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高性能B型漏电流检测方案在电动汽车充电保护中的应用—IC-CPD篇

一、IC-CPD国家标准研制启动会召开 2020年12月18日,《电动汽车模式2充电的缆上控制与保护装置(IC-CPD)》国家标准启动会在上海顺利召开,来自国内电动汽车制造企业及I…

一、IC-CPD国家标准研制启动会召开

20201218日,《电动汽车模式2充电的缆上控制与保护装置(IC-CPD)》国家标准启动会在上海顺利召开,来自国内电动汽车制造企业及IC-CPD制造企业的技术专家共20余人参加了会议。此次会议主要对标准制定原则及框架内容进行了研讨,对国家标准的制定有着积极的促进作用。此次会议的召开,再次将视线引到了如今一个非常火热的话题:电动汽车。

二、电动汽车市场前景及IC-CPD的市场应用

2015年至今,我国新能源汽车产销量、保有量连续5年位居世界首位,新能源汽车正在迎来飞速发展。根据中汽协最新发布的数据,2020年中国新能源汽车销量已累计达到110.0万辆,占全年国内汽车销量的4.94%,其中第一季度受疫情影响,销量下降较为严重,随着国内疫情得到控制,销量逐步恢复;11月国内新能源汽车销量达到20万辆,同比增长104.9%

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12020年中国新能源汽车销量(万辆)——数据来源:中国汽车协会

同时在今年的11月份,国务院办公厅印发《新能源汽车产业发展规划(20212035年)》(以下简称《规划》)。《规划》提出,在2025年,新能源汽车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右;在2035年纯电动车成为新销售车辆的主流。[1]市场研究机构IDCInternational Data Corporation)近日发布的一份报告显示,受政策推动等因素的影响,中国新能源汽车市场将在未来5年迎来强劲增长,2020年至2025年的年均复合增长率(CAGR)将达到36.1%。到2025年,新能源汽车销量将达到约542万辆。

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2:中国新能源汽车历年销量及预测(万辆)——数据来源:IDC

再看欧洲市场,随着欧洲对全球气候变暖的关注,欧洲各国政府纷纷出台和加大了对新能源汽车购置和使用方面的补贴,推动欧洲新能源汽车飞速发展。尽管受到今年疫情的影响,但是欧洲新能源汽车销量却看似不符合逻辑地同比上扬52%,以40.33万辆直接超过中国冲到世界第一。欧洲在新能源汽车领域目标远大,预计到2030年,新能源汽车销售占比预计将大幅提高到20%

查阅欧洲各国的禁售燃油车计划,可以发现欧洲正在不断加速新能源汽车取代。2020年英国首相鲍里斯·约翰逊宣布,2030年开始在全英国范围内禁止销售新的汽油车与柴油车,将期限再次提前5年;德国联邦政府在2016年通过议案将在2030年禁售燃油机车,同时计划到2030年德国有1000万辆电动汽车上路;荷兰在2016年通过议案提出在2030年禁售汽油/柴油乘用车;挪威在2016年的国家计划中明确在2025年将全面禁售汽油/柴油车;法国、以色列、西班牙等国家纷纷宣布计划在2030年至2040年之间逐渐淘汰燃油车。

为配合各国相关计划,各个车企也纷纷宣布了停售传统燃油车的时间:

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1:各大车企燃油车停售时间表

由此可见,新能源汽车,尤其是纯电动汽车将是未来汽车发展的主要趋势。

新能源汽车的飞速发展,随之带来就是电动汽车充电设备的需求也急剧增长,作为电动汽车随车配置的IC-CPD(In-Cable Control and Protection Device)即缆上控制与保护装置,其需求量也正在飞速上升。随着电动汽车行业的蓬勃发展,属于电动汽车整车配送附件的IC-CPD产品性能对于整车及人身安全的防护有重要作用。

三、国内外IC-CPD标准对漏电保护要求的解读

回到开头提到的IC-CPD国家标准研讨会,此次会议的召开正面反映了国内相关部门和相关行业内企业对IC-CPD产品防护性能的要求的提高。仔细对比国内外对IC-CPD的标准,可以明显发现对于漏电防护这一相关要求,目前国内标准暂时较为落后,不管是欧洲执行的IEC62752标准和美国执行的UL2231标准,对国内标准的修改都有可借鉴之处。

1)国内标准对于漏电保护要求

GB/T 18487.1[3]中规定了在交流充电模式中,应具备满足B型或A型的剩余的保护功能的装置,但是由于并未强制规定要求使用B型剩余电流保护装置,同时在IC-CPD的行业标准NBT 42077-2017[4]中也只是规定了A型剩余电流保护装置的相关测试要求,且NBT 42077-2017作为国家的非强制标准,并不受到国内厂家的重视和认可。因此,目前国内的IC-CPD中对漏电保护的要求仅仅是A型剩余电流标准。

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3GB/T 18487.1-2015 10.3中对剩余电流保护的要求

(2)欧洲标准对于漏电保护要求

对于欧洲正在执行的标准IEC 61851.1-2010[5],有明确规定要求交流充电设备中的剩余电流保护采用B型或者A+6mA平滑直流的RCD。同时在IC-CPD相关标准IEC62752-2018[6]中也有明确说明,要求剩余电流保护装置应检测到平滑直流6mA。这是对国内传统A型保护装置的一个更高的要求。

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4IEC 61851.1-2010 6.5中对剩余电流保护的要求

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5IEC 62752-2018 5.2.8中对剩余电流保护的要求


(2)美国标准对于漏电保护要求

对于美国市场,虽然美国政府未强制规定厂家需要按照标准UL2231-1-2011[7]执行,但是在该标准中同样提到了对直流剩余电流的保护要求。可以发现在UL2231中,有这样的描述: CCID 分为 CCID5 以及 CCID20 两种保护类型,根据实际需求进行挑选。而CCID5 接近于一般使用的IC-CPD,其保护阈值为 5±1mA AC/30mA DC

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6UL 2231-2-2011 21.2中对剩余电流保护的要求

为什么在欧标和美标中都有明确的要求需要剩余电流保护装置检测直流漏电呢?首先我们先来了解对剩余电流类型的定义。

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7:剩余电流类型的分类

其中:

AC型:指的是纯交流的剩余电流波形检测,常见为工频交流漏电,波形较为单一,在欧洲等国家已被完全禁止使用,国内的绝大部分场景下也同样被禁止使用;

A型:在AC型的基础上增加了对脉动交流、脉动直流波形的检测,目前被广泛的使用在国内外常见的工业环境中;

B型:在A型的基础上增加了对平滑直流、断续直流、高频1k Hz以及各类复合波形的检测,是对漏电保护的更高要求,目前在国外部分家用环境或医疗环境等有直流用电设备的环境中被使用,在汽车充电领域中也正在逐渐普及;

另有F型和B+型剩余电流类型在此文不再赘述。

回到直流漏电检测的问题上来,对于传统的AC型或A型漏电保护装置,核心部件大多是零序互感器,其测量电流的原理多为互感原理,由变化的电场变化的磁场,再由变化的磁场感应出变化的电流,再经过后端处理计算得出电流值。但是,当用电环境中叠加了平滑直流漏电,情况就会发生变化。

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8:直流故障电流对A型检测故障电流的影响

通过图8我们可以对传统的A型漏电保护装置的传感器进行分析,一般来说对于电流检测所用的磁环,其B-H曲线如图所示为一条经过原点的S型曲线,存在线性区和非线性区。当传感器正常检测故障交流电时,其对应的电场强度曲线a会在曲线的线性区,感应出的磁场强度曲线为b。当工频交流电中叠加了直流剩余电流时,叠加的直流同时产生固定的电场强度,使曲线a偏移至曲线c,若直流电流的电场强度足够大使得感应的电场强度来到了非线性区,则感应出的磁场强度曲线为d。通过图8发现d曲线的磁场强度明显小于b曲线,则对于漏电保护装置来说对应检测到的故障电流也会明显小于实际值。如此会导致当实际剩余电流达到了额定值时,漏电保护装置并不会动作,从而危及人身,造成线路或设备的损坏,严重时可能会引发火灾等可怕后果。

因此,随着日常生活中直流供电设备的愈发普遍,直流漏电检测至关重要。

三、开关量产品的市场需求

开关量和模拟量是工控PLC中经常使用到的数据模式,输入输出大多数通过开关量和模拟量来传输。其中:

开关量是指非连续性信号的采集和输出,包括遥控采集和遥控输出。它有10两种状态,这是数字电路中的开关性质,一般开关量装置通过内部继电器实现开关量的输出。在IC-CPD的应用中,传感器可以通过给出开关量,直接控制或通过IC-CPD板载的MCU控制继电器动作,实现漏电分断的功能。

模拟量是指变量在一定范围连续变化的量,也就是在一定范围内可以取任意值(在值域内)。在剩余电流检测中,其最大的优势是可以实时监测工作时的剩余电流情况,对数据分析、漏电预警等方面可以提供很大的数据支撑。

如今随着电动汽车的发展,IC-CPD的需求也向着小型化、低成本方向发展,而且漏电流检测模块作为IC-CPD主要元器件之一,也需要顺应时代的潮流。开关量传感器集成了电流采集和处理的双重功能,极大了减少了在IC-CPDPCB板上的电子元器件数量和布板空间;同时开关量的输出模式对于IC-CPD的工程师来说更方便进行信号处理,简化了IC-CPD软件的制作。因此,开关量产品越来越受到广大IC-CPD厂商的喜爱。

六、MAGTRON公司推出的满足最新IC-CPD漏电检测要求(ICE62752)的开关量产品

MAGTRON公司的产品RCMU101-K系列漏电流传感器为例,

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9RCMU101-K系列产品

该系列产品为B型剩余电流传感器,采用开关量输出,为IC-CPD客户提供使用方便、性能优良的漏电流检测解决方案。方案采用高精度自适应磁通门传感技术,在原理上可实现对交直流剩余电流准确的实时有效检测,并通过内置处理单元(MCU),输出脱扣信号,能够完全满足IEC62752的漏电保护要求,同时产品系列可以完全覆盖3.3kw7kw单相IC-CPD22kw三相IC-CPD的应用场景。

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10:客户端应用实例

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作者: 杨利伟

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