电动汽车充电桩中漏电流保护方法的选择

一、漏电流的产生分类

一般漏电流分为四种，分别为:半导体元件漏电流、电源漏电流、电容漏电流和滤波器漏电流

1、半导体原件漏电流

PN结在截止时流过的很微小的电流。D-S正向偏置，G-S反向偏置，导电沟道打开后，D到S才会有电流流过。但实际上由于自由电子的存在，自由电子的附着在SIO2和N+、导致D-S有漏电流。

 
图1.1.1  带IGBT开关逆变中的漏电流

2、电源漏电流

开关电源中为了减少干扰，按照国标，必须设有EMI滤波器电路。由于EMI电路的关系，使得在开关电源在接上市电后对地有一个微小的电流，这就是漏电流。如果不接地，计算机的外壳会对地带有110伏电压，用手摸会有麻的感觉，同时对计算机工作也会造成影响。

3、电容漏电流

电容介质不可能绝对不导电，当电容加上直流电压时，电容器会有漏电流产生。若漏电流太大，电容器就会发热损坏。除电解电容外，其他电容器的漏电流是极小的，故用绝缘电阻参数来表示其绝缘性能;而电解电容因漏电较大，故用漏电流表示其绝缘性能(与容量成正比)。

对电容器施加额定直流工作电压将观察到充电电流的变化开始很大，随着时间而下降，到某一终值时达到较稳定状态这一终值电流称为漏电流。i=kcu(μa);其中k值为漏电流常数，单位为μa(v·μf)

 
图1.3.1 电源Y电容、EMI及漏电流之间的三角关系

4、滤波器漏电流

电源滤波器漏电流定义为:在额定交流电压下滤波器外壳到交流进线任意端的电流。

如果滤波器的所有端口与外壳之间是完全绝缘的，则漏电流的值主要取决于共模电容CY的漏电流，即主要取决于CY的容量。

由于滤波器漏电流的大小，涉及到人身安全，国际上各国对它都有严格的标准规定，对于是220V/50Hz交流电网供电，一般要求噪声滤波器的漏电流小于1mA。

 
图1.4.1 电磁兼容滤波器中的漏电流

二、系统漏电检测原理

大多数技术人员对接地故障电流检测的GFCI传感器非常熟悉，其检测原理如下图：

 
图2.1.1

一个三相系统，芯片式RCMU（漏电流监控单元）被放置在母线上，最重要的是三根母线都随机穿过RCMU的中间线孔。图示系统没有中线，是三相三线交流系统。如果是三相四线的系统，若中线上不走电流，中线也可不必穿过RCMU。假设一个连接到一个480 / 277vac系统10A负载，RCMU将同时测量它。根据基尔霍夫定律，传入和传出的电流会互相抵消。三根母线的电流矢量和应该为零。从图中可知，不考虑方向的情况下：10A - 5A - 4A = 1A，也就是此事该系统线路上的漏电流值为1A。RCMU基于芯片式的设计原理，与无源的互感器区别是：对于不同的漏电成分都能够检测，属于Type-B RCMU。说到这里，简单的回顾下漏电流类型。

1）AC 型漏电保护器：
AC 型漏电保护器是针对工频正弦漏电电流研发设计的，对突然施加及缓慢上升的正弦漏电电流都能可靠保护。

2）A 型漏电保护器：
A 型漏电保护器除对正弦漏电信号能够可靠保护外，还能对含有脉动直流分量的漏电信号进行可靠保护。

3）B 型漏电保护器：
B型漏电保护器对正弦交流信号、脉动直流信号和平滑信号都能可靠保护

三、电动汽车充电桩中的漏电流保护应用

1、电动汽车充电桩一共有4种模式：

1）模式一：

 
图 3.1.1

•充电不受控制
•电源接口：普通电源插座
•充电接口：专用充电接口
•In≤8A；Un:AC 230，400V
•电源侧提供相线、中性线和接地保护的导体

电气安全依赖供电电网的安全保护，安全性差，GB/T 18487.1-2标准中予以淘汰

2）模式二：

 
图 3.1.2

•充电不受控制
•电源接口：普通电源插座
•充电接口：专用充电接口
•In<16A；Un:AC 230
•功率与电流：2Kw（1.8Kw）8A 1Ph；3.3Kw（2.8Kw）13A 1Ph
•接地保护，过流（超温）
•电源侧提供相线、中性线和接地保护的导体
•带保护装置/控制的功能

电气安全依靠供电电网的安全基本保护和IC-CPD的保护

3）模式三：

 
图 3.1.3 连接方式B

 
图 3.1.4 连接方式C

•输入电源：低压交流电
•充电接口：专用充电接口
•In<63A；Un:AC 230,400V
•功率与电流3.3Kw 16A 1Ph；7Kw 32A 1Ph；40Kw 63A 3Ph
•接地保护过流
•电源侧提供相线、中性线和接地保护的导体
•带保护装置/控制的功能，插头集成在充电桩上
电气安全基于专用充电桩及桩-车之间的引导检测

4）模式四：

 
图 3.1.5

 
图 3.1.6

控制充电

•站桩式充电机
•功率15KW,30KW,45KW,180KW,240KW,360KW（充电电压和电流依赖于模块大小）
•带监测保护装置/控制的功能集成到桩上
•内置的充电站充电电缆

如图3.1.7四种充电模式中的漏电流保护点：

 
图3.1.7

2、针对充电桩中的结构区分为：

1）模块式的漏电保护设计方法

举例讨论模式二的充电桩，也称之为IC-CPD（线上充电引导盒）和模式三的漏电保护应用，实物如图3.2.1

 
图3.2.1

根据目前IEC62752的漏电保护要求，其可设采用Type A模块+直流6mA的模块来或者直接Type B漏电流传感器进行保护。对于模式二IC-CPD的设计体积要求，目前基本上都采用Type B的RCMU进行设计。如图3.2.2 MAGTRON Type B的RCMU设计应用方案

 
图3.2.2

对于模式三交流桩，针对功率小的单相桩，同样可以采用模块式Type B型的漏电流传感器进行保护，其效果等同于B型RCCB。如图3.2.3

 
图3.2.3

2）RCD断路器保护设计方法

对于功率较大的充电桩，模块式的漏电流传感器满足不了原边母线上的大电流电通过，由于大功率桩内体积相比要求不高，可以直接选用B型的RCCB进行保护如图3.2.4。但是，目前普遍的B型RCCB成本相对较高，也可以暂时选用Type A/Type F＋DC 6mA的模式如图3.2.5进行保护。

 
图3.2.4

 
图3.2.5

这里借鉴本人之前的文章重新回顾RCD的分类和选型

四、RCD的分类

1、根据级数和电流回路数分
    单级两个电流回路、二级、三级、三级四个电流回路、四级RCD
2、RCD按防误动作性能有如下分类
     正常耐误脱扣能力的RCD（一般型）
     增强耐误脱扣能力的RCD（S型）
3、根据（出现剩余电流时）延时分
      无延时的RCD
      有延时的RCD
4、根据有直流分量的工作状况分
      AC型RCD
      A型RCD
5、单相220V电路，选用2P或1P+N型

 
图 5.1.1

6、三相三线制380V电源供电的电气设备，选用三级三线制（3P）RCD

 
图 6.1.1

3P型RCD只能用于无中性线的三相三线配电系统中

7、三相四线制380V电电源的电气设备，或单项设备和三相设备公用的电路，应选用三极四线制（3P+N），或四极四线制（4P）的RCD

总而言之，电动汽车充电桩中最终的保护方式都将严格执行Type B型的保护要求。