Používání monitorů reziduálního proudu k zajištění elektrické bezpečnosti při nabíjení elektromobilů

Časté nabíjení vysokonapěťové baterie elektromobilů („electric vehicle“, EV) znamená vysoké požadavky na mechanické namáhání nabíjecích kabelů a konektorů. Pokud dojde k porušení izolace a obnažení živých kovových částí nebo v palubní elektronice dojde ke zkratu, mohou se v těle uživatele elektromobilu vyskytnout životu nebezpečné reziduální proudy. Obzvláště problematické jsou různé formy stejnosměrného reziduálního proudu, které nelze detekovat proudovými chrániči („residual current device“, RCD) typu A citlivými na střídavý proud.

K tomu, aby se předešlo úrazům elektrickým proudem, musí výrobci napájecích zařízení elektromobilů („EV supply equipment“, EVSE) do svých produktů výkonové elektroniky začlenit proudové chrániče, které se vypínají během několika milisekund při střídavém i stejnosměrném reziduálním proudu o velikosti několika miliampérů.

V tomto článku jsou vysvětleny formy reziduálních proudů, jak je měřit a kam v nabíjecím obvodu proudové chrániče nainstalovat. Poté jsou zde představeny monitory reziduálního proudu („residual current monitor“, RCM) od společnosti Littelfuse, které mohou konstruktéři systémů použít k přidání ochrany proti úrazu stejnosměrným elektrickým proudem do svých zařízení EVSE nákladově a časově efektivním způsobem. V článku je také ukázáno, pro jaké režimy nabíjení EV jsou tyto snímače proudu vhodné a jak se používají.

Reziduální proudy v nabíjecím obvodu EV

Nabíjení elektromobilů při napětí až 400 V AC a 1 000 V DC vyžaduje rozsáhlá ochranná opatření pro uživatele elektromobilu při manipulaci s nabíjecím zařízením. V důsledku bohatých harmonických a asymetrických spínacích impulzů nabíjecích stanic a palubních nabíječek a také několika set voltů napětí DC-Link se mohou vyskytovat různé typy střídavých a stejnosměrných reziduálních proudů prostřednictvím zkratů, vazebních efektů, poruch izolace a poruch v podobě úniků.

Výkonové elektronické obvody, jako jsou usměrňovače, spínací převodníky, frekvenční měniče spolu s měniči a systémy řízení fázového úhlu, mají širokou škálu charakteristik zatěžovacího proudu. Výsledné potenciální reziduální proudy jsou kategorizovány jako sinusové střídavé, pulzní stejnosměrné a přímé stejnosměrné. Tyto formy reziduálního proudu jsou pro člověka nebezpečné. V tabulce 1 jsou uvedeny typické signály zatěžovacího proudu různých topologií obvodů a výsledné průběhy reziduálního proudu. Ve sloupcích 1 až 3 jsou jim přiřazeny typy proudových chráničů vhodné k detekci.

Tabulka 1: Formy poruchových proudů a jejich detekce podle typu proudového chrániče, který je nejvhodnější (sloupce 1 až 3). (Zdroj obrázku: web Wikipedia)

Dobrá znalost průběhů reziduálního proudu může pomoci servisům elektromobilů a elektrikářům při sledování reziduálních proudů v palubní elektronice elektromobilů, EVSE nebo v nabíjecích stanicích.

Vypínací charakteristiky typů proudových chráničů

Obecně je ochrana osob před úrazem elektrickým proudem na elektrických instalacích regulována normami IEC 60479 a UL 943. Obě normy definují významné střídavé a stejnosměrné reziduální proudy v rozsahu 6, 30, 100, 300, 500 a 1 000 mA při vypínací době v rozmezí od 20 do 500 ms. Běžné vypínací prahové hodnoty v nabíjecím obvodu EV jsou 6 mA DC a 30 mA AC.

Konstruktéři systémů mohou nyní snadno implementovat specifické požadavky na osobní ochranu v nabíjecím obvodu výběrem typu proudového chrániče příslušné normy. V tabulce 2 jsou uvedeny formy reziduálního proudu a tolerance vypnutí různých typů proudových chráničů nebo vypínačů zemních poruchových proudů („ground fault circuit interrupter“, GFCI).

Tabulka 2: Vypínací charakteristiky různých typů vypínačů zemních poruchových proudů nebo proudových chráničů. (Zdroj tabulky: web abb.com)

Instalace proudových chráničů do nabíjecích obvodů elektromobilů

Proudové chrániče typu A nebo typu F detekují pouze střídavý reziduální proud a stejnosměrný pulzní proud, což je pro ochranu nabíjecího obvodu elektromobilu nedostatečné. Je třeba vzít v úvahu také široký rozsah přímých stejnosměrných reziduálních proudů, které se mohou vyskytnout v palubní nabíječce nebo v systému správy baterie.

V normě IEC 62196 jsou proto definovány dvě možnosti ochrany proti reziduálnímu proudu: použití proudového chrániče typu B (nebo typu B+) citlivého na všechny proudy nebo proudového chrániče typu A ve spojení se systémem monitorování reziduálního stejnosměrného proudu podle normy IEC 62955 s I_Δn DC ≥ 6 mA. Monitorování stejnosměrného poruchového proudu může být umístěno v nástěnné skříňce, v elektroinstalaci budovy nebo na obou místech.

Vzhledem k tomu, že v elektrických systémech budov se obvykle nachází proudový chránič typu A citlivý na střídavý proud nebo typu F, mohou konstruktéři do nástěnných skříněk nebo nabíjecích stanic v režimu 3 a také do kabelových řídicích skříněk („in-cable control boxes“, ICCB) kabelů režimu nabíjení 2 (obrázek 1, případy 2 a 3) přidat cenově výhodně monitorování reziduálního stejnosměrného proudu 6 mA.

Obrázek 1: Zařízení EVSE musí mít přidán monitor stejnosměrného reziduálního proudu za proudový chránič typu A citlivý na střídavý proud (případ 2), nebo jej mít připojený k síťovému střídavému napájení přímo přes proudový chránič typu B (případ 4). (Zdroj obrázku: web goingelectric.de)

Režimy nabíjení elektromobilů

Baterii elektromobilu lze nabíjet pomocí různých režimů nabíjení v závislosti na dostupném elektrickém připojení na místě, připojovací zástrčce, nabíjecím kabelu a nabíjecí technologii instalované ve vozidle a také v nabíjecí stanici. V Evropě může být elektrická energie do vozidla přiváděna prostřednictvím jednofázového střídavého proudu (230 V / 3,6 kW), třífázového střídavého proudu (400 V / 22 kW) nebo prostřednictvím vysokonapěťových stejnosměrných nabíjecích stanic (až 1 000 V DC / 500 kW). Na obrázku 2 jsou znázorněny čtyři režimy nabíjení definované v normě IEC 61851.

Obrázek 2: Čtyři režimy nabíjení definované v normě IEC 61851. (Zdroj obrázku: web bestchargers.eu)

Režim 1 (jednofázové nabíjení střídavým proudem až 3,6 kW; výchozí režim nabíjení)

V tomto případě se elektrické nebo hybridní vozidlo připojí ke standardní 230voltové zásuvce domácnosti pomocí jednoduchého pasivního kabelu a bude se prostřednictvím palubní nabíječky nabíjet nízkým výkonem maximálně 3,6 kW. Tento scénář nabíjení neposkytuje uživateli dostatečnou ochranu před reziduálním stejnosměrným proudem. Obvykle je v elektrickém systému budovy instalován pouze proudový chránič typu A citlivý na střídavý proud.

Režim 2 (jednofázové/třífázové nabíjení střídavým proudem až 22 kW prostřednictvím nabíjecího kabelu ICCB)

Nabíjecí kabel pro režim 2 vybavený zástrčkou pro vozidla typu 2 obsahuje ICCB, která při nabíjení elektromobilů pomocí domovních a třífázových zásuvek plní bezpečnostní a komunikační funkce, aby se zabránilo jejich přetížení.

Následující ochranné funkce musí být s ICCB integrovány:

• Stanovení polarity a monitorování ochranného vodiče („protective conductor“, PC); mezi nulovým a ochranným vodičem je povoleno pouze několik ohmů impedance smyčky
• Testování elektrického spojení mezi ochranným vodičem a kovovým tělem
• Jistič střídavého a stejnosměrného proudu zabraňující nehodám souvisejícím s proudem
• Monitorování/vypínání procesu nabíjení v případě anomálií (například kolísání proudu v důsledku zkorodovaných kontaktů zástrčky nebo přerušení kabelu)
• Monitorování teploty uvnitř ICCB a obou zástrček a v případě potřeby vypnutí
• Řízení nabíjecího výkonu: pull-down rezistory na vodiči řídicího signálu („control pilot“, CP), které signalizují jmenovitý zatěžovací proud kabelu jak do nástěnné skříňky, tak do elektromobilu; signál pulzně šířkové modulace („pulse width modulation“, PWM) na vodiči řízení nabíjení („charging control“, CC), který do elektromobilu signalizuje kapacitu nabíjecího výkonu nástěnné skříňky.

Režim 3 (jednofázové/třífázové nabíjení střídavým proudem až 22 kW prostřednictvím nástěnné skříňky)

Pro nabíjení elektromobilů je pasivní kabel režimu 3 připojen k nástěnné skříňce v domácnostech nebo k veřejné nabíjecí stanici se střídavým proudem na parkovištích. Obě mají integrované stejné ochranné funkce jako výše uvedená ICCB.

Režim 4 (přímé stejnosměrné rychlé nabíjení baterie až 500 kW)

Vysoce výkonné nabíjecí stanice se stejnosměrným proudem („DC high-power charger“, DC/HPC) pro elektromobily poskytují ve srovnání s režimem 2 a režimem 3 výrazně vyšší nabíjecí proudy. V této supernabíječce je implementována ochrana před úrazem z reziduálního střídavého a stejnosměrného proudu. Různé nabíjecí kabely jsou vždy pevně připojeny.

Měření střídavých a stejnosměrných poruchových proudů v obvodu EVSE

Monitory reziduálního proudu řady RCM14 od společnosti Littelfuse Inc. detekují stejnosměrné anebo střídavé reziduální proudy ve střídavých nebo stejnosměrných systémech a poskytují výstupní signál pro ovládání externího odpojení (odpojovacího relé). Naproti tomu proudové chrániče a jističe reziduálního proudu („residual current circuit breaker“, RCCB) mají integrované odpojovací relé.

Střídavé reziduální proudy jsou detekovány pomocí indukčního transformátoru proudu („current transformer“, CT). Za tímto účelem jsou dopředný proudový vodič (I_L) a zpětný proudový vodič (I_N) přiváděny přes měkké magnetické toroidní jádro, což způsobuje, že se oba proudové vektory normálně vzájemně kompenzují a sčítají se do nuly. Pokud v obvodu za detektorem proudí do potenciálu země přes lidské tělo poruchový proud (I_G), celkový proud monitoru reziduálního proudu nebo vypínače zemních poruchových proudů se liší od nuly a jistič vypne (obrázek 3).

Obrázek 3: Pokud do potenciálu země proudí přes lidské tělo poruchový proud (I_G), celkový proud vypínače zemních poruchových proudů se liší od nuly a jistič vypne. (Zdroj obrázku: společnost Littelfuse)

Integrací sondy magnetometru fluxgate do štěrbiny toroidního jádra a kompenzací magnetického toku na nulu pomocí kompenzační cívky může transformátor proudu také detekovat diferenciální stejnosměrný proud. Tato metoda je přesnější než senzory s Hallovým efektem nebo bočníky a při velkých stejnosměrných zatěžovacích proudech až 500 A detekuje nepatrné stejnosměrné poruchové proudy od 6 mA.

Monitory reziduálního proudu s řídicím výstupem pro odpojovač

Řada RCM14 společnosti Littelfuse je ideální pro použití v nabíjecích kabelech ICCB pro elektromobily (režim 2) a nabíjecí stanice elektromobilů (režim 3). Proudové chrániče jsou v souladu s normami IEC 62752 (režim 2), IEC 62955 (režim 3) a UL 2231 k dispozici ve třech možnostech detekce reziduálního proudu.

Každý modul RCM má jednu provozní LED diodu a jednu chybovou LED diodu. Montáž zjednodušuje čtyřpinový konektor JST: Piny 1 a 2 jsou pro 12voltový napájecí zdroj, pin 3 je pro externí testování funkce a pin 4 je spínací výstup typu open-drain pro ovládání externího odpojovače, jako je odpojovací relé, až do 100 mA a 24 V (maximum) (obrázek 4).

Obrázek 4: Moduly řady RCM14 mají dvě stavové LED diody a lze je snadno připojit pomocí čtyřpinového konektoru JST. (Zdroj obrázku: společnost Littelfuse)

Tyto aktivní monitory reziduálního proudu lze také použít k detekci střídavého anebo stejnosměrného reziduálního proudu v jednofázových nebo vícefázových stejnosměrných instalacích. Jednofázový provoz omezuje zatěžovací proud na 100 A, zatímco třífázový provoz na 40 A. Monitory zvládají pulzy zatěžovacího proudu až do 3 000 A.

RCM14-01: modul RCM 6 mA DC podle normy IEC 62955, apertura 14 mm

Monitor reziduálního proudu RCM14-01 detekuje stejnosměrné poruchové proudy v systémech střídavého proudu 50 Hz / 60 Hz. Je vyvinut pro použití v nabíjecích stanicích režimu 3 pro elektromobily (norma IEC 62955) k přerušení nabíjecího obvodu elektromobilu v případě stejnosměrného poruchového proudu ≥ 6 mA. Tento detektor přidává ke stávajícím proudovým chráničům typu A a typu F v elektrickém systému budov nákladově efektivním a jednoduchým způsobem funkci monitorování stejnosměrného reziduálního proudu (obrázek 5).

Obrázek 5: Modul RCM14-01 přidává k proudovým chráničům typu A citlivým na střídavý proud v elektrických systémech budov monitorování stejnosměrného reziduálního proudu ≥ 6 mA. (Zdroj obrázku: společnosti Littelfuse, Western Automation)

RCM14-03: modul RCM 6 mA DC / 30 mA AC podle normy IEC 62752, apertura 14 mm

Monitor reziduálního proudu RCM14-03 je určen k použití v ICCB nebo integrovaných ochranných zařízeních pro elektromobily v režimu nabíjení 2 k přerušení napájení elektromobilů v případě poruchy střídavého nebo stejnosměrného proudu.

RCM14-04: modul RCM 56 mA DC / 20 mA AC podle normy UL 2231-2, apertura 14 mm

Monitor reziduálního proudu RCM14-04 detekuje střídavé a stejnosměrné poruchové proudy v 60hertzových instalacích střídavého proudu. Je navržen pro použití v aplikacích nabíjecích stanic elektromobilů s přerušovacím zařízením nabíjecího obvodu („Charging Circuit Interrupting Device“, CCID), kde přeruší napájení elektromobilu v případě střídavého anebo stejnosměrného reziduálního proudu.

RCM20-01: RCM20-01 je monitor reziduálního proudu určený k detekci stejnosměrného reziduálního proudu v instalacích střídavého proudu 50 Hz / 60 Hz. Je určen pro nabíjecí stanice pro elektromobily v režimu 3 k odpojení napájení elektromobilu v případě stejnosměrného reziduálního poruchového proudu. Výrobek je zcela v souladu s normou IEC 62955.

RCM20-03: RCM20-03 je monitor reziduálního proudu určený k detekci stejnosměrného a střídavého reziduálního proudu v instalacích střídavého proudu 50 Hz / 60 Hz. Je určen pro nabíjecí stanice pro elektromobily v režimu 2 k odpojení napájení elektromobilu v případě stejnosměrného a střídavého poruchového proudu. Produkt je zcela v souladu s normou IEC 62752 a lze jej také použít pro aplikace dle normy IEC 62955, kde je vyžadována detekce poruchy střídavého proudu 30 mA.

K integraci do většího obvodu zařízení jsou následující moduly RCM dostupné také jako systémy s otevřeným rámcem:

• RCM14-01_SYS_V, RCM14-01_SYS_H
• RCM14-03_SYS_V, RCM14-03_SYS_H
• RCM14-04_SYS

Jednotlivé systémy se skládají z pájecí desky plošných spojů senzoru a samostatného transformátoru proudu (obrázek 6).

Obrázek 6: Moduly RCM14-04_SYS jsou systémy s otevřeným rámcem skládající se z desky plošných spojů senzoru a transformátoru proudu. (Zdroj obrázku: společnosti Littelfuse, Western Automation)

Závěr

Proudové chrániče typu A citlivé na střídavý proud jsou běžnými instalačními standardy v elektrických systémech budov, ale nemohou chránit před nebezpečím stejnosměrného reziduálního proudu v nabíjecích obvodech elektromobilů. Jak je uvedeno, řada RCM14 může provádět monitorování stejnosměrného reziduálního proudu požadované v nabíjecích kabelech ICCB (režim 2) a nabíjecích stanicích elektromobilů (režim 3). Díky pouze čtyřem připojovacím pinům mohou konstruktéři systému ve svém EVSE snadno a levně implementovat kompaktní modul RCM nebo systém s otevřeným rámcem.