浅谈电动汽车充电中漏电流的选型及充电方案测试常见问题
发布时间：2023-9-18 19:24
发布者：eechina
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单位：浙江巨磁智能技术有限公司 作者：Justin 在能源结构转型背景下，我国提出了“双碳”目标，对碳排放进行了严格要求。在此影响之下，我国新能源产业，尤其是新能源汽车产业政策持续利好。再加上国内新能源汽车行业技术的进步等多重因素影响下，我国新能源汽车市场规模得以快速增长。截止到2021年纯电动汽车产销量分别为294.2万辆和291.6万辆，同比2016年增速分别高达630.8%和612.9%。随着EV新能源汽车的需求增多，与其配套的充电设施也火热起来。 
图1： 2016-2021中国纯电动汽车产销量统计（数据来源于：中国汽车工业协会） 
图2： 2016-2021中国纯电动汽车产产销量比例（数据来源于：中国汽车工业协会） 对使用者而言，充电设备组件的安全性和可靠性尤为重要。随着电动汽车的畅销，特别是纯电动汽车销量的快速增长，市场对于高可靠以及全面防护的漏电保护方案的需求也迫在眉睫。 在充电桩的保护方面，相关国际标准较早做出了规定。对于交流充电桩内漏电流保护器，在标准IEC60364-7-722 部分-电动车供电里要求：应选择B型或A型30mA动作的RCD作为直流接地故障防护措施（722.531.2条）。 
图3：《IEC 60364》相关标准条目 同样我国的相关标准也在逐步升级，并向国际标准看齐。2022-05-01实施的GB/T40820-2021《电动汽车模式3充电用直流剩余电流检测电器（RDC-DD）》标准，可作为电动汽车充电桩的漏电保护要求的大致参考。根据该标准的4.1.1部分，应用在模式3充电设备中的漏电检测装置需具有对6mA直流漏电的监测评估能力和对30mA交直流漏电流的保护功能。 
图4：GB/T40820-2021相关标准条目 这里我们明确一下剩余动作电流与剩余不动作电流之间的关系，额定剩余动作电流I∆n定义为RCD在规定的条件动作的剩余电流值。也就是说，当电路中的漏电流超过这个电流值时，RCD一定会动作（通常是脱扣，断开电源）。额定剩余不动作电流I∆no定义为电路中的剩余电流小于等于这个值时，RCD在规定的条件不会动作的剩余电流值。标准中规定，I∆no=0.5I∆n。 
图5：剩余动作电流、额定剩余动作电流与额定剩余不动作电流间的关系 一、RCD漏电检测及保护类型 RCD漏电检测保护的分类如下表 
图6：RCD漏电检测保护的分类 
图7：不同类型剩余电流波形的表现特征 二、TYPE-B型漏电流传感器的工作原理 因为TYPE-B型剩余电流包含了平滑直流漏电波形（SDC），传统互感器原理方案的产品（零序互感器）是无法满足对type-B型电流的检测和保护的。所以需要另一种检测方案来实现对包含平滑直流漏电波形的type-B型电流的检测。磁通门原理的剩余电流传感器工作原理如图8所示。其中，环形磁芯是由高导磁率的矩形磁滞特性的软磁材料制成；自适应激励方波能够根据所接收的翻转信号输出绝对值相等极性相反的励磁电压；检测控制单元除了判断励磁电流是否到达阈值外，还要分析励磁电压或励磁电流波形等。 
图8：磁通门漏电流传感器的工作原理 其一般工作过程如下：自适应激励方波输出一个正电压，此时励磁电流急速上升并达到正向阈值，磁芯迅速达到正向饱和；检测控制单元输出翻转信号，控制自适应激励方波输出一个绝对值相等的负电压，磁芯迅速达到反向磁饱和，此时励磁电流急速下降并达到反向阈值，检测控制单元输出翻转信号，自适应激励方波输出电压反向，如此反复循环上述过程。当电流矢量之和为零时，激励方波将呈现出周期对称的波形。 当电流矢量之和不为零时，剩余电流会使磁芯预先磁化。若为正向剩余电流，则达到正向磁饱和时间会提前，而反向饱和时间会延长。这就导致励磁电压波形正负半周不对称，正负半周的占空比存在差值。基于占空比和剩余电流有效值间的线性关系，后端MCU的一系列运算处理可得出漏电流数值 
图9：矢量之和不为零的时励磁电压&励磁电流波形 三、电动汽车配套的充电产品在测试中遇到的典型问题 1>.A公司板端温升问题 一些终端厂商的产品在常温20.6℃下，跳过继电器进行一定时间上电后，使用热成像仪器观察发现PCBA会存在温度上升较快的现象（如下图） 
图10：PCBA正面最高点温度达79℃ PCBA反面最高点温度达85.2℃ 分析原因：其中潜在的问题点是PCBA覆铜面积不够，电流传感器中的母线过流线直径较小，载流能力不足引发过热现象。通过一些手段进行优化后，温升问题得以改善（如下图）。 
图11：Before：电流传感器过流线为2.59mm After：过流线径加粗至3.02mm 
图12：Before：覆铜宽度为10.85mm After：覆铜宽度加粗至11.8mm 优化后，在常温20.6度情况下，由热成像仪观测可确认，跳过继电器的PCBA在上电一定时间后发热情况明显得到改善。（如下图） 
图13：PCBA正面最高点温度达50.8℃ PCBA背面最高点温度达49.9℃ 改善方式：通过拓宽覆铜面积、增加电流传感器中的过流线直径 电路板的载流电流大小主要与覆铜线宽度有关。PCB线路板铜箔的厚度与线宽之积就是截面积，有一个电流密度的经验值，为15~25A/平方毫米，它乘以截面积等于通流容量。由于覆铜板铜箔厚度有限，在需要通过较大电流的条状铜箔中，需考虑铜箔的载流量问题。以典型的0.03mm厚度的铜箔为例，若将铜箔视作宽度为W（mm）,长度为L（mm）的条状导线，其电阻为0.0005*L/W（Ω）。另外铜箔的载流量还与印刷电路板上安装的元器件种类，数量以及散热条件有关。 在考虑到安全的情况下，在常温25℃下可参考下图线路板铜箔载流量的数据对应表&线径过流能力表 
图14：行业内铜箔载流量的数据对应表 
图15：《IEC62752-2016》里8.3.11.2线径和过流能力关系对应表 2>.Y电容的容性漏电问题 Y电容一般跨接在电力线两线与地之间（L-E 、N-E），用于滤除高次谐波，防止干扰，提高输出电压质量，消除L对地或N对地的共模干扰。当高压回路与车辆之间存在 Y 电容时，漏电传感器发出的交变电压会出现电容充放电的典型波形。Y电容越大，漏电传感器给此电容充电时间越长，激励电压方波的失真越严重，即基准电压很难在检测周期内达到实际稳定值。这可能导致漏电传感器计算得出的漏电流值偏大，绝缘阻值偏小，进而引发漏电误报警 。 
图16：B公司方案应用示意图 当高压回路不存在较大Y电容时，漏电传感器检测脚间电压波形为方波，漏电传感器检测脚间电压稳定，所计算的绝缘阻值比较准确 
图17：漏电传感器检测脚间电压波形图 漏电检测模块检测到的PWM方波易受Y电容影响，但检测到的电压在检测周期内达到稳定值，对整车功能无影响。Y电容的增大将引起上电时间的延长，波形如图所示 
图18：Y电容增大后漏电传感器检测脚间电压波形图 3>.继电器在PCBA中的布局 随着电子、电力、电气设备应用越来越广泛，他们在运行过程中产生的电磁干扰和谐波干扰问题愈发不可忽视。其中，电磁干扰（EMI）是指由无用的信号或电磁干扰(噪声)对有用的接收或传输所造成的损害。电磁干扰具有很宽的频率范围 （从几百HZ到几MHZ），又有一定的强度，经过传导和辐射将对电子设备造成干扰。 一个系统或系统内，某一个电路受电磁干扰的程度可以表示为以下公式: N = G*C / I 其中:G为噪声强度; I为干扰电路的敏感程度; C为噪声通过某种途径传导受干扰的耦合因素。 电磁干扰抑制技术是围绕三个要素所采取的各种措施，归纳起来是  1)抑制电磁干扰源;(2)切断电磁干扰耦合方式;(3)降低电磁敏感装置的灵敏度。一般来说，易发生电流电压瞬变的地方即是干扰源，如：继电器的吸合、电容充放电、电机运转、集成电路开关工作等都可能成为干扰源。从结构上来说，继电器一般不宜和漏电传感器相距太近，否则会对漏电流传感器产生干扰，从而导致漏电采样值有所偏差，检测数值不精准。 从下图为某终端充电桩厂家的设计应用方案。继电器距离漏电传感器距离较近，导致漏电检测不精准。 
图19：C公司方案应用示意图 产生干扰的原因：继电器的电磁干扰主要来自其线圈中突变磁场和触点断合瞬间产生的电弧。 这些干扰的电磁波频率约为 0.1～1000MHz , 因而其干扰的频带是很宽的 , 其场强为垂直极化和水平极化 (在 100MHz 以下主要是垂直极化) , 场强与频率基本呈正态分布。板端通电后，继电器的线圈绕组会产生一个磁场，而磁通门产品也携带磁的特性，所以继电器会对磁通门技术的传感器中的磁芯产生磁干扰现象，致使采样的数值有一定幅度的正负偏差。 通常的建议做法是： 1、继电器尽量避免距离漏电传感器太过靠近，最好是保持在15mm以上的距离。 2、传感器适配补偿机制，通过一定策略软件消除偏差值。 四、Magtron 公司的交直流漏电检测方案 以MAGTRON公司的产品RCMU101-K系列漏电流传感器为例，该系列产品采用Trip信号输出，为欧标和美标交流充电客户提供设计简洁，性能可靠的漏电流检测解决方案。此方案产品采用高精度自适应磁通门传感技术，并通过内置信号判断处理芯片，输出Trip信号，可实现对交直流剩余电流实时准确有效的检测。相比传统的漏电流传感器检测更可靠、更全面、更安全。 
MAGTRON符合国标、欧标、美标的漏电传感器 -------------------------------参考文献--------------------------------------- 1. 中国汽车工业协会 www.caam.org.cn/ddzn 2. IEC 62752-2018 In-cable control and protection device for mode 2 charging of electric road vehicles (IC-CPD)。 3. GB/T 40820 -2021电动汽车模式3充电用直流剩余电流检测电器RDC-DD 4.《BUS ＆ COACH TECHNOLOGY AND RESEARCH》 5. www.se.com 《How to design efficient earth fault protection with residual Current Devices (RCD)》 6.《电磁继电器的电磁干扰现象与抑制方法》 |
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