隨著電動汽車行業(yè)的快速發(fā)展，供電設(shè)備的安全性成為了公眾關(guān)注的焦點。為了確保電動汽車供電設(shè)備的安全、可靠運行，并保障使用人員和周圍環(huán)境的安全，中國電力企業(yè)聯(lián)合會和國網(wǎng)電力科學研究院有限公司等單位共同修訂起草了《電動汽車供電設(shè)備安全要求》這一強制性國家標準。該標準的制定旨在統(tǒng)一電動汽車供電設(shè)備的安全規(guī)范，推動電動汽車及其配套設(shè)施健康、有序地發(fā)展。

　　文/浙江巨磁智能技術(shù)有限公司 田昊洋

　　1 背景

　　電動汽車離不開充電樁，電動汽車行業(yè)的發(fā)展將推動充電樁行業(yè)的發(fā)展。充電樁作為新能源汽車基礎(chǔ)設(shè)施的核心部分，近年來在政策和市場的雙重推動下，市場規(guī)模實現(xiàn)快速增長。然而，盡管充電樁數(shù)量不斷增加，但與新能源汽車保有量的增速相比，仍存在較大差距，車樁比尚未達到政策目標。據(jù)預測，未來充電樁市場仍有廣闊的發(fā)展空間。因此，加強充電樁建設(shè)，提高充電樁覆蓋率和充電效率，將是未來新能源汽車行業(yè)發(fā)展的重要方向之一，以滿足日益增長的新能源汽車充電需求。

　　2 市場規(guī)模

　　充電樁是新能源汽車基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，一個完整的充電樁主要包括充電系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、計量計費系統(tǒng)等。在政策和市場雙重驅(qū)動下，充電樁產(chǎn)業(yè)迎來加速發(fā)展，市場規(guī)模實現(xiàn)快速增長。中商產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2023-2028年中國充電樁專題研究及發(fā)展前景預測評估報告》顯示，按終端銷售口徑統(tǒng)計，2022年中國充電樁市場規(guī)模為372億元，同比增長69.1%，2023年約為431億元。中商產(chǎn)業(yè)研究院分析師預測，2024年市場規(guī)模將達517億元，如圖1所示。

　　圖1 2019-2024年中國充電樁市場規(guī)模預測趨勢圖

　　3 車樁比

　　隨著新能源汽車銷量爆發(fā)，新能源汽車保有量的不斷提升。截至2022年底，全國新能源汽車保有量達1310萬輛，占汽車總量的4.10%。充電樁是新能源汽車的關(guān)鍵性配套設(shè)備，行業(yè)發(fā)展速度遠跟不上市場需求。根據(jù)充電聯(lián)盟數(shù)據(jù)，截至2022年，國內(nèi)車樁比約為2.5:1，距離工業(yè)和信息化部此前提出的“2025年實現(xiàn)車樁比2:1，2030年實現(xiàn)車樁比1:1”的目標仍存在較大差距，如圖2所示。充電樁需求缺口大，未來我國充電樁建設(shè)仍有廣闊的發(fā)展空間。

　　圖2 2018-2030年中國車樁比趨勢預測圖

　　4 標準解讀

　　(1)標準介紹

　　《電動汽車供電設(shè)備安全要求》是一項強制性國家標準，主要針對電動汽車供電設(shè)備的安全性進行規(guī)范。該標準以GB/T 39752—2021為基礎(chǔ)進行修訂，旨在確保供電設(shè)備在使用過程中的安全性和可靠性。它適用于各種類型的電動汽車供電設(shè)備，包括但不限于充電模式2、充電模式3和充電模式4的設(shè)備。規(guī)定了符合性試驗使用的儀器設(shè)備、試驗條件、試驗部位、試驗方法和計算方法等，為設(shè)備的檢測和認證提供了統(tǒng)一的標準。標準的適用范圍廣泛，包括額定輸出電壓為1000V AC或1500V DC及以下的各類型供電設(shè)備，具有很強的實用性和指導性，模式二模式三充電示意圖如圖3所示。

　　圖3 模式二、模式三充電示意圖

　　(2)新國標充電樁漏保要求

　　如圖4所示，自今年4月1日開始正式實施GB/T 18487.1-2023以來，國標中對于漏電保護的要求和歐標趨于一致，在11.3.1中提出供電設(shè)備的剩余電流保護應(yīng)具備保護交流剩余電流，脈動直流剩余電流，和6mA及以上平滑直流剩余電流的功能。

　　圖4 新國標充電樁漏保要求

　　(3)強制性國家標準充電樁漏保要求

　　強制性國家標準征集草案中對于剩余電流保護部分也和GB/T 18487.1-2023中有同樣的要求。

　　圖5 強制性國家標準充電樁漏保要求

　　草案提議中對交流供電設(shè)備的剩余電流保護均依據(jù)GB/T 18487.1-2023的要求A型漏保中對平滑直流6mA及以上的剩余電流進行監(jiān)測。如圖5所示，此次提案將原有的推薦性國家標準GB/T 39752-2021全部替換為強制性國家標準。

　　5 原理分析

　　(1)漏電流的產(chǎn)生和分類

　　一般漏電流分為以下四種：半導體元件漏電流，電源漏電流，電容漏電流，濾波器漏電流。

　?、侔雽w元件漏電流

　　半導體元件(如PN結(jié))在截止時，理論上不應(yīng)有電流流過。但實際上，由于自由電子的存在，它們可能會附著在SIO2和N+等位置，導致D-S之間有微小的漏電流。例如在反向偏置的二極管中，一些電流流過耗盡區(qū)，該電流稱為漏電流，極管反向偏置時電流載體的反應(yīng)如圖6所示。

　　圖6 極管反向偏置時電流載體的反應(yīng)

　?、陔娫绰╇娏?/p>

　　在開關(guān)電源中，為了減少電磁干擾(EMI)，通常會設(shè)置EMI濾波器電路。這個電路會導致電源在接上市電后對地有一個微小的電流，這就是電源漏電流。如果不接地，設(shè)備的外殼可能會對地帶有電壓，不僅可能對人體造成不適，還可能影響設(shè)備的正常工作。

　?、垭娙萋╇娏?/p>

　　電容器的介質(zhì)并非完全不導電，當電容加上直流電壓時，會有漏電流產(chǎn)生。這種漏電流的大小與電容器的絕緣性能有關(guān)。除電解電容外，其他電容器的漏電流通常很小，用絕緣電阻參數(shù)表示其絕緣性能;而電解電容因漏電較大，直接用漏電流表示其絕緣性能。

　?、転V波器漏電流

　　在額定交流電壓下，濾波器外殼到交流進線任意端的電流即為濾波器漏電如果濾波器的所有端口與外殼之間是完全絕緣的，那么漏電流的值主要取決于共模電容CY的漏電流，即CY的容量。由于濾波器漏電流的大小涉及人身安全，國際上各國都有嚴格的標準規(guī)定。例如，對于220V/50Hz交流電網(wǎng)供電的設(shè)備，一般要求噪聲濾波器的漏電流小于1mA，電磁兼容濾波器中的漏電流如圖7所示。

　　圖7 電磁兼容濾波器中的漏電流

　　(2)漏電流的危害

　?、俾╇娏鲗θ梭w的危害

　　在有防止觸電保護裝置的情況下，人體允許通過的電流一般可按30mA考慮，10mA則是作為人體的安全電流，如圖8所示。電流在體內(nèi)的持續(xù)時間是電流強度的函數(shù)，在該圖表中，交流電流的影響分為四個區(qū)域。

　　l 感知閾：通過人體能夠引起任何接觸電流的最小值;

　　l 反應(yīng)閾：通過人體能夠引起肌肉不自覺收縮的接觸電流最小值;

　　l 擺脫閾：人可以主動擺脫電極的接觸電流最大值;

　　l 心室顫動閾：通過人體引起心室纖維性顫動的接觸電流最小值，注：曲線c1以上會發(fā)生燒傷/心博停止/呼吸停止。

　　圖8 交流電流對人體影響的四個區(qū)域

　?、诼╇娏鲗υO(shè)備電網(wǎng)的損害

　　l 在帶隔離變壓器的系統(tǒng)中，如果直流分量超過一定值，就會造成隔離變壓器飽和，導致系統(tǒng)過流保護，甚至損壞功率器件;

　　l 在不帶隔離變壓器的系統(tǒng)中直流分量將直接對負載供電。對于非線性負載，直流分量會造成電流的嚴重不對稱，損壞負載;

　　l 直流分量不僅給電源系統(tǒng)本身和用電設(shè)備帶來不良影響，還會對并網(wǎng)電流的諧波產(chǎn)生放大效應(yīng)，從而產(chǎn)生電能質(zhì)量問題。增加電網(wǎng)電纜的腐蝕，導致較高的瞬時電流峰值，可能燒毀熔斷器，引起斷電。國際上目前對直流分量上限規(guī)定基本一致，中國、美國、英國等的相關(guān)并網(wǎng)標準規(guī)定直流分量不允許超過每相電流額定值的0.5%或5mA。

　　(3)漏電流的類型

　　漏電流類型分為TypeA、TypeAC、TypeB三類，如圖9所示。

　　圖9 漏電流的類型

　?、賂ypeAC指普通的正弦交流電，用普通互感器檢測不適用于EV charging及絕大多數(shù)漏電檢測要求。

　?、赥ypeA指在A型的基礎(chǔ)上還有脈動直流，一般用零序互感器檢測。現(xiàn)在國內(nèi)EV charging正在使用，檢測的保護閾值在10mA~30mA不等(IC-CPD中的互感器磁芯一般選擇坡莫合金)。原理與AC型一樣，與AC型的區(qū)別在于對磁材進行了改動。提高了對脈動直流的靈敏度。AC型互感器檢測的是一個完整的正玄波，該正弦波所產(chǎn)生磁滯是一個完整的環(huán)，磁通量Δ較大。而躍動的直流電相較于前者只有半個周期，其對應(yīng)的磁滯環(huán)甚至不到一半，產(chǎn)生的磁通量遠小于Δ。A型和AC型都是基于磁通量的變化來檢測電流，所以如果電流是平滑的，互感器將無法檢測。

　?、跿ypeB的是在A型漏電的基礎(chǔ)上還有平滑直流和斷續(xù)直流，用磁通門傳感器檢測。它是利用被測磁場中高導磁率磁芯在交變磁場的飽和激勵下，其磁感應(yīng)強度與磁場強度的非線性關(guān)系來測量弱磁場。

　　(4)磁通門

　　①磁通門電流測量

　　被測磁場中高導磁率磁芯在交變磁場的飽和激勵下，其磁感應(yīng)強度與磁場強度的非線性關(guān)系來測量弱磁場的。這種物理現(xiàn)象對被測環(huán)境磁場來說好像是一道“門”，通過這道“門”，相應(yīng)的磁通量即被調(diào)制，并產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。利用這種現(xiàn)象來測量電流所產(chǎn)生的磁場，從而間接的達到測量電流的目的。

　　②傳感器電流測量

　　整個過程可以概括為：當磁通門式電流傳感器工作時，激勵線圈中加載一固定頻率、固定波形的交變電流進行激勵，使磁芯往復磁化達到飽和。在不存在外在電流所產(chǎn)生的被測磁場時，則檢測線圈輸出的感應(yīng)電動勢只含有激勵波形的奇次諧波，波形正負上下對稱。當存在直流外在和激勵交變磁場，直流被測磁場在前半周期內(nèi)促使激勵場使磁芯提前達到飽和，而在另外半個周期內(nèi)使磁芯延遲飽和。因此，造成激勵周期內(nèi)正負半周不對稱，從而使輸出電壓曲線中出現(xiàn)振幅差。該振幅差與被測電流所產(chǎn)生的磁場成正比，因此可以利用振幅差來檢測磁環(huán)中所通過的電流，磁通門測量電流原理如圖10所示。

　　圖10 磁通門測量電流原理

　?、鄞判驹?/p>

　　一般磁性材料都有S形狀曲線的特性，稱之為磁滯回路(hysteresis loop)，如圖11所示。此磁滯回路曲線建立在B—H的坐標軸上，為磁性材料遭受完全磁化與非磁化周期，圖示為典型磁滯曲線的鐵心，如果曲線由a點開始，此點表示最大正磁化力，至b點磁化力為零，然后下降至c點為最大負磁化力，再至d點磁化力為零，最后返回最大正磁化力的a點，此即為整個磁性周期。優(yōu)選高導磁率、低矯頑力磁芯。

　　圖11 磁滯回路

　　(5)平滑直流檢測的必要性

　　通過車載OBC充電時，會存在兩相/三相整流濾波等交直流變換環(huán)節(jié)，當回路中有漏電情況時，大部分都是直流漏電，即脈動直流電流、平滑直流電流或含有平滑直流成分的復雜交流電流，車載OBC充電漏電流的產(chǎn)生如圖12所示。

　　圖12 車載OBC充電漏電流的產(chǎn)生

　　為了滿足包括GB/T 40820和GB/T 41589在內(nèi)的標準，電動汽車的充電需要一個剩余電流傳感器，以避免車輛電池(DC)連接到家用電源(AC)的危險情況。傳感器僅滿足GB/T 40820和GB/T 41589標準的關(guān)斷特性(監(jiān)測剩余電流)，必須使用額外的驅(qū)動電路來驅(qū)動GB/T 40820和GB/T41589中定義的動作執(zhí)行機構(gòu)，電動汽車模式2/模式3漏電流檢測如圖13所示。

　　圖13 電動汽車模式2/模式3漏電流檢測

　　(6)RCD的致盲性

　　保護人身安全一直是電氣系統(tǒng)設(shè)計的首要任務(wù)，當保護回路含有直流剩余電流成份時，普通的AC型RCD(剩余電流保護裝置)可能存在“致盲性”，RCD的致盲性如圖14所示。直流分量將會降低AC型RCD內(nèi)互感器的磁場強度和磁感應(yīng)電勢(磁芯將被該直流電流預磁化)并且可能導致對剩余電流不敏感，使RCD拒動作。為此，在給電動汽車充電時，需采用A型(防脈動直流)或B型(防平滑直流)RCD來進行保護。

　　注：國外要求A型RCD基礎(chǔ)上還需單獨增加一個RDC-DD(6mA平滑直流檢測裝置，目前新國標和強制性國家標準也更新了此要求!

　　圖14 RCD的致盲性

　　6 產(chǎn)品選型

　　針對新國標和強制性國家標準對于電動汽車充電設(shè)施模式二隨車充(IC-CPD)、模式三交流充電樁的剩余電流保護要求，MAGTRON推出RCMU1O1SM7系列剩余電流傳感器基于MAGTRON iFluxgate@ 技術(shù)，核心處理芯片采用自主研發(fā)的SoC，集成自檢功能和邏輯判斷，模塊化設(shè)計。

　　圖15 產(chǎn)品選型推薦樣式

　　產(chǎn)品采用分離式設(shè)計，提供三種不同的端子型號，如表1所示。 RCMU1O1SM7系列剩余電流傳感器具有以下特點：

　　l 采用高低電平輸出，單電源5V供電;

　　l 自研芯片，具備集成自檢功能;

　　l 滿足B型或A+6mA剩余電流保護要求。

　　7 總結(jié)

　　綜上所述，《電動汽車供電設(shè)備安全要求》這一標準的制定和實施，對于提升電動汽車供電設(shè)備的安全性、推動電動汽車行業(yè)的健康發(fā)展、加強行業(yè)監(jiān)管和管理以及保障公眾利益等方面都具有重要的影響和意義。