Hur man använder jordfelsövervakning för att garantera elsäkerheten vid laddning av elfordon

Frekvent laddning av högspänningsbatterier i elfordon (EV) medför hög mekanisk påfrestning på laddningskablar och kontaktdon. Om isoleringen går sönder och strömförande metalldelar exponeras, eller om shuntar uppstår i den inbyggda elektroniken, kan livshotande jordfel nå elfordonsanvändaren. Särskilt problematiskt är olika former av likströmsjordfel som inte kan detekteras av växelströmskänsliga jordfelsbrytare (RCD) av typ A.

För att förhindra olyckor orsakade av elektricitet måste tillverkare av strömförsörjningsutrustning för elfordon (EV Supply Equipment) integrera jordfelsbrytare i sina kraftelektronikprodukter som löser ut inom några millisekunder och redan vid några få milliampere av jordfel för växel- eller likström.

Artikeln förklarar olika former av jordfel, hur man mäter dem och var i laddningskretsen en jordfelsbrytare ska installeras. Därefter introduceras jordfelsövervakning (RCM) från Littelfuse som systemkonstruktörer kan använda för att utöka skyddet mot likströmsstötar i sin strömförsörjningsutrustning för elfordon, på ett kostnads- och tidseffektivt sätt. Artikeln visar också vid vilka nivåer av elfordonsladdning som dessa strömsensorer är lämpliga och hur de används.

Jordfel i elfordonets laddningkrets

Laddning av elfordon med spänningar på upp till 400 VAC och 1 000 VDC kräver omfattande skyddsåtgärder för elfordonsanvändaren vid användning av utrustning för laddning. På grund av switchningspulser med mycket övertoner i i laddningsstationer och inbyggda fordonsladdare, samt flera hundra volts matningsspänning med likström, kan olika typer av jordfel för växel- och likström uppstå via shuntar, kopplingseffekter, isoleringsfel och läckagefel.

Elektroniska kraftkretsar, som t.ex. likriktare, switchande omvandlare, frekvensomvandlare, tillsammans med styrsystem för växelriktare och fasvinkel, har en mängd olika egenskaper för belastningsström. Det potentiella jordfel som kan uppstå kategoriseras som sinusformad växelström, pulsad likström och rak likström. Dessa former av jordfel är farliga för människor. Tabell 1 visar typiska signaler för belastningsström vid olika kretstopologier och resulterande kurvor för jordfel. Kolumnerna 1 till 3 anger jordfelsbrytare som är lämpliga för detektering.

Tabell 1: Olika typer av felströmmar och dess detektering beroende på vilken typ av jordfelsbrytare som är mest lämplig (kolumn 1 till 3). (Bildkälla: Wikipedia)

Goda kunskaper om jordfelens vågformer kan hjälpa elfordonsverkstäder och elektriker att spåra jordfel i elfordonens kretskortselektronik, strömförsörjningsutrustning för elfordon eller laddningsstationer.

Utlösningsegenskaper för olika typer av jordfelsbrytare

I allmänhet regleras personligt skydd mot elektriska stötar i elektriska installationer av standarderna IEC 60479 och UL 943. Båda standarderna definierar betydande jordfel för växelström- och likström i intervallet 6, 30, 100, 300, 500 och 1 000 mA, med utlösningstider från 20 till 500 ms. Vanliga gränsvärden för utlösning i laddningskretsen för elfordon är 6 mA för likström och 30 mA för växelström.

Nu kan systemkonstruktörer enkelt implementera specifika krav på personskydd i laddningskretsen genom att välja en jordfelsbrytare enligt lämplig standard. I tabell 2 listas olika former av jordfel och utlösningstoleranser för olika typer av jordfelsbrytare (RCD eller GFCI).

Tabell 2: Utlösande egenskaper för olika typer av jordfelsbrytare. (Tabellkälla: abb.com)

Installera jordfelsbrytare i elfordonets laddningskrets

Jordfelsbrytare av typ A eller F detekterar jordfel enbart vid växelström eller pulserande likström, vilket är otillräckligt för att skydda en laddningskrets i ett elfordon. En mängd olika direkta jordfel för likström som kan uppstå i den inbyggda fordonsladdaren eller i batterihanteringssystemet måste också beaktas.

Standarden IEC 62196 definierar därför två alternativ för skydd mot jordfel; användning av en jordfelsbrytare av typ B (eller typ B+) som är känslig för all ström, eller en jordfelsbrytare av typ A i kombination med ett övervakningssystem för jordfel enligt standarden IEC 62955, med I_Δn DC ≥ 6 mA. Övervakning av felström för likström kan placeras i den väggmonterade laddningsstationen, i byggnadens elinstallationsystem eller på båda platserna.

Eftersom en växelströmskänslig jordfelsbrytare av typ A eller F normalt finns i byggnadens elsystem, kan konstruktörer på ett kostnadseffektiv sätt lägga till övervakning av jordfel för likström på 6 mA i väggmonterade laddningsstationer eller laddningsstationer enligt nivå 3, samt för laddningskablar enligt nivå 2 (figur 1, fall 2 och 3) för kablar med inbyggd styrbox.

Figur 1: Strömförsörjningsutrustning för elfordon måste lägga till en jordfelsövervakning för likström nedströms till den växelströmskänsliga jordfelsbrytaren av typ A (fall 2), eller ha en som är ansluten direkt till växelströmsnätet via en jordfelsbrytare av typ B (fall 4). (Bildkälla: goingelectric.de)

Laddningslägen för elfordon

Elfordonsbatteriet kan laddas med hjälp av olika laddningslägen, beroende på tillgänglig strömanslutning på plats, anslutningskontakt, laddningskabel samt den laddningsteknik som är installerad i fordonet eller i laddningsstationen. I Europa kan elektricitet matas in i fordonet via växelström med en fas (230 V/3,6 kW), växelström med tre faser (400 V/22 kW) eller via likströmsladdningsstationer med högspänning (upp till 1 000 VDC/500 kW). Figur 2 illustrerar de fyra laddningslägen som definieras enligt standarden IEC 61851.

Figur 2: Illustration av de fyra laddningslägen som definieras enligt standarden IEC 61851. (Bildkälla: bestchargers.eu)

Läge 1 (växelströmsladdning med en fas på upp till 3,6 kW; standardläge för laddning)

I detta fall ansluts el- eller hybridfordonet med en enkel passiv kabel till ett hushållsuttag med 230 V och laddas med låg effekt på maximalt 3,6 kW via den inbyggda fordonsladdaren. Laddningsscenariot tillhandahåller inte tillräckligt skydd mot jordfel för likström för användaren. Vanligtvis installeras endast en växelströmskänslig jordfelsbrytare av typ A i byggnadens elsystem.

Läge 2 (växelströmsladdning med en-/trefas på upp till 22 kW via en laddningskabel med ICCB)

En laddningskabel för läge 2 utrustad med en fordonskontakt av typ-2 innehåller en ICCB som utför säkerhets- och kommunikationsfunktioner vid laddning av elfordon med hushålls- och trefasuttag för att förhindra överbelastning av dessa.

Följande skyddsfunktioner måste integreras med ICCB:

• Polaritetsbestämning och övervakning av skyddsledaren; en slingimpedans på endast några få ohm är tillåtet mellan nollan- och skyddsledaren.
• Test av elektrisk anslutning mellan skyddsledaren och metallkarossen.
• En jordfelsbrytare för växel- och likström förhindrar olyckor orsakade av ström.
• Övervakning/avstängning av laddningsprocessen vid avvikelser (t.ex. strömvariationer på grund av rostiga stickkontakter eller kabelbrott).
• Övervakning av temperaturen inuti ICCB:n och de båda kontakterna samt avstängning vid behov.
• Styrning av laddningseffekt: Pull-down-resistorer på kommunikationskabeln (CP) för att meddela kabelns märkström till både laddningsstation och elfordon; pulsbreddsmoduleringssignalen (PWM) på styrkabeln för laddning (CC) meddelar elfordonet den laddningseffekt som den väggmonterade laddningsstationen kan tillhandahålla.

Läge 3 (växelströmsladdning med en-/tre faser på upp till 22 kW via väggmonterad laddningsstation)

För laddning av elfordon ansluts en passiv kabel för läge 3 till en väggmonterad laddningsstation för privata hushåll, eller till en offentlig laddningsstation med växelström på parkeringsplatser. Båda har samma inbyggda skyddsfunktioner som ICCB:n ovan.

Läge 4 (direkt snabbladdning av batteri med likström på upp till 500 kW)

Likströmsladdare med hög effekt (DC/HPC) för elfordon levererar betydligt högre laddningsström jämfört med läge 2 och 3. I denna snabbladdare finns skydd mot elektriska stötar från jordfel orsakade av växel- eller likström; de olika laddningskablarna är alltid ordentligt anslutna.

Mät jordfelsströmmar för växel- och likström i kretsen för strömförsörjningsutrustningen för elfordon

Jordfelsövervakare i serien RCM14 från Littelfuse Inc, detekterar jordfel för likström och/eller växelström i växel- eller likströmssystem och levererar en utsignal för att styra en extern frånkopplare (frånskiljande relä). Jordfelsbrytare har däremot ett integrerat relä för frånskiljning.

Jordfel för växelström detekteras med hjälp av en induktiv strömtransformator (CT). För detta ändamål matas strömmens ledare för fasen (I_L) och ledaren för nollan (I_N) genom en mjuk magnetisk toroidkärna, vilket gör att båda strömvektorerna normalt kompenserar för varandra och summan blir noll. Om en felström (I_g) flödar in i jordpotentialen via människokroppen i kretsen bakom detektorn, avviker jordfelsövervakningens eller jordfelsbrytarens totala ström från noll och kretsbrytaren löser ut (figur 3).

Figur 3: Om en felström (I_g) flödar in i jordpotentialen via människokroppen, avviker jordfelskretsens totala ström från noll och kretsbrytaren löser ut. (Bildkälla: Littelfuse)

Genom att integrera en magnetometersond med fluxgate i ett spår i toroidkärnan och kompensera det magnetiska flödet till noll med hjälp av en kompensationsspole, kan strömtransformatorn även detektera differentiell likström. Metoden är mer exakt än Hall-effektsensorer eller shuntresistorer och känner av små värden av likströmsfel från 6 mA, vid hög likströmsbelastning upp till 500 A.

Jordfelsövervakning med utgångsstyrning för frånskiljare

Serien RCM14 från Littelfuse är idealisk vid användning av laddningskablar med ICCB för elfordon (läge 2) och laddningsstationer för elfordon (läge 3). Det finns tre tillgängliga alternativ för detektering av jordfel i enlighet med IEC 62752 (läge 2), IEC 62955 (läge 3) och UL 2231.

Varje jordfelsövervakare har en lysdiod för drift och en lysdiod för fel. JST-kontakten med fyra stift förenklar installationen: stift 1 och 2 är avsedda för strömförsörjning med 12 V, stift 3 är för extern funktionstestning och stift 4 är en switchande open-drain-utgång för att driva en extern frånskiljare, som t.ex. ett frånskiljningsrelä, med upp till 100 mA och 24 V (max.) (figur 4).

Figur 4: Modulerna i serien RCM14 har två statuslysdioder och är lätta att ansluta via JST-kontakten med fyra stift. (Bildkälla: Littelfuse)

Dessa aktiva jordfelsövervakare kan också användas för att detektera jordfel för växel- och/eller likström i likströmsinstallationer med en eller flera faser. Vid en fas begränsas belastningsströmmen till 100 A, medan den med tre faser är på 40 A. De kan hantera pulser i belastningsströmmen på upp till 3 000 A.

RCM14-01: 6 mA DC jordfelsövervakningsmodul i enlighet med standarden IEC 62955, öppning 14 mm

Jordfelsövervakaren RCM14-01 detekterar likströmsfel i växelströmssystem på 50/60 Hz. Den är utvecklad för användning i laddningsstationer för elfordon på nivå 3 (i enlighet med standarden IEC 62955) för att bryta elfordonets laddningskrets i händelse av ett likströmsfel ≥ 6 mA. Detektorn lägger, på ett kostnadseffektivt och enkelt sätt, till en övervakningsfunktion för jordfel för likström till befintliga jordfelsbrytare av typ A och F i byggnadens elsystem (figur 5).

Figur 5: RCM14-01 lägger till övervakning av jordfel för likström ≥ 6 mA till växelströmskänsliga jordfelsbrytare av typ A i byggnaders elsystem. (Bildkälla: Littelfuse, Western Automation)

RCM14-03: 6 mA DC/30 mA AC jordfelsövervakningsmodul i enlighet med standarden IEC 62752, öppning 14 mm

RCM14-03 är avsedd att användas i ICCB eller integrerade skyddsanordningar för elfordon i laddningsläge 2 för att avbryta strömförsörjningen till elfordonet i händelse av ett växel- eller likströmsfel.

RCM14-04: 56 mA DC/20 mA AC jordfelsövervakningsmodul i enlighet med standarden UL 2231-2, öppning 14 mm

Modulen RCM14-04 detekterar växel-/likströmsfel i växelströmsinstallationer med 60 Hz. Den är avsedd för användning i laddningsstationer med CCID (Charging Circuit Interrupting Device) där den frånskiljer strömförsörjningen till elfordonet i händelse av ett jordfel för växel- och/eller likström.

RCM20-01: RCM20-01 är en jordfelsövervakare avsedd för detektering av likströmsjordfel i växelströmsinstallationer med 50/60 Hz. Den är avsedd för laddstationer i läge 3 för elfordon, för att koppla bort matningen till elfordonet vid likströmsjordfel. Produkten är helt kompatibel med IEC 62955.

RCM20-03: RCM20-03 är en jordfelsövervakare avsedd för detektering av likströms- och växelströmsjordfel i växelströmsinstallationer med 50/60 Hz. Den är avsedd för laddstationer i läge 2 för elfordon, för att koppla bort matningen till elfordonet vid likströms- och växelströmsjordfel. Produkten uppfyller kraven i IEC 62752 och kan även användas i tillämpningar enligt IEC 62955 där det krävs 30 mA detektering av växelströmsjordfel.

För integrering i en större enhetskrets finns följande moduler av jordfelsövervakning även tillgängliga som system med öppen ram:

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

Respektive system består av ett lödbart sensorkretskort och en separat strömtransformator (figur 6).

Figur 6: Modulerna RCM14-04_SYS är system med öppen ram och består av ett sensorkretskort och en strömtransformator. (Bildkälla: Littelfuse, Western Automation)

Sammanfattning

Växelströmskänsliga jordfelsbrytare av typ A är standard i normala elsystemsinstallationer i byggnader, men de kan inte skydda mot riskerna för jordfel för likström i elfordonens laddningskretsar. Som framgår kan serien RCM14 utföra den övervakning av jordfel för likström som krävs i laddningskablar med ICCB (läge 2) och laddningsstationer för elfordon (läge 3). Med endast fyra anslutningsstift kan systemkonstruktörer enkelt och kostnadseffektivt implementera en kompakt modul för jordfelsövervakning eller system med öppen rami sin strömförsörjningsutrustning för elfordon.