淺談電動(dòng)汽車充電中漏電流的選型及充電方案測(cè)試常見問題

單位：浙江巨磁智能技術(shù)有限公司 作者：王冬（Justin）

在能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型背景下，我國(guó)提出了“雙碳”目標(biāo)，對(duì)碳排放進(jìn)行了嚴(yán)格要求。在此影響之下，我國(guó)新能源產(chǎn)業(yè)，尤其是新能源汽車產(chǎn)業(yè)政策持續(xù)利好。再加上國(guó)內(nèi)新能源汽車行業(yè)技術(shù)的進(jìn)步等多重因素影響下，我國(guó)新能源汽車市場(chǎng)規(guī)模得以快速增長(zhǎng)。截止到2021年純電動(dòng)汽車產(chǎn)銷量分別為294.2萬輛和291.6萬輛，同比2016年增速分別高達(dá)630.8%和612.9%。隨著EV新能源汽車的需求增多，與其配套的充電設(shè)施也火熱起來。

圖1： 2016-2021中國(guó)純電動(dòng)汽車產(chǎn)銷量統(tǒng)計(jì)（數(shù)據(jù)來源于：中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)）

圖2： 2016-2021中國(guó)純電動(dòng)汽車產(chǎn)產(chǎn)銷量比例（數(shù)據(jù)來源于：中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì)）

對(duì)使用者而言，充電設(shè)備組件的安全性和可靠性尤為重要。隨著電動(dòng)汽車的暢銷，特別是純電動(dòng)汽車銷量的快速增長(zhǎng)，市場(chǎng)對(duì)于高可靠以及全面防護(hù)的漏電保護(hù)方案的需求也迫在眉睫。

在充電樁的保護(hù)方面，相關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)較早做出了規(guī)定。對(duì)于交流充電樁內(nèi)漏電流保護(hù)器，在標(biāo)準(zhǔn)IEC60364-7-722部分-電動(dòng)車供電里要求：應(yīng)選擇B型或A型30mA動(dòng)作的RCD作為直流接地故障防護(hù)措施（722.531.2條）。

圖3：《IEC 60364》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)條目

同樣我國(guó)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也在逐步升級(jí)，并向國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)看齊。2022-05-01實(shí)施的GB/T40820-2021《電動(dòng)汽車模式3充電用直流剩余電流檢測(cè)電器（RDC-DD）》標(biāo)準(zhǔn)，可作為電動(dòng)汽車充電樁的漏電保護(hù)要求的大致參考。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)的4.1.1部分，應(yīng)用在模式3充電設(shè)備中的漏電檢測(cè)裝置需具有對(duì)6mA直流漏電的監(jiān)測(cè)評(píng)估能力和對(duì)30mA交直流漏電流的保護(hù)功能。

圖4：GB/T40820-2021相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)條目

這里我們明確一下剩余動(dòng)作電流與剩余不動(dòng)作電流之間的關(guān)系，額定剩余動(dòng)作電流I?n定義為RCD在規(guī)定的條件動(dòng)作的剩余電流值。也就是說，當(dāng)電路中的漏電流超過這個(gè)電流值時(shí)，RCD一定會(huì)動(dòng)作（通常是脫扣，斷開電源）。額定剩余不動(dòng)作電流I?no定義為電路中的剩余電流小于等于這個(gè)值時(shí)，RCD在規(guī)定的條件不會(huì)動(dòng)作的剩余電流值。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，I?no=0.5I?n。

圖5：剩余動(dòng)作電流、額定剩余動(dòng)作電流與額定剩余不動(dòng)作電流間的關(guān)系

一、RCD漏電檢測(cè)及保護(hù)類型

RCD漏電檢測(cè)保護(hù)的分類如下表

圖6：RCD漏電檢測(cè)保護(hù)的分類

圖7：不同類型剩余電流波形的表現(xiàn)特征

TYPE-B型漏電流傳感器的工作原理

因?yàn)門YPE-B型剩余電流包含了平滑直流漏電波形（SDC），傳統(tǒng)互感器原理方案的產(chǎn)品（零序互感器）是無法滿足對(duì)type-B型電流的檢測(cè)和保護(hù)的。所以需要另一種檢測(cè)方案來實(shí)現(xiàn)對(duì)包含平滑直流漏電波形的type-B型電流的檢測(cè)。磁通門原理的剩余電流傳感器工作原理如圖8所示。其中，環(huán)形磁芯是由高導(dǎo)磁率的矩形磁滯特性的軟磁材料制成；自適應(yīng)激勵(lì)方波能夠根據(jù)所接收的翻轉(zhuǎn)信號(hào)輸出絕對(duì)值相等極性相反的勵(lì)磁電壓；檢測(cè)控制單元除了判斷勵(lì)磁電流是否到達(dá)閾值外，還要分析勵(lì)磁電壓或勵(lì)磁電流波形等。

圖8：磁通門漏電流傳感器的工作原理

其一般工作過程如下：自適應(yīng)激勵(lì)方波輸出一個(gè)正電壓，此時(shí)勵(lì)磁電流急速上升并達(dá)到正向閾值，磁芯迅速達(dá)到正向飽和；檢測(cè)控制單元輸出翻轉(zhuǎn)信號(hào)，控制自適應(yīng)激勵(lì)方波輸出一個(gè)絕對(duì)值相等的負(fù)電壓，磁芯迅速達(dá)到反向磁飽和，此時(shí)勵(lì)磁電流急速下降并達(dá)到反向閾值，檢測(cè)控制單元輸出翻轉(zhuǎn)信號(hào)，自適應(yīng)激勵(lì)方波輸出電壓反向，如此反復(fù)循環(huán)上述過程。當(dāng)電流矢量之和為零時(shí)，激勵(lì)方波將呈現(xiàn)出周期對(duì)稱的波形。

當(dāng)電流矢量之和不為零時(shí)，剩余電流會(huì)使磁芯預(yù)先磁化。若為正向剩余電流，則達(dá)到正向磁飽和時(shí)間會(huì)提前，而反向飽和時(shí)間會(huì)延長(zhǎng)。這就導(dǎo)致勵(lì)磁電壓波形正負(fù)半周不對(duì)稱，正負(fù)半周的占空比存在差值?；谡伎毡群褪Ｓ嚯娏饔行е甸g的線性關(guān)系，后端MCU的一系列運(yùn)算處理可得出漏電流數(shù)值

圖9：矢量之和不為零的時(shí)勵(lì)磁電壓&勵(lì)磁電流波形

三、電動(dòng)汽車配套的充電產(chǎn)品在測(cè)試中遇到的典型問題

1>.A公司板端溫升問題

一些終端廠商的產(chǎn)品在常溫20.6℃下，跳過繼電器進(jìn)行一定時(shí)間上電后，使用熱成像儀器觀察發(fā)現(xiàn)PCBA會(huì)存在溫度上升較快的現(xiàn)象（如下圖）

圖10：PCBA正面最高點(diǎn)溫度達(dá)79℃，PCBA反面最高點(diǎn)溫度達(dá)85.2℃

分析原因：其中潛在的問題點(diǎn)是PCBA覆銅面積不夠，電流傳感器中的母線過流線直徑較小，載流能力不足引發(fā)過熱現(xiàn)象。通過一些手段進(jìn)行優(yōu)化后，溫升問題得以改善（如下圖）。

圖11：Before：電流傳感器過流線為2.59mm After：過流線徑加粗至3.02mm

圖12：Before：覆銅寬度為10.85mm，After：覆銅寬度加粗至11.8mm

優(yōu)化后，在常溫20.6度情況下，由熱成像儀觀測(cè)可確認(rèn)，跳過繼電器的PCBA在上電一定時(shí)間后發(fā)熱情況明顯得到改善。（如下圖）

圖13：PCBA正面最高點(diǎn)溫度達(dá)50.8℃，PCBA背面最高點(diǎn)溫度達(dá)49.9℃

改善方式：通過拓寬覆銅面積、增加電流傳感器中的過流線直徑

電路板的載流電流大小主要與覆銅線寬度有關(guān)。PCB線路板銅箔的厚度與線寬之積就是截面積，有一個(gè)電流密度的經(jīng)驗(yàn)值，為15~25A/平方毫米，它乘以截面積等于通流容量。由于覆銅板銅箔厚度有限，在需要通過較大電流的條狀銅箔中，需考慮銅箔的載流量問題。以典型的0.03mm厚度的銅箔為例，若將銅箔視作寬度為W（mm）,長(zhǎng)度為L(zhǎng)（mm）的條狀導(dǎo)線，其電阻為0.0005*L/W（Ω）。另外銅箔的載流量還與印刷電路板上安裝的元器件種類，數(shù)量以及散熱條件有關(guān)。

在考慮到安全的情況下，在常溫25℃下可參考下圖線路板銅箔載流量的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)表&線徑過流能力表

圖14：行業(yè)內(nèi)銅箔載流量的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)表

圖15：《IEC62752-2016》里8.3.11.2線徑和過流能力關(guān)系對(duì)應(yīng)表

.Y電容的容性漏電問題

Y電容一般跨接在電力線兩線與地之間（L-E、N-E），用于濾除高次諧波，防止干擾，提高輸出電壓質(zhì)量，消除L對(duì)地或N對(duì)地的共模干擾。當(dāng)高壓回路與車輛之間存在 Y電容時(shí)，漏電傳感器發(fā)出的交變電壓會(huì)出現(xiàn)電容充放電的典型波形。Y電容越大，漏電傳感器給此電容充電時(shí)間越長(zhǎng)，激勵(lì)電壓方波的失真越嚴(yán)重，即基準(zhǔn)電壓很難在檢測(cè)周期內(nèi)達(dá)到實(shí)際穩(wěn)定值。這可能導(dǎo)致漏電傳感器計(jì)算得出的漏電流值偏大，絕緣阻值偏小，進(jìn)而引發(fā)漏電誤報(bào)警 。

圖16：B公司方案應(yīng)用示意圖

當(dāng)高壓回路不存在較大Y電容時(shí)，漏電傳感器檢測(cè)腳間電壓波形為方波，漏電傳感器檢測(cè)腳間電壓穩(wěn)定，所計(jì)算的絕緣阻值比較準(zhǔn)確

圖17：漏電傳感器檢測(cè)腳間電壓波形圖

漏電檢測(cè)模塊檢測(cè)到的PWM方波易受Y電容影響，但檢測(cè)到的電壓在檢測(cè)周期內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定值，對(duì)整車功能無影響。Y電容的增大將引起上電時(shí)間的延長(zhǎng)，波形如圖所示

圖18：Y電容增大后漏電傳感器檢測(cè)腳間電壓波形圖

.繼電器在PCBA中的布局

隨著電子、電力、電氣設(shè)備應(yīng)用越來越廣泛，他們?cè)谶\(yùn)行過程中產(chǎn)生的電磁干擾和諧波干擾問題愈發(fā)不可忽視。其中，電磁干擾（EMI）是指由無用的信號(hào)或電磁干擾(噪聲)對(duì)有用的接收或傳輸所造成的損害。電磁干擾具有很寬的頻率范圍 （從幾百HZ到幾MHZ），又有一定的強(qiáng)度，經(jīng)過傳導(dǎo)和輻射將對(duì)電子設(shè)備造成干擾。

一個(gè)系統(tǒng)或系統(tǒng)內(nèi)，某一個(gè)電路受電磁干擾的程度可以表示為以下公式:

N = G*C / I

其中:G為噪聲強(qiáng)度;

I為干擾電路的敏感程度;

C為噪聲通過某種途徑傳導(dǎo)受干擾的耦合因素。

電磁干擾抑制技術(shù)是圍繞三個(gè)要素所采取的各種措施，歸納起來是:(1)抑制電磁干擾源;(2)切斷電磁干擾耦合方式;(3)降低電磁敏感裝置的靈敏度。一般來說，易發(fā)生電流電壓瞬變的地方即是干擾源，如：繼電器的吸合、電容充放電、電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、集成電路開關(guān)工作等都可能成為干擾源。

從結(jié)構(gòu)上來說，繼電器一般不宜和漏電傳感器相距太近，否則會(huì)對(duì)漏電流傳感器產(chǎn)生干擾，從而導(dǎo)致漏電采樣值有所偏差，檢測(cè)數(shù)值不精準(zhǔn)。

從下圖為某終端充電樁廠家的設(shè)計(jì)應(yīng)用方案。繼電器距離漏電傳感器距離較近，導(dǎo)致漏電檢測(cè)不精準(zhǔn)。

圖19：C公司方案應(yīng)用示意圖

產(chǎn)生干擾的原因：繼電器的電磁干擾主要來自其線圈中突變磁場(chǎng)和觸點(diǎn)斷合瞬間產(chǎn)生的電弧。 這些干擾的電磁波頻率約為 0.1～1000MHz ,因而其干擾的頻帶是很寬的 ,其場(chǎng)強(qiáng)為垂直極化和水平極化 (在 100MHz以下主要是垂直極化) ,場(chǎng)強(qiáng)與頻率基本呈正態(tài)分布。板端通電后，繼電器的線圈繞組會(huì)產(chǎn)生一個(gè)磁場(chǎng)，而磁通門產(chǎn)品也攜帶磁的特性，所以繼電器會(huì)對(duì)磁通門技術(shù)的傳感器中的磁芯產(chǎn)生磁干擾現(xiàn)象，致使采樣的數(shù)值有一定幅度的正負(fù)偏差。

通常的建議做法是：

1、繼電器盡量避免距離漏電傳感器太過靠近，最好是保持在15mm以上的距離。

2、傳感器適配補(bǔ)償機(jī)制，通過一定策略軟件消除偏差值。

四、Magtron公司的交直流漏電檢測(cè)方案

以MAGTRON公司的產(chǎn)品RCMU101-K系列漏電流傳感器為例，該系列產(chǎn)品采用Trip信號(hào)輸出，為歐標(biāo)和美標(biāo)交流充電客戶提供設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，性能可靠的漏電流檢測(cè)解決方案。此方案產(chǎn)品采用高精度自適應(yīng)磁通門傳感技術(shù)，并通過內(nèi)置信號(hào)判斷處理芯片，輸出Trip信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)交直流剩余電流實(shí)時(shí)準(zhǔn)確有效的檢測(cè)。相比傳統(tǒng)的漏電流傳感器檢測(cè)更可靠、更全面、更安全。

MAGTRON符合國(guó)標(biāo)、歐標(biāo)、美標(biāo)的漏電傳感器

參考文獻(xiàn)：

中國(guó)汽車工業(yè)協(xié)會(huì) www.caam.org.cn/ddzn

IEC 62752-2018 In-cable control and protection device for mode 2 charging of electric road vehicles (IC-CPD)。

GB/T 40820 -2021電動(dòng)汽車模式3充電用直流剩余電流檢測(cè)電器RDC-DD

《BUS＆ COACH TECHNOLOGY AND RESEARCH》

www.se.com《How to design efficient earth fault protection with residual Current Devices (RCD)》

《電磁繼電器的電磁干擾現(xiàn)象與抑制方法》

審核編輯 黃宇