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高性能B型漏電流檢測方案在電動汽車充電保護中的應用—IC-CPD篇

2021-03-03 20:21:08 來源：財訊網

一、IC-CPD國家標準研制啟動會召開

2020年12月18日，《電動汽車模式2充電的纜上控制與保護裝置（IC-CPD）》國家標準啟動會在上海順利召開，來自國內電動汽車制造企業及IC-CPD制造企業的技術專家共20余人參加了會議。此次會議主要對標準制定原則及框架內容進行了研討，對國家標準的制定有著積極的促進作用。此次會議的召開，再次將視線引到了如今一個非常火熱的話題：電動汽車。

二、電動汽車市場前景及IC-CPD的市場應用

從2015年至今，我國新能源汽車產銷量、保有量連續5年位居世界首位，新能源汽車正在迎來飛速發展。根據中汽協最新發布的數據，2020年中國新能源汽車銷量已累計達到110.0萬輛，占全年國內汽車銷量的4.94%，其中第一季度受疫情影響，銷量下降較為嚴重，隨著國內疫情得到控制，銷量逐步恢復；11月國內新能源汽車銷量達到20萬輛，同比增長104.9%。

圖1：2020年中國新能源汽車銷量（萬輛）——數據來源：中國汽車協會

同時在今年的11月份，國務院辦公廳印發《新能源汽車產業發展規劃（2021－2035年）》（以下簡稱《規劃》）。《規劃》提出，在2025年，新能源汽車銷售量達到汽車新車銷售總量的20%左右；在2035年純電動車成為新銷售車輛的主流。[1]市場研究機構IDC（International Data Corporation）近日發布的一份報告顯示，受政策推動等因素的影響，中國新能源汽車市場將在未來5年迎來強勁增長，2020年至2025年的年均復合增長率（CAGR）將達到36.1%。到2025年，新能源汽車銷量將達到約542萬輛。

圖2：中國新能源汽車歷年銷量及預測（萬輛）——數據來源：IDC

再看歐洲市場，隨著歐洲對全球氣候變暖的關注，歐洲各國政府紛紛出臺和加大了對新能源汽車購置和使用方面的補貼，推動歐洲新能源汽車飛速發展。盡管受到今年疫情的影響，但是歐洲新能源汽車銷量卻看似不符合邏輯地同比上揚52%，以40.33萬輛直接超過中國沖到世界第一。歐洲在新能源汽車領域目標遠大，預計到2030年，新能源汽車銷售占比預計將大幅提高到20%。

查閱歐洲各國的禁售燃油車計劃，可以發現歐洲正在不斷加速新能源汽車取代。2020年英國首相鮑里斯·約翰遜宣布，2030年開始在全英國范圍內禁止銷售新的汽油車與柴油車，將期限再次提前5年；德國聯邦政府在2016年通過議案將在2030年禁售燃油機車，同時計劃到2030年德國有1000萬輛電動汽車上路；荷蘭在2016年通過議案提出在2030年禁售汽油/柴油乘用車；挪威在2016年的國家計劃中明確在2025年將全面禁售汽油/柴油車；法國、以色列、西班牙等國家紛紛宣布計劃在2030年至2040年之間逐漸淘汰燃油車。

為配合各國相關計劃，各個車企也紛紛宣布了停售傳統燃油車的時間：

表1：各大車企燃油車停售時間表

由此可見，新能源汽車，尤其是純電動汽車將是未來汽車發展的主要趨勢。

新能源汽車的飛速發展，隨之帶來就是電動汽車充電設備的需求也急劇增長，作為電動汽車隨車配置的IC-CPD(In-Cable Control and Protection Device)即纜上控制與保護裝置，其需求量也正在飛速上升。隨著電動汽車行業的蓬勃發展，屬于電動汽車整車配送附件的IC-CPD產品性能對于整車及人身安全的防護有重要作用。

三、國內外IC-CPD標準對漏電保護要求的解讀

回到開頭提到的IC-CPD國家標準研討會，此次會議的召開正面反映了國內相關部門和相關行業內企業對IC-CPD產品防護性能的要求的提高。仔細對比國內外對IC-CPD的標準，可以明顯發現對于漏電防護這一相關要求，目前國內標準暫時較為落后，不管是歐洲執行的IEC62752標準和美國執行的UL2231標準，對國內標準的修改都有可借鑒之處。

（1）國內標準對于漏電保護要求

GB/T 18487.1[3]中規定了在交流充電模式中，應具備滿足B型或A型的剩余的保護功能的裝置，但是由于并未強制規定要求使用B型剩余電流保護裝置，同時在IC-CPD的行業標準NBT 42077-2017[4]中也只是規定了A型剩余電流保護裝置的相關測試要求，且NBT 42077-2017作為國家的非強制標準，并不受到國內廠家的重視和認可。因此，目前國內的IC-CPD中對漏電保護的要求僅僅是A型剩余電流標準。

圖3：GB/T 18487.1-2015 10.3中對剩余電流保護的要求

（2）歐洲標準對于漏電保護要求

對于歐洲正在執行的標準IEC 61851.1-2010[5]，有明確規定要求交流充電設備中的剩余電流保護采用B型或者A型+6mA平滑直流的RCD。同時在IC-CPD相關標準IEC62752-2018[6]中也有明確說明，要求剩余電流保護裝置應檢測到平滑直流6mA。這是對國內傳統A型保護裝置的一個更高的要求。

圖4：IEC 61851.1-2010 6.5中對剩余電流保護的要求

圖5：IEC 62752-2018 5.2.8中對剩余電流保護的要求

（2）美國標準對于漏電保護要求

對于美國市場，雖然美國政府未強制規定廠家需要按照標準UL2231-1-2011[7]執行，但是在該標準中同樣提到了對直流剩余電流的保護要求。可以發現在UL2231中，有這樣的描述： CCID 分為 CCID5 以及 CCID20 兩種保護類型，根據實際需求進行挑選。而CCID5 接近于一般使用的IC-CPD，其保護閾值為 5±1mA AC/30mA DC。

圖6：UL 2231-2-2011 21.2中對剩余電流保護的要求

為什么在歐標和美標中都有明確的要求需要剩余電流保護裝置檢測直流漏電呢？首先我們先來了解對剩余電流類型的定義。

圖7：剩余電流類型的分類

其中：

AC型：指的是純交流的剩余電流波形檢測，常見為工頻交流漏電，波形較為單一，在歐洲等國家已被完全禁止使用，國內的絕大部分場景下也同樣被禁止使用；

A型：在AC型的基礎上增加了對脈動交流、脈動直流波形的檢測，目前被廣泛的使用在國內外常見的工業環境中；

B型：在A型的基礎上增加了對平滑直流、斷續直流、高頻1k Hz以及各類復合波形的檢測，是對漏電保護的更高要求，目前在國外部分家用環境或醫療環境等有直流用電設備的環境中被使用，在汽車充電領域中也正在逐漸普及；

另有F型和B+型剩余電流類型在此文不再贅述。

回到直流漏電檢測的問題上來，對于傳統的AC型或A型漏電保護裝置，核心部件大多是零序互感器，其測量電流的原理多為互感原理，由變化的電場變化的磁場，再由變化的磁場感應出變化的電流，再經過后端處理計算得出電流值。但是，當用電環境中疊加了平滑直流漏電，情況就會發生變化。

圖8：直流故障電流對A型檢測故障電流的影響

通過圖8我們可以對傳統的A型漏電保護裝置的傳感器進行分析，一般來說對于電流檢測所用的磁環，其B-H曲線如圖所示為一條經過原點的S型曲線，存在線性區和非線性區。當傳感器正常檢測故障交流電時，其對應的電場強度曲線a會在曲線的線性區，感應出的磁場強度曲線為b。當工頻交流電中疊加了直流剩余電流時，疊加的直流同時產生固定的電場強度，使曲線a偏移至曲線c，若直流電流的電場強度足夠大使得感應的電場強度來到了非線性區，則感應出的磁場強度曲線為d。通過圖8發現d曲線的磁場強度明顯小于b曲線，則對于漏電保護裝置來說對應檢測到的故障電流也會明顯小于實際值。如此會導致當實際剩余電流達到了額定值時，漏電保護裝置并不會動作，從而危及人身，造成線路或設備的損壞，嚴重時可能會引發火災等可怕后果。

因此，隨著日常生活中直流供電設備的愈發普遍，直流漏電檢測至關重要。

三、開關量產品的市場需求

開關量和模擬量是工控PLC中經常使用到的數據模式，輸入輸出大多數通過開關量和模擬量來傳輸。其中：

開關量是指非連續性信號的采集和輸出，包括遙控采集和遙控輸出。它有1和0兩種狀態，這是數字電路中的開關性質，一般開關量裝置通過內部繼電器實現開關量的輸出。在IC-CPD的應用中，傳感器可以通過給出開關量，直接控制或通過IC-CPD板載的MCU控制繼電器動作，實現漏電分斷的功能。

模擬量是指變量在一定范圍連續變化的量，也就是在一定范圍內可以取任意值（在值域內）。在剩余電流檢測中，其最大的優勢是可以實時監測工作時的剩余電流情況，對數據分析、漏電預警等方面可以提供很大的數據支撐。

如今隨著電動汽車的發展，IC-CPD的需求也向著小型化、低成本方向發展，而且漏電流檢測模塊作為IC-CPD主要元器件之一，也需要順應時代的潮流。開關量傳感器集成了電流采集和處理的雙重功能，極大了減少了在IC-CPD的PCB板上的電子元器件數量和布板空間；同時開關量的輸出模式對于IC-CPD的工程師來說更方便進行信號處理，簡化了IC-CPD軟件的制作。因此，開關量產品越來越受到廣大IC-CPD廠商的喜愛。

六、MAGTRON公司推出的滿足最新IC-CPD漏電檢測要求（ICE62752）的開關量產品

以MAGTRON公司的產品RCMU101-K系列漏電流傳感器為例，

圖9：RCMU101-K系列產品

該系列產品為B型剩余電流傳感器，采用開關量輸出，為IC-CPD客戶提供使用方便、性能優良的漏電流檢測解決方案。方案采用高精度自適應磁通門傳感技術，在原理上可實現對交直流剩余電流準確的實時有效檢測，并通過內置處理單元（MCU），輸出脫扣信號，能夠完全滿足IEC62752的漏電保護要求，同時產品系列可以完全覆蓋3.3kw、7kw單相IC-CPD和22kw三相IC-CPD的應用場景。