其是小型電磁式帶過電流保護的剩余電流動作斷路器(RCD)因能較大程度地釋放空間及無源工作模式受到市場青睞。為保障用戶的生命財產(chǎn)安全及良好的體驗,RCD在應(yīng)用于充電樁的場景中時,在制造商設(shè)計及用戶選型的過程中有幾點需要引起大家的關(guān)注,以實現(xiàn)過電流保護的可靠性、抗浪涌電流沖擊的誤動作能力及剩余電流保護的靈敏性。

1 過載保護可靠性

充電樁的防護等級較高,在戶外須達到IP54的要求,密封的環(huán)境對功率件的散熱極為不利。同時,戶外環(huán)境溫差較大,南方的戶外存在高于40 ℃的環(huán)境溫度,在北方戶外存在低于-25 ℃的環(huán)境溫度,這對傳統(tǒng)的采用熱效應(yīng)驅(qū)動的過電流保護原理提出了挑戰(zhàn)。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 16917.1—2014《家用和類似用途的帶過流保護的剩余電流動作斷路器》中關(guān)于時間-電流動作特性試驗要求,在基準(zhǔn)溫度(30～35 ℃)環(huán)境下對所有極通以1.13In的電流至約定時間t1(額定電流In≤63 A,t1≤1 h;額定電流In>63 A,t1≤2 h),RCD不應(yīng)脫扣;緊接著在5 s內(nèi)把電流穩(wěn)定地升至1.45In,RCD應(yīng)在約定的時間內(nèi)t2脫扣(一般是額定電流In≤63 A,t2≤1 h;額定電流In>63 A,t2≤2 h)[1]。

現(xiàn)有市場上小型RCD的過載保護功能絕大多數(shù)基于熱雙金屬元件的熱效應(yīng)原理實現(xiàn),其保護功能及可靠性與環(huán)境溫度高度關(guān)聯(lián)。

熱雙金屬的形變計算公式如下:

(1)

式中:K——熱雙金屬的比彎曲;T-T0——基于整定溫度的溫升;L——熱雙金屬的長度;δ——熱雙金屬的厚度[2]。

由式(1)可知,在熱雙金屬選型確定的情況下,其形變量主要取決于基于整定溫度的溫升,即RCD應(yīng)用環(huán)境的溫度與整定試驗室環(huán)境溫度的差值,在熱雙金屬線性溫度范圍(上限一般在150～300 ℃)內(nèi)形變量Δf與溫升(T-T0)成正比關(guān)系。當(dāng)應(yīng)用環(huán)境溫度過高時,熱雙金屬的形變更容易達到RCD的過載保護觸發(fā)值,在這種情況下,RCD將出現(xiàn)頻繁跳閘的情況進而影響充電樁正常使用及用戶體驗。

Q/GDW 1233—2014《國家電網(wǎng)電動汽車非車載充電機通用要求》的工作環(huán)境溫度為-25～50 ℃[3],在非車載充電機滿載工作時內(nèi)部的IP54的密封環(huán)境中,斷路器所處的環(huán)境溫度最高可以達到60～70 ℃。以某型號40 A斷路器為例,通電時間4 h,不同環(huán)境溫度下的RCD動作情況如表1所示?？梢钥闯龀Ｒ?guī)產(chǎn)品在高于標(biāo)準(zhǔn)整定的30 ℃情況下,在通入負載電流0.75In～In的情況下存在動作的情況。

表1 不同環(huán)境溫度下的RCD動作情況

結(jié)合公式(1)和表1試驗數(shù)據(jù)可知,隨著環(huán)境溫度增高,動作的電流減小,也會引起RCD誤脫扣,影響用戶正常使用。在這種情況下,為避免頻繁動作,大多數(shù)終端用戶會要求制造商提供溫度補償系數(shù)進行降容使用。在高溫或低溫環(huán)境情況下,通過調(diào)整電流的選型規(guī)格以滿足實際工況的應(yīng)用需求。額定電流值溫度修正系數(shù)表如表2所示。為避免高溫環(huán)境充電樁內(nèi)RCD頻繁動作,可以根據(jù)表2所示的額定電流值溫度修正系數(shù),選用更大額定電流的RCD進行降容使用。

表2 額定電流值溫度修正系數(shù)表

無論是采用電流修正降容還是非標(biāo)溫度整定,可以適應(yīng)某一范圍溫度的使用,而對其他溫度段的保護則會降低準(zhǔn)確性,具有一定的局限性。為了實現(xiàn)過載保護的準(zhǔn)確性,可以采用電子式的過載保護。相比熱雙金屬片的熱效應(yīng)驅(qū)動,電子式過載保護采用電流互感器的電磁感應(yīng)原理,其動作觸發(fā)來源于電流的磁效應(yīng),可以實現(xiàn)較為精確的過載保護,可較大程度上屏蔽溫度對過載保護的影響。

2 合適的剩余電流保護類型

根據(jù)剩余電流保護類型可將RCD分為AC型、A型、F型、RDC-MD型、RDC-PD型及B型。

AC型剩余電流保護器:對突然施加或緩慢上升的剩余正弦交流電流進行保護。

A型剩余電流保護器: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6 mA平滑剩余電流進行保護。

F型剩余電流保護器:包含A型的特性、脈動直流剩余電流疊加10 mA平滑剩余電流并對交流復(fù)合波剩余電流進行保護。

RDC-MD剩余電流保護器:僅針對突然施加或緩慢上升的6 mA平滑直流進行保護,往往搭配A型剩余電流保護器使用。

RDC-PD型剩余電流保護器:包含RDC-MD型特性和A型的交流、脈動直流特性的剩余電流保護器。

B型剩余電流保護器:包含F(xiàn)型的保護特性,此外,還能對1 000 Hz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、平滑直流剩余電流進行保護。

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》中關(guān)于剩余電流保護器的選型要求,交流供電設(shè)備的剩余電流保護器宜采用A型或B型,符合GB/T 14048.2—2020《低壓開關(guān)設(shè)備和控制設(shè)備 第2部分:斷路器》、GB/T 16916.1—2014《家用和類似用途的不帶過電流保護的剩余電流動作斷路器(RCCB) 第1部分:一般規(guī)則》和GB 22794—2008《家用和類似用途的不帶和帶過電流保護的B型剩余電流動作斷路器(B型RCCB和B型RCBO)》的相關(guān)要求[4],但實際需結(jié)合充電樁的不同充電模式綜合考慮。

充電樁的充電系統(tǒng)分為常規(guī)充電和快速充電兩種。針對充電系統(tǒng)的充電模式,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》中明確規(guī)定了電動汽車的4種充電模式[4]:

模式一:一種使用標(biāo)準(zhǔn)電纜和插頭將電動汽車連接到交流供電電網(wǎng)上的標(biāo)準(zhǔn)插座的方法,無須任何附加設(shè)備,其中電源需進行接地的保護。家用安裝的標(biāo)準(zhǔn)插座和電纜如圖1所示。

圖1 家用安裝的標(biāo)準(zhǔn)插座和電纜

模式二:一種將電動汽車連接到標(biāo)準(zhǔn)插座的方法,在充電連接時使用了纜上控制和保護裝置(IC-CPD),即在標(biāo)準(zhǔn)插頭和連接電纜中集成了帶電源控制導(dǎo)引功能的裝置?？赏ㄐ疟銛y式AC充電樁如圖2所示。

圖2 可通信便攜式AC充電樁

模式三:電動汽車用專用充電設(shè)備連接至交流電網(wǎng),并且在充電連接時使用了帶控制引導(dǎo)功能的裝置?？赏ㄐ殴潭ㄊ紸C充電樁如圖3所示。

圖3 可通信固定式AC充電樁

模式四:將充電設(shè)備連接至交流或直流電網(wǎng)時,使用了帶控制引導(dǎo)功能的專用直流供電設(shè)備。可通信固定式DC充電樁如圖4所示。

圖4 可通信固定式DC充電樁

在充電模式一中,因標(biāo)準(zhǔn)插座支路的前端存在因未配置剩余電流動作保護器的電擊安全風(fēng)險,在國標(biāo)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》明確了不應(yīng)使用模式一對電動汽車進行充電。

為解決模式一潛在的用電風(fēng)險,模式二進行了風(fēng)險規(guī)避設(shè)計,在充電的電纜上串接有控制與保護裝置(IC-CPD),屬于可通信便攜式AC充電樁,能同時執(zhí)行檢測剩余電流,并把該剩余電流與IC-CPD裝置中的整定剩余電流值進行比較,當(dāng)達到觸發(fā)值時,斷開被保護電路。用于不能確保是否已經(jīng)安裝RCD的電氣裝置,例如通過未知的電氣裝置對電動汽車充電。GB/T 41589—2022《電動汽車模式2充電的纜上控制與保護裝置(IC-CPD)》標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定IC-CPD額定剩余電流動作標(biāo)準(zhǔn)最大值為0.03 A,對于正弦交流剩余電流、脈動直流剩余電流和超過6 mA的平滑剩余電流而言[5],無論突然施加或緩慢上升,均能保護,靈敏度高于家用及類似用途的RCD。

模式三是應(yīng)用最為普遍的家用充電樁或充電盒,即所謂的“慢充充電樁”。交流充電機電路在電磁干擾(EMI)濾波整流與boost電路中間端會產(chǎn)生脈動直流剩余電流,而在柔性印制電路板(FPC)電路與LLC諧振變換器工作過程中會產(chǎn)生波紋很小的直流電。該直流漏電對前級電路和后端電路會產(chǎn)生干擾,影響充電效果,甚至影響蓄電池壽命,宜配置A型RCD+(RDC-MD)剩余電流保護器、RDC-PD型剩余電流保護器或B型RCD。

模式四為直流充電模式,即所謂的“快充充電樁”,多見于加油站、服務(wù)區(qū)等需滿足快速充電的場景。該工作方式中,三相輸入端主要為交流電,經(jīng)AC/DC轉(zhuǎn)換后由交流變?yōu)槊}動直流,由濾波電路濾波變換為直流電,在此環(huán)節(jié)若發(fā)生漏電,三相交流端會感應(yīng)出現(xiàn)脈動直流剩余電流,可選用具備脈動剩余電流保護功能的A型剩余電流保護器、F型剩余電流保護器、B型剩余電流保護器或RDC-PD型剩余電流保護器等。目前,國際上就電動汽車的發(fā)展已發(fā)布IEC TS 63053—2017《直流電(DC)系統(tǒng)剩余電流動作保護器的通用要求》,國內(nèi)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NB/T 11214—2003《直流系統(tǒng)用剩余電流裝置模塊(DC-MRCD)》預(yù)計也將于2023年發(fā)布。

3 抗浪涌電流的干擾沖擊

浪涌電流是指電源接通瞬間或是在電路出現(xiàn)異常情況下產(chǎn)生的遠大于穩(wěn)態(tài)電流的峰值電流或過載電流。供電系統(tǒng)浪涌電流的來源分為內(nèi)部原因(電氣設(shè)備的起停和故障等)和外部原因(雷電)。當(dāng)外界雷電在電氣回路或者通信線路中產(chǎn)生浪涌電流時,可以采用浪涌保護器(SPD),也叫防雷器,浪涌保護器能在極短的時間內(nèi)導(dǎo)通并將浪涌電流分流至大地,從而避免回路中的其他支路設(shè)備受到損害。

充電樁主要包括供電系統(tǒng)、充電設(shè)備及運營與管理系統(tǒng),其中供電系統(tǒng)主要為充電設(shè)備提供電源,主要由一次設(shè)備(包括開關(guān)、變壓器及線路)和二次設(shè)備(包括檢測、保護、控制裝置等)組成,并配備濾波裝置[6]。充電樁產(chǎn)生浪涌電流的原因主要是系統(tǒng)內(nèi)的開關(guān)電源為滿足抗EMI要求,設(shè)計的濾波電路中使用了大容量的濾波電容。濾波電容一般為電解電容,其等效電阻很小。開關(guān)電源電路模型如圖5所示。由于電容器上的電壓不能躍變,在整流模塊上電瞬間,等效為整流輸出端短路,產(chǎn)生的浪涌電流遠高于穩(wěn)態(tài)電流。浪涌電流波形如圖6所示。

圖5 開關(guān)電源電路模型

圖6 浪涌電流波形

浪涌電流的大小主要由輸入電壓大小、開機電壓相位和輸入電路的串聯(lián)阻抗等幾方面因素決定。一般情況下,較高的輸入電壓和較低的輸入電路串聯(lián)阻抗會產(chǎn)生相對較高的浪涌電流,而當(dāng)開關(guān)開起時,交流電電壓相位正好為90°和270°時,電源電壓達到峰值,此時開機,浪涌電流達到最高[7]。

GB/T 16917.1—2014《家用和類似用途的帶過電流保護的剩余電流動作斷路器(RCBO) 第1部分:一般規(guī)則》規(guī)定在3 000 A浪涌電流施加在普通型RCBO上允許跳閘[1],施加在延時型RCBO上不允許跳閘。為避免誤動作情況,在充電樁場景的開關(guān)器件選型時,需要考慮RCD的抗浪涌能力。目前F型、B型等用于復(fù)雜電子負載保護的剩余電流動作RCD,相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)已要求抗浪涌能力達到3 000 A及以上,而且施加到RCBO上時不允許跳閘,同樣也是基于帶大容量濾波電容的開關(guān)電源起停瞬間產(chǎn)生的瞬時浪涌電流的考慮。目前,國內(nèi)充電樁上應(yīng)用量較大的是A型、AC型剩余電流動作RCD,但產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)沒有相關(guān)要求,抗浪涌能力參差不齊,需要引起重視。

充電樁標(biāo)桿企業(yè)(如美國Chargepoint、華為等)均要求用于充電樁電源保護的剩余電流動作RCD能承受3 000 A(8/20 μs)浪涌電流沖擊而不脫扣。防浪涌情況下誤脫扣的設(shè)計思路主要是浪涌信號抑制在信號處理電路前端,將瞬態(tài)抑制二極管(TVS)管并接于電路中,用以提供一個電流的額外通路,能夠吸收瞬間大電流并鉗位電壓。TVS管防浪涌原理圖如圖7所示。

圖7 TVS管防浪涌原理圖

電路正常工作狀態(tài)下TVS為高阻態(tài),靜態(tài)功耗可忽略不計。當(dāng)電路中出現(xiàn)幅度較大的浪涌感應(yīng)電壓時,TVS管反向?qū)?二極管由高阻態(tài)變?yōu)榈妥钁B(tài),將電壓鉗位在預(yù)定水平以達到保護后端電路的效果。為了提高抗浪涌能力,一般會在后端電路設(shè)計信號延時或釋放電路,通過延時動作避開浪涌電流的瞬間觸發(fā)信號,避免RCD誤動作?？估擞繘_擊能力的方案效果對比如表3所示。在RCD互感器二次側(cè)的線路前端并聯(lián)TVS管可以滿足3 kA(8/20 μs)浪涌不脫扣,如果希望更高的防浪涌誤脫扣能力,可以增加漏電保護特性延時功能設(shè)計。

表3 抗浪涌沖擊能力的方案效果對比

4 結(jié) 語

電動汽車的興起,使傳統(tǒng)的RCD難以滿足充電樁的用電安全保護與可靠性需求,結(jié)合應(yīng)用環(huán)境與負載特點,提出需在現(xiàn)有RCD的基礎(chǔ)上開發(fā)能適應(yīng)較大溫差變化并具備較強抗浪涌電流沖擊的RCD,同時應(yīng)根據(jù)不同的充電模式對RCD合理選型,并提供現(xiàn)有的解決思路供低壓電器設(shè)計者參考。