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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(hù)中的應(yīng)用—IC-CPD篇

2021-03-03 20:21:08 來源：財(cái)訊網(wǎng)

一、IC-CPD國家標(biāo)準(zhǔn)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(hù)裝置（IC-CPD）》國家標(biāo)準(zhǔn)啟動會在上海順利召開，來自國內(nèi)電動汽車制造企業(yè)及IC-CPD制造企業(yè)的技術(shù)專家共20余人參加了會議。此次會議主要對標(biāo)準(zhǔn)制定原則及框架內(nèi)容進(jìn)行了研討，對國家標(biāo)準(zhǔn)的制定有著積極的促進(jìn)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(yīng)用

從2015年至今，我國新能源汽車產(chǎn)銷量、保有量連續(xù)5年位居世界首位，新能源汽車正在迎來飛速發(fā)展。根據(jù)中汽協(xié)最新發(fā)布的數(shù)據(jù)，2020年中國新能源汽車銷量已累計(jì)達(dá)到110.0萬輛，占全年國內(nèi)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(yán)重，隨著國內(nèi)疫情得到控制，銷量逐步恢復(fù)；11月國內(nèi)新能源汽車銷量達(dá)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(shù)據(jù)來源：中國汽車協(xié)會

同時在今年的11月份，國務(wù)院辦公廳印發(fā)《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021－2035年）》（以下簡稱《規(guī)劃》）。《規(guī)劃》提出，在2025年，新能源汽車銷售量達(dá)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(jī)構(gòu)IDC（International Data Corporation）近日發(fā)布的一份報(bào)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(qiáng)勁增長，2020年至2025年的年均復(fù)合增長率（CAGR）將達(dá)到36.1%。到2025年，新能源汽車銷量將達(dá)到約542萬輛。

圖2：中國新能源汽車歷年銷量及預(yù)測（萬輛）——數(shù)據(jù)來源：IDC

再看歐洲市場，隨著歐洲對全球氣候變暖的關(guān)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(bǔ)貼，推動歐洲新能源汽車飛速發(fā)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(yáng)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(lǐng)域目標(biāo)遠(yuǎn)大，預(yù)計(jì)到2030年，新能源汽車銷售占比預(yù)計(jì)將大幅提高到20%。

查閱歐洲各國的禁售燃油車計(jì)劃，可以發(fā)現(xiàn)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(nèi)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(lián)邦政府在2016年通過議案將在2030年禁售燃油機(jī)車，同時計(jì)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(jì)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(jì)劃在2030年至2040年之間逐漸淘汰燃油車。

為配合各國相關(guān)計(jì)劃，各個車企也紛紛宣布了停售傳統(tǒng)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(fā)展的主要趨勢。

新能源汽車的飛速發(fā)展，隨之帶來就是電動汽車充電設(shè)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(hù)裝置，其需求量也正在飛速上升。隨著電動汽車行業(yè)的蓬勃發(fā)展，屬于電動汽車整車配送附件的IC-CPD產(chǎn)品性能對于整車及人身安全的防護(hù)有重要作用。

三、國內(nèi)外IC-CPD標(biāo)準(zhǔn)對漏電保護(hù)要求的解讀

回到開頭提到的IC-CPD國家標(biāo)準(zhǔn)研討會，此次會議的召開正面反映了國內(nèi)相關(guān)部門和相關(guān)行業(yè)內(nèi)企業(yè)對IC-CPD產(chǎn)品防護(hù)性能的要求的提高。仔細(xì)對比國內(nèi)外對IC-CPD的標(biāo)準(zhǔn)，可以明顯發(fā)現(xiàn)對于漏電防護(hù)這一相關(guān)要求，目前國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)暫時較為落后，不管是歐洲執(zhí)行的IEC62752標(biāo)準(zhǔn)和美國執(zhí)行的UL2231標(biāo)準(zhǔn)，對國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的修改都有可借鑒之處。

（1）國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)對于漏電保護(hù)要求

GB/T 18487.1[3]中規(guī)定了在交流充電模式中，應(yīng)具備滿足B型或A型的剩余的保護(hù)功能的裝置，但是由于并未強(qiáng)制規(guī)定要求使用B型剩余電流保護(hù)裝置，同時在IC-CPD的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)NBT 42077-2017[4]中也只是規(guī)定了A型剩余電流保護(hù)裝置的相關(guān)測試要求，且NBT 42077-2017作為國家的非強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，并不受到國內(nèi)廠家的重視和認(rèn)可。因此，目前國內(nèi)的IC-CPD中對漏電保護(hù)的要求僅僅是A型剩余電流標(biāo)準(zhǔn)。

圖3：GB/T 18487.1-2015 10.3中對剩余電流保護(hù)的要求

（2）歐洲標(biāo)準(zhǔn)對于漏電保護(hù)要求

對于歐洲正在執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)IEC 61851.1-2010[5]，有明確規(guī)定要求交流充電設(shè)備中的剩余電流保護(hù)采用B型或者A型+6mA平滑直流的RCD。同時在IC-CPD相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)IEC62752-2018[6]中也有明確說明，要求剩余電流保護(hù)裝置應(yīng)檢測到平滑直流6mA。這是對國內(nèi)傳統(tǒng)A型保護(hù)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(hù)的要求

圖5：IEC 62752-2018 5.2.8中對剩余電流保護(hù)的要求

（2）美國標(biāo)準(zhǔn)對于漏電保護(hù)要求

對于美國市場，雖然美國政府未強(qiáng)制規(guī)定廠家需要按照標(biāo)準(zhǔn)UL2231-1-2011[7]執(zhí)行，但是在該標(biāo)準(zhǔn)中同樣提到了對直流剩余電流的保護(hù)要求。可以發(fā)現(xiàn)在UL2231中，有這樣的描述： CCID 分為 CCID5 以及 CCID20 兩種保護(hù)類型，根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行挑選。而CCID5 接近于一般使用的IC-CPD，其保護(hù)閾值為 5±1mA AC/30mA DC。

圖6：UL 2231-2-2011 21.2中對剩余電流保護(hù)的要求

為什么在歐標(biāo)和美標(biāo)中都有明確的要求需要剩余電流保護(hù)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(nèi)的絕大部分場景下也同樣被禁止使用；

A型：在AC型的基礎(chǔ)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(nèi)外常見的工業(yè)環(huán)境中；

B型：在A型的基礎(chǔ)上增加了對平滑直流、斷續(xù)直流、高頻1k Hz以及各類復(fù)合波形的檢測，是對漏電保護(hù)的更高要求，目前在國外部分家用環(huán)境或醫(yī)療環(huán)境等有直流用電設(shè)備的環(huán)境中被使用，在汽車充電領(lǐng)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(tǒng)的AC型或A型漏電保護(hù)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(yīng)出變化的電流，再經(jīng)過后端處理計(jì)算得出電流值。但是，當(dāng)用電環(huán)境中疊加了平滑直流漏電，情況就會發(fā)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(tǒng)的A型漏電保護(hù)裝置的傳感器進(jìn)行分析，一般來說對于電流檢測所用的磁環(huán)，其B-H曲線如圖所示為一條經(jīng)過原點(diǎn)的S型曲線，存在線性區(qū)和非線性區(qū)。當(dāng)傳感器正常檢測故障交流電時，其對應(yīng)的電場強(qiáng)度曲線a會在曲線的線性區(qū)，感應(yīng)出的磁場強(qiáng)度曲線為b。當(dāng)工頻交流電中疊加了直流剩余電流時，疊加的直流同時產(chǎn)生固定的電場強(qiáng)度，使曲線a偏移至曲線c，若直流電流的電場強(qiáng)度足夠大使得感應(yīng)的電場強(qiáng)度來到了非線性區(qū)，則感應(yīng)出的磁場強(qiáng)度曲線為d。通過圖8發(fā)現(xiàn)d曲線的磁場強(qiáng)度明顯小于b曲線，則對于漏電保護(hù)裝置來說對應(yīng)檢測到的故障電流也會明顯小于實(shí)際值。如此會導(dǎo)致當(dāng)實(shí)際剩余電流達(dá)到了額定值時，漏電保護(hù)裝置并不會動作，從而危及人身，造成線路或設(shè)備的損壞，嚴(yán)重時可能會引發(fā)火災(zāi)等可怕后果。

因此，隨著日常生活中直流供電設(shè)備的愈發(fā)普遍，直流漏電檢測至關(guān)重要。

三、開關(guān)量產(chǎn)品的市場需求

開關(guān)量和模擬量是工控PLC中經(jīng)常使用到的數(shù)據(jù)模式，輸入輸出大多數(shù)通過開關(guān)量和模擬量來傳輸。其中：

開關(guān)量是指非連續(xù)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(tài)，這是數(shù)字電路中的開關(guān)性質(zhì)，一般開關(guān)量裝置通過內(nèi)部繼電器實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的輸出。在IC-CPD的應(yīng)用中，傳感器可以通過給出開關(guān)量，直接控制或通過IC-CPD板載的MCU控制繼電器動作，實(shí)現(xiàn)漏電分?jǐn)嗟墓δ堋?/p>

模擬量是指變量在一定范圍連續(xù)變化的量，也就是在一定范圍內(nèi)可以取任意值（在值域內(nèi)）。在剩余電流檢測中，其最大的優(yōu)勢是可以實(shí)時監(jiān)測工作時的剩余電流情況，對數(shù)據(jù)分析、漏電預(yù)警等方面可以提供很大的數(shù)據(jù)支撐。

如今隨著電動汽車的發(fā)展，IC-CPD的需求也向著小型化、低成本方向發(fā)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(yīng)時代的潮流。開關(guān)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(shù)量和布板空間；同時開關(guān)量的輸出模式對于IC-CPD的工程師來說更方便進(jìn)行信號處理，簡化了IC-CPD軟件的制作。因此，開關(guān)量產(chǎn)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(guān)量產(chǎn)品

以MAGTRON公司的產(chǎn)品RCMU101-K系列漏電流傳感器為例，

圖9：RCMU101-K系列產(chǎn)品

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