作者：Jens Wallmann

　　电动汽车 (EV) 高压电池的频繁充电意味着对充电电缆和连接器的机械应力要求较高。如果绝缘破损、带电金属部件暴露，或者车载电子设备中出现分流器，则电动汽车用户体内可能会出现危及生命的剩余电流。特别有问题的是交流敏感型 A 型剩余电流装置 (RCD) 无法检测到的各种直流剩余电流形式。

　　为了防止触电事故，电动汽车供电设备 (EVSE) 制造商必须将 RCD 集成到其电力电子产品中，在几毫安 (mA) 的交流和直流剩余电流下，该产品可在几毫秒内跳闸。

　　本文介绍了剩余电流的形式、如何测量它们以及在充电电路中安装 RCD 的位置。然后介绍了Littelfuse的剩余电流监视器 (RCM) ，系统设计人员可以使用该监视器以经济高效的方式在其 EVSE 设备中添加针对直流电击的保护。本文还演示了这些电流传感器适合哪些电动汽车充电模式以及如何使用它们。

　　EV充电电路中的残余电流

　　在高达 400 伏交流电压和 1000 伏直流电压下为电动汽车充电，电动汽车用户在操作充电设备时需要采取广泛的保护措施。由于充电站和车载充电机的谐波丰富且不对称的开关脉冲，以及数百伏的直流母线电压，通过分流、耦合效应、绝缘故障和漏电故障，可能会产生各种类型的交直流剩余电流。

　　整流器、开关转换器、变频器以及逆变器和相角控制系统等电力电子电路具有各种各样的负载电流特性。产生的潜在残余电流可分为正弦交流、脉冲直流和直流直流。这些残余电流形式对人类是危险的。表 1 显示了各种电路拓扑的典型负载电流信号以及由此产生的剩余电流波形。第 1 至 3 列指定适合检测的 RCD 类型。

　　表 1：根据最合适的 RCD 类型，故障电流形式及其检测(第 1 至 3 列)。 (图片来源：维基百科)

　　对剩余电流波形的深入了解可以帮助电动汽车维修店和电工追踪电动汽车板电子设备、EVSE 或充电站中的剩余电流。

　　RCD类型的脱扣特性

　　一般来说，电气装置上的个人防触电保护由 IEC 60479 和 UL 943 规定。这两个标准都定义了跳闸时 6、30、100、300、500 和 1000 mA 范围内的显着交流和直流剩余电流范围从 20 到 500 毫秒。 EV 充电电路中常见的跳闸阈值是 6 mA DC 和 30 mA AC。

　　系统设计人员现在可以通过选择适当标准的 RCD 类型，轻松地在充电电路中实现特定的个人保护要求。表 2 列出了不同 RCD 或接地故障断路器 (GFCI) 类型的剩余电流形式和跳闸容限。

　　表 2：不同 GFCI 或 RCD 类型的跳闸特性。 (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。还必须考虑车载充电器或电池管理系统中可能出现的大范围直流剩余电流。

　　因此，IEC 62196 标准定义了两种剩余电流保护选项：使用 B 型(或 B+ 型)全电流敏感 RCD，或根据 IEC 62955 将 A 型 RCD 与剩余直流监控系统结合使用其中 I Δn DC ≥ 6 mA。直流故障电流监控可以布置在壁箱中、建筑物电气装置中或同时布置在这两个位置。

　　由于建筑电气系统中通常存在交流敏感型 A 型或 F 型 RCD，因此设计人员可以经济高效地向模式 3 壁箱或充电站以及电缆内控制添加 6 mA 剩余直流监控模式 2 充电电缆盒 (ICCB)(图 1，案例 2 和 3)。

　　图 1：EVSE 设备必须在交流敏感型 A 型 RCD 下游添加一个直流 RCM(情况 2)，或者通过 B 型 RCD 直接连接到交流电源(情况 4)。 (图片来源：goingelectric.de)

　　电动汽车的充电模式

　　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安装的充电技术。在欧洲，电能可以通过单相交流电(230 伏/3.6 千瓦 (kW)、三相交流电(400 伏/22 千瓦)或通过高压直流充电站(高达1000 伏直流电/500 kW)。图 2 说明了 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图示。 (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，电动或混合动力汽车使用简单的无源电缆连接到标准 230 伏家用插座，并通过车载充电器以最大 3.6 kW 的低功率充电。这种充电场景无法为用户提供足够的残余直流保护。通常，建筑物的电气系统中仅安装对交流敏感的 A 型 RCD。

　　模式 2 (通过 ICCB 充电电缆进行单相/三相交流充电，功率高达 22 kW)

　　配备 2 型车辆插头的模式 2 充电电缆包含 ICCB，在使用家用和三相插座为电动汽车充电时执行安全和通信功能，以防止过载。

　　ICCB 必须集成以下保护功能：

　　极性确定和保护导体(PC)监测;中性线和 PC 之间只允许有几欧姆的环路阻抗。

　　测试PC与金属体之间的电气连接。

　　交直流剩余电流断路器可防止电流事故。

　　出现异常情况时监控/关闭充电过程(例如，由于插头触点腐蚀或电缆断裂而导致电流波动)。

　　监控 ICCB 和两个插头内部的温度，并在必要时执行关闭操作。

　　充电功率控制：控制导频 (CP) 线上的下拉电阻向壁箱和 EV 发送电缆额定电流负载信号;充电控制 (CC) 线上的脉宽调制 (PWM) 信号向 EV 发出壁盒充电功率能力的信号。

　　模式 3 (通过壁箱进行单相/三相交流充电，功率高达 22 kW)

　　对于电动汽车充电，无源模式 3 电缆连接到私人家庭的壁箱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 500 kW)

　　与模式 2 和模式 3 相比，用于电动汽车的直流大功率充电站 (DC/HPC) 可提供明显更高的充电电流。该增压器实现了残余交流和直流电冲击保护;不同的充电线始终连接牢固。

　　测量 EVSE 电路中的交流和直流故障电流

　　RCM 属于Littelfuse Inc. 的RCM14 系列，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开(切断继电器)。相比之下，RCD 和漏电断路器 (RCCB) 具有集成的切断继电器。

　　使用感应电流互感器 (CT) 检测交流剩余电流。为此，电流前向导体 (I L ) 和电流返回导体 (I N ) 通过软磁环形铁芯馈送，导致两个电流矢量通常相互补偿并加起来为零。如果故障电流 (I g ) 在探测器后面的电路中通过人体流入接地电位，则 RCM 或 GFCI 总电流将不同于零，断路器将跳闸(图 3)。

　　图 3：如果故障电流 (I g ) 通过人体流入地电位，则 GFCI 总电流不为零，断路器跳闸。 (图片来源：Littelfuse)

　　通过将磁通门磁力计探头集成到环形铁心的槽中，并通过补偿线圈将磁通量补偿为零，CT还可以检测差分直流。该方法比霍尔效应传感器或分流电阻器更准确，可在高达 500 安培 (A) 的重直流负载电流下检测 6 mA 的微小直流故障电流。

　　具有隔离开关控制输出的 RCM

　　Littelfuse 的 RCM14 系列非常适合用于 EV(模式 2)和 EV 充电站(模式 3)的 ICCB 充电电缆。它们提供三种剩余电流检测选项，符合 IEC 62752(模式 2)、IEC 62752(模式 3)和 UL 2231 标准。

　　每个 RCM 都有 1 个运行 LED 和 1 个故障 LED。四引脚 JST 连接器简化了安装：引脚 1 和 2 用于 12 伏电源，引脚 3 用于外部功能测试，引脚 4 是开漏开关输出，用于驱动外部隔离开关(例如切断器)继电器，电流高达 100 mA，电压高达 24 V(最大值)(图 4)。

　　图 4：RCM14 系列模块具有两个状态 LED，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装置中的交流和/或直流剩余电流。单相操作将负载电流限制为 100 A，而三相操作为 40 A。它们可以处理高达 3000 A 的负载电流脉冲。

　　RCM14-01：6 mA DC RCM 模块，符合 IEC 62955，14 毫米 (mm) 孔径

　　RCM14-01 剩余电流监视器可检测 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)而开发，可在直流故障电流 ≥ 6 mA 时中断电动汽车的充电电路。该探测器以经济高效且简单的方式为建筑物电气系统现有的 A 型和 F 型 RCD 添加了直流剩余电流监测功能(图 5)。

　　图 5：RCM14-01 为建筑电气系统中的交流敏感 A 型 RCD 添加了对直流剩余电流 ≥ 6 mA 的监控。 (图片来源：Littelfuse、Western Automation)

　　RCM14-03：6 mA DC/30 mA AC RCM 模块，符合 IEC 62752，14 mm 孔径

　　RCM14-03 适用于充电模式 2 下电动汽车的 ICCB 或集成保护装置，以在发生交流或直流故障时中断电动汽车的供电。

　　RCM14-04：56 mA DC/20 mA AC RCM 模块，符合 UL 2231-2，14 mm 孔径

　　RCM14-04 模块可检测 60 赫兹 (Hz) 交流安装中的交流和直流故障电流。它设计用于充电电路中断装置 (CCID) 电动汽车充电站应用，在出现交流和/或直流剩余电流情况时，它会中断电动汽车的供电。

　　为了集成到更大的设备电路中，以下 RCM 模块也可用作开放框架系统：

　　RCM14-01_SYS_V，RCM14-01_SYS_H

　　RCM14-03_SYS_V，RCM14-03_SYS_H

　　RCM14-04_SYS

　　每个系统均由可焊接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 模块是开放式系统，由传感器印刷电路板和电流互感器组成。 (图片来源：Littelfuse、Western Automation)

　　结论

　　交流敏感 A 型 RCD 是建筑电气系统中的常见安装标准，但它们无法防止电动汽车充电电路中的直流剩余电流危险。如图所示，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)所需的直流剩余电流监测。仅具有四个连接引脚，系统设计人员可以轻松且经济高效地在其 EVSE 中实施紧凑型 RCM 模块或开放式框架系统。