淺談電動汽車充電中漏電流的選型及充電方案測試常見問題

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，我國提出了“雙碳”目標，對碳排放進行了嚴格要求。在此影響之下，我國新能源產(chǎn)業(yè)，尤其是新能源汽車產(chǎn)業(yè)政策持續(xù)利好。再加上國內(nèi)新能源汽車行業(yè)技術(shù)的進步等多重因素影響下，我國新能源汽車市場規(guī)模得以快速增長。截止到2021年純電動汽車產(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，與其配套的充電設施也火熱起來。

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

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

對使用者而言，充電設備組件的安全性和可靠性尤為重要。隨著電動汽車的暢銷，特別是純電動汽車銷量的快速增長，市場對于高可靠以及全面防護的漏電保護方案的需求也迫在眉睫。

在充電樁的保護方面，相關(guān)國際標準較早做出了規(guī)定。對于交流充電樁內(nèi)漏電流保護器，在標準IEC60364-7-722部分-電動車供電里要求：應選擇B型或A型30mA動作的RCD作為直流接地故障防護措施（722.531.2條）。

圖3：《IEC 60364》相關(guān)標準條目

同樣我國的相關(guān)標準也在逐步升級，并向國際標準看齊。2022-05-01實施的GB/T40820-2021《電動汽車模式3充電用直流剩余電流檢測電器（RDC-DD）》標準，可作為電動汽車充電樁的漏電保護要求的大致參考。根據(jù)該標準的4.1.1部分，應用在模式3充電設備中的漏電檢測裝置需具有對6mA直流漏電的監(jiān)測評估能力和對30mA交直流漏電流的保護功能。

圖4：GB/T40820-2021相關(guān)標準條目

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

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

一、RCD漏電檢測及保護類型

RCD漏電檢測保護的分類如下表

圖6：RCD漏電檢測保護的分類

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

因為TYPE-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type-B型電流的檢測和保護的。所以需要另一種檢測方案來實現(xiàn)對包含平滑直流漏電波形的type-B型電流的檢測。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)形磁芯是由高導磁率的矩形磁滯特性的軟磁材料制成；自適應激勵方波能夠根據(jù)所接收的翻轉(zhuǎn)信號輸出絕對值相等極性相反的勵磁電壓；檢測控制單元除了判斷勵磁電流是否到達閾值外，還要分析勵磁電壓或勵磁電流波形等。

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：自適應激勵方波輸出一個正電壓，此時勵磁電流急速上升并達到正向閾值，磁芯迅速達到正向飽和；檢測控制單元輸出翻轉(zhuǎn)信號，控制自適應激勵方波輸出一個絕對值相等的負電壓，磁芯迅速達到反向磁飽和，此時勵磁電流急速下降并達到反向閾值，檢測控制單元輸出翻轉(zhuǎn)信號，自適應激勵方波輸出電壓反向，如此反復循環(huán)上述過程。當電流矢量之和為零時，激勵方波將呈現(xiàn)出周期對稱的波形。

當電流矢量之和不為零時，剩余電流會使磁芯預先磁化。若為正向剩余電流，則達到正向磁飽和時間會提前，而反向飽和時間會延長。這就導致勵磁電壓波形正負半周不對稱，正負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的一系列運算處理可得出漏電流數(shù)值

圖9：矢量之和不為零的時勵磁電壓&勵磁電流波形

三、電動汽車配套的充電產(chǎn)品在測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，跳過繼電器進行一定時間上電后，使用熱成像儀器觀察發(fā)現(xiàn)PCBA會存在溫度上升較快的現(xiàn)象（如下圖）

圖10：PCBA正面最高點溫度達79℃，PCBA反面最高點溫度達85.2℃

分析原因：其中潛在的問題點是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，由熱成像儀觀測可確認，跳過繼電器的PCBA在上電一定時間后發(fā)熱情況明顯得到改善。（如下圖）

圖13：PCBA正面最高點溫度達50.8℃，PCBA背面最高點溫度達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，有一個電流密度的經(jīng)驗值，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）,長度為L（mm）的條狀導線，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)對應表&線徑過流能力表

圖14：行業(yè)內(nèi)銅箔載流量的數(shù)據(jù)對應表

圖15：《IEC62752-2016》里8.3.11.2線徑和過流能力關(guān)系對應表

.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對地或N對地的共模干擾。當高壓回路與車輛之間存在 Y電容時，漏電傳感器發(fā)出的交變電壓會出現(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間越長，激勵電壓方波的失真越嚴重，即基準電壓很難在檢測周期內(nèi)達到實際穩(wěn)定值。這可能導致漏電傳感器計算得出的漏電流值偏大，絕緣阻值偏小，進而引發(fā)漏電誤報警 。

圖16：B公司方案應用示意圖

當高壓回路不存在較大Y電容時，漏電傳感器檢測腳間電壓波形為方波，漏電傳感器檢測腳間電壓穩(wěn)定，所計算的絕緣阻值比較準確

圖17：漏電傳感器檢測腳間電壓波形圖

漏電檢測模塊檢測到的PWM方波易受Y電容影響，但檢測到的電壓在檢測周期內(nèi)達到穩(wěn)定值，對整車功能無影響。Y電容的增大將引起上電時間的延長，波形如圖所示

圖18：Y電容增大后漏電傳感器檢測腳間電壓波形圖

.繼電器在PCBA中的布局

隨著電子、電力、電氣設備應用越來越廣泛，他們在運行過程中產(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）是指由無用的信號或電磁干擾(噪聲)對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），又有一定的強度，經(jīng)過傳導和輻射將對電子設備造成干擾。

一個系統(tǒng)或系統(tǒng)內(nèi)，某一個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為噪聲強度;

I為干擾電路的敏感程度;

C為噪聲通過某種途徑傳導受干擾的耦合因素。

電磁干擾抑制技術(shù)是圍繞三個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、電機運轉(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，否則會對漏電流傳感器產(chǎn)生干擾，從而導致漏電采樣值有所偏差，檢測數(shù)值不精準。

從下圖為某終端充電樁廠家的設計應用方案。繼電器距離漏電傳感器距離較近，導致漏電檢測不精準。

圖19：C公司方案應用示意圖

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和觸點斷合瞬間產(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 ,其場強為垂直極化和水平極化 (在 100MHz以下主要是垂直極化) ,場強與頻率基本呈正態(tài)分布。板端通電后，繼電器的線圈繞組會產(chǎn)生一個磁場，而磁通門產(chǎn)品也攜帶磁的特性，所以繼電器會對磁通門技術(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、傳感器適配補償機制，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信號輸出，為歐標和美標交流充電客戶提供設計簡潔，性能可靠的漏電流檢測解決方案。此方案產(chǎn)品采用高精度自適應磁通門傳感技術(shù)，并通過內(nèi)置信號判斷處理芯片，輸出Trip信號，可實現(xiàn)對交直流剩余電流實時準確有效的檢測。相比傳統(tǒng)的漏電流傳感器檢測更可靠、更全面、更安全。

MAGTRON符合國標、歐標、美標的漏電傳感器

參考文獻：

中國汽車工業(yè)協(xié)會 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電動汽車模式3充電用直流剩余電流檢測電器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