小型剩余电流动作断路器在充电桩中的应用探讨

朱 俊, 邵江华, 任吉利

(浙江正泰电器股份有限公司, 浙江 温州 325603)

0 引 言

随着“双碳”目标的正向引导及电动汽车给大众带来的良好体验,配套的充电桩规模也随着电动汽车的爆发式增长快速扩大。充电桩作为向电动汽车提供能源的新兴电力装置,其应用环境相对复杂恶劣、系统内的电流具有一定的特殊性,其使用过程中的安全性、可靠性问题应得到重视。带过电流保护的剩余电流动作断路器同时具有剩余电流动作保护、过载和短路保护功能,成为充电桩电源控制模块的配套首选,尤其是小型电磁式带过电流保护的剩余电流动作断路器(RCD)因能较大程度地释放空间及无源工作模式受到市场青睐。为保障用户的生命财产安全及良好的体验,RCD在应用于充电桩的场景中时,在制造商设计及用户选型的过程中有几点需要引起大家的关注,以实现过电流保护的可靠性、抗浪涌电流冲击的误动作能力及剩余电流保护的灵敏性。

1 过载保护可靠性

充电桩的防护等级较高,在户外须达到IP54的要求,密封的环境对功率件的散热极为不利。同时,户外环境温差较大,南方的户外存在高于40 ℃的环境温度,在北方户外存在低于-25 ℃的环境温度,这对传统的采用热效应驱动的过电流保护原理提出了挑战。

根据国家标准GB/T 16917.1—2014《家用和类似用途的带过流保护的剩余电流动作断路器》中关于时间-电流动作特性试验要求,在基准温度(30～35 ℃)环境下对所有极通以1.13In的电流至约定时间t1(额定电流In≤63 A,t1≤1 h;额定电流In>63 A,t1≤2 h),RCD不应脱扣;紧接着在5 s内把电流稳定地升至1.45In,RCD应在约定的时间内t2脱扣(一般是额定电流In≤63 A,t2≤1 h;额定电流In>63 A,t2≤2 h)[1]。

现有市场上小型RCD的过载保护功能绝大多数基于热双金属元件的热效应原理实现,其保护功能及可靠性与环境温度高度关联。

热双金属的形变计算公式如下:

(1)

式中:K——热双金属的比弯曲;T-T0——基于整定温度的温升;L——热双金属的长度;δ——热双金属的厚度[2]。

由式(1)可知,在热双金属选型确定的情况下,其形变量主要取决于基于整定温度的温升,即RCD应用环境的温度与整定试验室环境温度的差值,在热双金属线性温度范围(上限一般在150～300 ℃)内形变量Δf与温升(T-T0)成正比关系。当应用环境温度过高时,热双金属的形变更容易达到RCD的过载保护触发值,在这种情况下,RCD将出现频繁跳闸的情况进而影响充电桩正常使用及用户体验。

Q/GDW 1233—2014《国家电网电动汽车非车载充电机通用要求》的工作环境温度为-25～50 ℃[3],在非车载充电机满载工作时内部的IP54的密封环境中,断路器所处的环境温度最高可以达到60～70 ℃。以某型号40 A断路器为例,通电时间4 h,不同环境温度下的RCD动作情况如表1所示。可以看出常规产品在高于标准整定的30 ℃情况下,在通入负载电流0.75In～In的情况下存在动作的情况。

表1 不同环境温度下的RCD动作情况

结合公式(1)和表1试验数据可知,随着环境温度增高,动作的电流减小,也会引起RCD误脱扣,影响用户正常使用。在这种情况下,为避免频繁动作,大多数终端用户会要求制造商提供温度补偿系数进行降容使用。在高温或低温环境情况下,通过调整电流的选型规格以满足实际工况的应用需求。额定电流值温度修正系数表如表2所示。为避免高温环境充电桩内RCD频繁动作,可以根据表2所示的额定电流值温度修正系数,选用更大额定电流的RCD进行降容使用。

表2 额定电流值温度修正系数表

无论是采用电流修正降容还是非标温度整定,可以适应某一范围温度的使用,而对其他温度段的保护则会降低准确性,具有一定的局限性。为了实现过载保护的准确性,可以采用电子式的过载保护。相比热双金属片的热效应驱动,电子式过载保护采用电流互感器的电磁感应原理,其动作触发来源于电流的磁效应,可以实现较为精确的过载保护,可较大程度上屏蔽温度对过载保护的影响。

2 合适的剩余电流保护类型

根据剩余电流保护类型可将RCD分为AC型、A型、F型、RDC-MD型、RDC-PD型及B型。

AC型剩余电流保护器:对突然施加或缓慢上升的剩余正弦交流电流进行保护。

A型剩余电流保护器:包含AC型的特性并对脉动直流剩余电流、脉动直流剩余电流叠加6 mA平滑剩余电流进行保护。

F型剩余电流保护器:包含A型的特性、脉动直流剩余电流叠加10 mA平滑剩余电流并对交流复合波剩余电流进行保护。

RDC-MD剩余电流保护器:仅针对突然施加或缓慢上升的6 mA平滑直流进行保护,往往搭配A型剩余电流保护器使用。

RDC-PD型剩余电流保护器:包含RDC-MD型特性和A型的交流、脉动直流特性的剩余电流保护器。

B型剩余电流保护器:包含F型的保护特性,此外,还能对1 000 Hz及以下的正弦交流剩余电流、交流剩余电流叠加平滑直流剩余电流、脉动直流剩余电流叠加平滑剩余电流、两相或多相整流电路产生的脉动直流剩余电流、平滑直流剩余电流进行保护。

GB/T 18487.1—2015《电动汽车传导充电系统—第1部分:通用要求》中关于剩余电流保护器的选型要求,交流供电设备的剩余电流保护器宜采用A型或B型,符合GB/T 14048.2—2020《低压开关设备和控制设备 第2部分:断路器》、GB/T 16916.1—2014《家用和类似用途的不带过电流保护的剩余电流动作断路器(RCCB) 第1部分:一般规则》和GB 22794—2008《家用和类似用途的不带和带过电流保护的B型剩余电流动作断路器(B型RCCB和B型RCBO)》的相关要求[4],但实际需结合充电桩的不同充电模式综合考虑。

充电桩的充电系统分为常规充电和快速充电两种。针对充电系统的充电模式,在GB/T 18487.1—2015《电动汽车传导充电系统—第1部分:通用要求》中明确规定了电动汽车的4种充电模式[4]:

模式一:一种使用标准电缆和插头将电动汽车连接到交流供电电网上的标准插座的方法,无须任何附加设备,其中电源需进行接地的保护。家用安装的标准插座和电缆如图1所示。

图1 家用安装的标准插座和电缆

模式二:一种将电动汽车连接到标准插座的方法,在充电连接时使用了缆上控制和保护装置(IC-CPD),即在标准插头和连接电缆中集成了带电源控制导引功能的装置。可通信便携式AC充电桩如图2所示。

图2 可通信便携式AC充电桩

模式三:电动汽车用专用充电设备连接至交流电网,并且在充电连接时使用了带控制引导功能的装置。可通信固定式AC充电桩如图3所示。

图3 可通信固定式AC充电桩

模式四:将充电设备连接至交流或直流电网时,使用了带控制引导功能的专用直流供电设备。可通信固定式DC充电桩如图4所示。

图4 可通信固定式DC充电桩

在充电模式一中,因标准插座支路的前端存在因未配置剩余电流动作保护器的电击安全风险,在国标GB/T 18487.1—2015《电动汽车传导充电系统—第1部分:通用要求》明确了不应使用模式一对电动汽车进行充电。

为解决模式一潜在的用电风险,模式二进行了风险规避设计,在充电的电缆上串接有控制与保护装置(IC-CPD),属于可通信便携式AC充电桩,能同时执行检测剩余电流,并把该剩余电流与IC-CPD装置中的整定剩余电流值进行比较,当达到触发值时,断开被保护电路。用于不能确保是否已经安装RCD的电气装置,例如通过未知的电气装置对电动汽车充电。GB/T 41589—2022《电动汽车模式2充电的缆上控制与保护装置(IC-CPD)》标准中规定IC-CPD额定剩余电流动作标准最大值为0.03 A,对于正弦交流剩余电流、脉动直流剩余电流和超过6 mA的平滑剩余电流而言[5],无论突然施加或缓慢上升,均能保护,灵敏度高于家用及类似用途的RCD。

模式三是应用最为普遍的家用充电桩或充电盒,即所谓的“慢充充电桩”。交流充电机电路在电磁干扰(EMI)滤波整流与boost电路中间端会产生脉动直流剩余电流,而在柔性印制电路板(FPC)电路与LLC谐振变换器工作过程中会产生波纹很小的直流电。该直流漏电对前级电路和后端电路会产生干扰,影响充电效果,甚至影响蓄电池寿命,宜配置A型RCD+(RDC-MD)剩余电流保护器、RDC-PD型剩余电流保护器或B型RCD。

模式四为直流充电模式,即所谓的“快充充电桩”,多见于加油站、服务区等需满足快速充电的场景。该工作方式中,三相输入端主要为交流电,经AC/DC转换后由交流变为脉动直流,由滤波电路滤波变换为直流电,在此环节若发生漏电,三相交流端会感应出现脉动直流剩余电流,可选用具备脉动剩余电流保护功能的A型剩余电流保护器、F型剩余电流保护器、B型剩余电流保护器或RDC-PD型剩余电流保护器等。目前,国际上就电动汽车的发展已发布IEC TS 63053—2017《直流电(DC)系统剩余电流动作保护器的通用要求》,国内的行业标准NB/T 11214—2003《直流系统用剩余电流装置模块(DC-MRCD)》预计也将于2023年发布。

3 抗浪涌电流的干扰冲击

浪涌电流是指电源接通瞬间或是在电路出现异常情况下产生的远大于稳态电流的峰值电流或过载电流。供电系统浪涌电流的来源分为内部原因(电气设备的起停和故障等)和外部原因(雷电)。当外界雷电在电气回路或者通信线路中产生浪涌电流时,可以采用浪涌保护器(SPD),也叫防雷器,浪涌保护器能在极短的时间内导通并将浪涌电流分流至大地,从而避免回路中的其他支路设备受到损害。

充电桩主要包括供电系统、充电设备及运营与管理系统,其中供电系统主要为充电设备提供电源,主要由一次设备(包括开关、变压器及线路)和二次设备(包括检测、保护、控制装置等)组成,并配备滤波装置[6]。充电桩产生浪涌电流的原因主要是系统内的开关电源为满足抗EMI要求,设计的滤波电路中使用了大容量的滤波电容。滤波电容一般为电解电容,其等效电阻很小。开关电源电路模型如图5所示。由于电容器上的电压不能跃变,在整流模块上电瞬间,等效为整流输出端短路,产生的浪涌电流远高于稳态电流。浪涌电流波形如图6所示。

图5 开关电源电路模型

图6 浪涌电流波形

浪涌电流的大小主要由输入电压大小、开机电压相位和输入电路的串联阻抗等几方面因素决定。一般情况下,较高的输入电压和较低的输入电路串联阻抗会产生相对较高的浪涌电流,而当开关开起时,交流电电压相位正好为90°和270°时,电源电压达到峰值,此时开机,浪涌电流达到最高[7]。

GB/T 16917.1—2014《家用和类似用途的带过电流保护的剩余电流动作断路器(RCBO) 第1部分:一般规则》规定在3 000 A浪涌电流施加在普通型RCBO上允许跳闸[1],施加在延时型RCBO上不允许跳闸。为避免误动作情况,在充电桩场景的开关器件选型时,需要考虑RCD的抗浪涌能力。目前F型、B型等用于复杂电子负载保护的剩余电流动作RCD,相关产品标准已要求抗浪涌能力达到3 000 A及以上,而且施加到RCBO上时不允许跳闸,同样也是基于带大容量滤波电容的开关电源起停瞬间产生的瞬时浪涌电流的考虑。目前,国内充电桩上应用量较大的是A型、AC型剩余电流动作RCD,但产品标准没有相关要求,抗浪涌能力参差不齐,需要引起重视。

充电桩标杆企业(如美国Chargepoint、华为等)均要求用于充电桩电源保护的剩余电流动作RCD能承受3 000 A(8/20 μs)浪涌电流冲击而不脱扣。防浪涌情况下误脱扣的设计思路主要是浪涌信号抑制在信号处理电路前端,将瞬态抑制二极管(TVS)管并接于电路中,用以提供一个电流的额外通路,能够吸收瞬间大电流并钳位电压。TVS管防浪涌原理图如图7所示。

图7 TVS管防浪涌原理图

电路正常工作状态下TVS为高阻态,静态功耗可忽略不计。当电路中出现幅度较大的浪涌感应电压时,TVS管反向导通,二极管由高阻态变为低阻态,将电压钳位在预定水平以达到保护后端电路的效果。为了提高抗浪涌能力,一般会在后端电路设计信号延时或释放电路,通过延时动作避开浪涌电流的瞬间触发信号,避免RCD误动作。抗浪涌冲击能力的方案效果对比如表3所示。在RCD互感器二次侧的线路前端并联TVS管可以满足3 kA(8/20 μs)浪涌不脱扣,如果希望更高的防浪涌误脱扣能力,可以增加漏电保护特性延时功能设计。

表3 抗浪涌冲击能力的方案效果对比

4 结 语

电动汽车的兴起,使传统的RCD难以满足充电桩的用电安全保护与可靠性需求,结合应用环境与负载特点,提出需在现有RCD的基础上开发能适应较大温差变化并具备较强抗浪涌电流冲击的RCD,同时应根据不同的充电模式对RCD合理选型,并提供现有的解决思路供低压电器设计者参考。