Sådan bruger du overvågningsmoduler for fejlstrøm til at sikre el-sikkerheden ved opladning af elbiler

Hyppig opladning af elbilers (Electric vehicles/EV’ers) højspændingsbatterier medfører høje krav til den mekaniske belastning af ladekabler og stik. Hvis isoleringen er beskadiget, og strømførende metaldele blotlægges, eller der opstår shunts i den indbyggede elektronik, kan der opstå livstruende fejlstrømme i elbilbrugerens krop. Særligt problematiske er forskellige DC-fejlstrømsformer, som ikke kan detekteres af de AC-følsomme Type A-fejlstrømsenheder (residual current devices / RCD'er).

For at forhindre ulykker med elektrisk stød skal producenter af forsyningsudstyr til elbiler (EV supply equipment/EVSE) indbygge fejlstrømsafbrydere i deres effektelektronikprodukter, der udløses inden for få millisekunder for både AC- og DC-fejlstrømme på nogle få milliampere (mA).

Denne artikel forklarer forskellige former for fejlstrøm, hvordan man måler dem, og hvor fejlstrømsafbryderen skal installeres i opladningskredsløbet. Derefter introduceres overvågningsmoduler for fejlstrøm fra Littelfuse, som systemdesignere kan bruge til at tilføje beskyttelse mod DC-elektrisk stød i deres EVSE-enheder på en omkostnings- og tidseffektiv måde. Artiklen viser også, hvilke elbil-opladningstilstande disse strømsensorer er egnede til, og hvordan de bruges.

Fejlstrømme i elbilens opladningskredsløb

Opladning af elbiler ved spændinger på op til 400 volt vekselstrøm og 1000 volt jævnstrøm kræver omfattende beskyttelsesforanstaltninger for elbilbrugeren ved håndtering af opladningsudstyr. På grund af de harmonisk-rige og asymmetriske koblingsimpulser fra ladestationer og on-board-ladere samt flere hundrede volt DC link-spænding kan der opstå forskellige typer AC- og DC-fejlstrømme via shunts, koblingseffekter, isolationsfejl og lækagefejl.

Effektelektroniske kredsløb som ensrettere, switch-konvertere, frekvensomformere, samt inverter- og fasevinkelstyringssystemer har en lang række forskellige egenskaber for belastningsstrøm. De resulterende potentielle fejlstrømme kategoriseres som sinusformet vekselstrøm, pulserende jævnstrøm og lige jævnstrøm. Disse former for fejlstrøm er farlige for mennesker. Tabel 1 viser typiske belastningsstrømsignaler for forskellige kredsløbstopologier og de resulterende fejlstrøms-bølgeformer. Kolonne 1 til 3 angiver typer af RCD’er, der er egnede til detektering.

Tabel 1: Fejlstrømsformer og deres detektion i henhold til den type RCD, der er bedst egnet (kolonne 1 til 3). (Billedkilde: Wikipedia)

Et godt kendskab til fejlstrøms-bølgeformer kan hjælpe elbilværksteder og elektrikere med at spore fejlstrømme i elbilens elektronik, EVSE eller ladestationer.

Udløsningskarakteristik for RCD-typer

Generelt er personlig beskyttelse mod elektrisk stød på elektriske installationer reguleret af IEC 60479 og UL 943. Begge standarder definerer signifikante AC- og DC-fejlstrømme i intervallet 6, 30, 100, 300, 500 og 1000 mA ved udløsningstider på mellem 20 og 500 ms. Almindelige udløsningstærskler i elbilens opladningskredsløb er 6 mA DC og 30 mA AC.

Systemdesignere kan nu nemt implementere specifikke krav til personbeskyttelse i opladningskredsløbet ved at vælge en RCD-type efter den relevante standard. Tabel 2 viser fejlstrømsformer og udløsningstolerance for de forskellige RCD- eller jordfejlsafbrydertyper (ground fault circuit interrupter / GFCI).

Tabel 2: Udløsningsegenskaber for forskellige GFCI- eller RCD-typer. (Kilde til tabel: abb.com)

Installation af RCD’er i elbilens opladningskredsløb

Type A eller Type F RCD’er registrerer kun AC-fejlstrøm og pulserende DC-strøm, hvilket er utilstrækkeligt til at beskytte en elbils opladningskredsløb. Der skal også tages højde for en lang række lige DC-fejlstrømme, der kan forekomme i den indbyggede oplader eller batteristyringssystemet.

IEC 62196-standarden definerer derfor to muligheder for fejlstrømsbeskyttelse: brug af en type B (eller type B+) RCD, eller en type A RCD i forbindelse med et overvågningssystem for DC-fejlstrøm i henhold til IEC 62955 med I_Δn DC ≥ 6 mA. DC-fejlstrømsovervågningen kan placeres i vægboksen, i bygningens elektriske installation eller begge steder.

Da der normalt findes en AC-følsom Type A eller Type F RCD i bygningens elektriske systemer, kan designere omkostningseffektivt tilføje 6 mA overvågningsmodul for DC-fejlstrøm til Type 3 vægbokse eller ladestationer samt til kontrolbokse i Type 2 ladekabler (in-cable control boxes / ICCB) (figur 1, tilfælde 2 og 3).

Figur 1: EVSE-enheder skal tilføje en DC-RCM downstream for den AC-følsomme Type A RCD (tilfælde 2), eller have en, der er forbundet direkte til AC-nettet via en Type B RCD (tilfælde 4). (Billedkilde: goingelectric.de)

Elbil-opladningstilstande

Elbilens batteri kan oplades via forskellige opladningstilstande, afhængigt af den tilgængelige strømtilslutning på stedet, tilslutningsstikket, ladekablet og den opladningsteknologi, der er installeret i bilen og i ladestationen. I Europa kan den elektriske energi tilføres bilen via enfaset vekselstrøm (230 volt/3,6 kilowatt (kW)), trefaset vekselstrøm (400 volt/22 kW) eller via højspændings DC-ladestationer (op til 1000 volt DC/500 kW). Figur 2 illustrerer de fire opladningstilstande, der er defineret i IEC 61851-standarden.

Figur 2: Illustration af de fire opladningstilstande, der er defineret i IEC 61851-standarden. (Billedkilde: bestchargers.eu)

Type 1 (enfaset AC-opladning op til 3,6 kW; standardopladningstilstand)

I dette tilfælde tilsluttes el- eller hybridbilen til en almindelig 230-volts stikkontakt ved hjælp af et simpelt passivt kabel og oplades med lav effekt på maksimalt 3,6 kW via den indbyggede oplader. Dette opladningsscenarie giver ikke brugeren tilstrækkelig beskyttelse mod resterende DC-spænding. Normalt er der kun installeret en AC-følsom Type A RCD i bygningens elektriske system.

Type 2 (enkelt-/trefaset AC-opladning op til 22 kW via et ICCB-ladekabel)

Et Type 2 ladekabel udstyret med et Type 2 køretøjsstik indeholder en ICCB, der udfører sikkerheds- og kommunikationsfunktioner ved opladning af elbiler ved hjælp af husstands- og trefasede stikkontakter for at forhindre deres overbelastning.

Følgende beskyttelsesfunktioner skal integreres med ICCB'en:

• Bestemmelse af polaritet og overvågning af beskyttelsesledning (protective conductor / PC): Kun nogle få ohm sløjfeimpedans er tilladt mellem nullederen og PC.
• Test af den elektriske forbindelse mellem PC'en og metalhuset.
• En AC- og DC-fejlstrømsafbryder forhindrer strømulykker.
• Overvågning/nedlukning af opladningsprocessen i tilfælde af uregelmæssigheder (f.eks. strømsvingninger på grund af korroderede kontakter i stik eller kabelbrud).
• Temperaturovervågning inde i ICCB og begge stik og nedlukning, hvis det er nødvendigt.
• Styring af opladningseffekten: pull-down-modstande på kontrolpilotlederen (Control Pilot / CP) signalerer kablets mærkedata for strømbelastning til både vægboksen og elbilen. Pulsbreddemodulering (Pulse Width Modulation / PWM)-signalet på opladningsstyringsledningen (charging control / CC) signalerer vægboksens kapacitet for opladningseffekt til elbilen.

Type 3 (enfaset/trefaset AC-opladning op til 22 kW via vægboks)

Til opladning af elbiler tilsluttes et passivt Type 3 kabel til en vægboks i private husholdninger eller en offentlig AC-ladestation på parkeringspladser. Begge har integreret de samme beskyttelsesfunktioner som ICCB'en ovenfor.

Type 4 (direkte batteri DC-hurtigopladning op til 500 kW)

DC-oplader med høj effekt (High Power Charger / HPC)-stationer til elbiler leverer betydeligt højere opladningsstrøm sammenlignet med Type 2 og Type 3. Stødbeskyttelse mod AC- og DC-fejlstrømme er implementeret i denne superlader, og de forskellige ladekabler er altid solidt fastgjort.

Mål AC- og DC-fejlstrømme i EVSE-kredsløbet

RCM'er fra RCM14-serien fra Littelfuse Inc. detekterer DC- og/eller AC-fejlstrømme i AC- eller DC-systemer og leverer et udgangssignal til styring af en ekstern afbryder (cutoff-relæ). I modsætning hertil har RCD'er og fejlstrømsafbrydere et integreret cutoff-relæ.

AC-fejlstrømme registreres ved hjælp af en induktiv strømtransformer. Til dette formål føres lederen, der fører strøm i lederetning (I_L), og lederen, der fører strøm i returretning (I_N) gennem en blød magnetisk torusformet kerne, hvilket får begge strømvektorer til vinkelret at kompensere for hinanden og summere til nul. Hvis en fejlstrøm (I_g) strømmer ind i jordpotentialet via menneskekroppen i kredsløbet bag detektoren, afviger RCM'ens eller GFCI'ens samlede strøm fra nul, og afbryderen udløses (figur 3).

Figur 3: Hvis en fejlstrøm (I_g) strømmer ind i jordpotentialet via menneskekroppen, afviger RCM'ens eller GFCI'ens samlede strøm fra nul, og afbryderen udløses. (Billedkilde: Littelfuse)

Ved at integrere en fluxgate-magnetometersonde i en slot i den torusformede kerne og kompensere den magnetiske flux til nul ved hjælp af en kompensationsspole, kan CT'en også registrere differentiel DC. Denne metode er mere nøjagtig end Hall-effektsensorer eller shuntmodstande og registrerer små DC-fejlstrømme fra 6 mA ved store DC-belastningsstrømme på op til 500 ampere (A).

RCM'er med kontroludgang til afbryder

Littelfuses RCM14-serie er ideel til brug i ICCB-ladekabler til elbiler (Type 2) og elbil-ladestationer (Type 3). De fås med tre muligheder for detektering af fejlstrøm i overensstemmelse med IEC 62752 (Mode 2), IEC 62955 (Mode 3) og UL 2231.

Hver RCM har én drifts-LED og én fejl-LED. Det fire-polet JST-stik forenkler installationen: ben 1 og 2 er til 12 volt-strømforsyningen, ben 3 er til ekstern funktionstest, og ben 4 er en open-drain-koblingsudgang til at drive en ekstern afbryder, f.eks. et afbryderrelæ, ved op til 100 mA og 24 volt (maksimum) (figur 4).

Figur 4: Modulerne i RCM14-serien har to status-LED'er og er nemme at tilslutte via det fire-polede JST-stik. (Billedkilde: Littelfuse)

Disse aktive RCM'er kan også bruges til at detektere AC- og/eller DC-fejlstrømme i enfasede eller flerfasede DC-installationer. Enfaset drift begrænser belastningsstrømmen til 100 A, mens trefaset drift er på 40 A. De kan håndtere belastningsstrømimpulser på op til 3000 A.

RCM14-01: 6 mA DC RCM-modul i henhold til IEC 62955, 14 millimeter (mm) åbning

RCM14-01 fejlstrømsmåler registrerer DC-fejlstrømme i 50 Hz/60 Hz AC-systemer. Den er udviklet til brug i Type 3 elbil-ladestationer (IEC 62955-standard) for at afbryde elbilens opladningskredsløb i tilfælde af en DC-fejlstrøm ≥ 6 mA. Denne detektor tilføjer en DC-fejlstrømsovervågningsfunktion til eksisterende Type A og Type F RCD’er i bygningens elektriske system på en omkostningseffektiv og enkel måde (figur 5).

Figur 5: RCM14-01 tilføjer overvågning af DC-fejlstrømme ≥ 6 mA til AC-følsomme Type A RCD i bygningers elektriske systemer. (Billedkilde: Littelfuse, Western Automation)

RCM14-03: 6 mA DC/30 mA AC RCM-modul i henhold til IEC 62752, 14 mm åbning

RCM14-03 er beregnet til brug i ICCB eller integrerede beskyttelsesanordninger til elbiler i opladningstilstand 2 for at afbryde forsyningen til elbilen i tilfælde af en AC- eller DC-fejl.

RCM14-04: 56 mA DC/20 mA AC RCM-modul i henhold til UL 2231-2, 14 mm åbning

RCM14-04-modulet detekterer AC- og DC-fejlstrømme i 60 hertz (Hz) AC-installationer. Den er designet til brug i CCID (charging circuit interrupting device)-ladestationer til elbiler, hvor den afbryder forsyningen til elbilen i tilfælde af en AC- og/eller DC-fejlstrømstilstand.

RCM20-01: RCM20-01 er en fejlstrømsmonitor beregnet til detektering af DC-fejlstrømme i 50 Hz/60 Hz AC-installationer. Den er beregnet til Mode 3 ladestationer til elbiler til at afbryde forsyningen til elbilen under DC-fejlstrømsforhold. Produktet er i fuld overensstemmelse med IEC 62955.

RCM20-03: RCM20-03 er en fejlstrømsmonitor beregnet til detektering af DC- og AC-fejlstrømstrømme i 50 Hz/60 Hz AC-installationer. Den er beregnet til Mode 2-ladestationer til elbiler til at afbryde forsyningen til elbilen under DC- og AC-fejlstrømsforhold. Produktet er i fuld overensstemmelse med IEC 62752 og kan også bruges til IEC 62955-applikationer, hvor der kræves 30 mA AC-fejldetektering.

For integration i et større enhedskredsløb er følgende RCM-moduler også tilgængelige som open-frame-systemer:

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

Hvert system består af et lodbart sensor-pc-board og en separat strømtransformer (figur 6).

Figur 6: RCM14-04_SYS-modulerne er open-frame-systemer, der består af et sensor-pc-board og en strømtransformer. (Billedkilde: Littelfuse, Western Automation)

Konklusion

AC-følsomme Type A RCD'er er almindelige installationsstandarder i bygningers elektriske systemer, men de kan ikke beskytte mod DC-fejlstrømsrisici i elbilers opladningskredsløb. Som vist, kan RCM14-serien udføre den påkrævede overvågning af DC-fejlstrøm i ICCB-ladekabler (Type 2) og EV-ladestationer (Type 3). Med kun fire tilslutningsstifter kan systemdesignere nemt og omkostningseffektivt implementere det kompakte RCM-modul eller open-frame-systemet i deres EVSE.