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论RCMU在充电枪(IC-CPD)中检测直流漏电的重要性
2022-08-30

1.背景  随着新能源的政策推广及环保意识的增强,全球汽车市场都在慢慢的由燃油车转换至混动车及电动车。2016年我国新能源汽车销量在50.7万辆左右,月均超过4万辆,有专业人士预测,2017年我国新能源汽车保底销售70万辆,可以冲击80万辆。其中纯电动车将是主力。  2.什么是IC-CPD(Mode2)  IC-CPD(In-Cable Control and Protection Device)即线上控制和保护电器。在电动车充电模式中,一般分为四种。其中的Mode2为最方便的充电方式,即直接从家里的插座上取电,充电时间上会比其他模式稍长。基于它的便携性,每辆电动车都会选择至少配备一台。IC-CPD本身对电流不进行处理,充电交给汽车上的OBC完成。它的意义在于对电流进行实时监控以及异常报警动作。  在充电或启动过程中要求IC-CPD完成自检查功能,自动初始化自测试,检查自身的所有功能包括剩余电流是否正常,若有异常(如短路或触头粘连)应不能启动充电。漏电流检测是作为IC-CPD的一项重点检测内容。  3.漏电流检测在IC-CPD上的需求  (1)漏电流的危害性及类型  【1】漏电的危害和时间息息相关,在有防止触电保护装置的情况下,人体允许通过的电流一般可按30mA考虑,10mA则是作为人体的安全电流。

【2】漏电对设备电网的损害  ①在带隔离变压器的系统中,如果直流分量超过一定值,就会造成隔离变压器饱和,导致系统过流保护,甚至损坏功率器件。  ②在不带隔离变压器的系统中直流分量将直接对负载供电。对于非线性负载,直流分量会造成电流的严重不对称,损坏负载。  ③直流分量不仅给电源系统本身和用电设备带来不良影响,还会对并网电流的谐波产生放大效应,从而产生电能质量问题。增加电网电缆的腐蚀;导致较高的瞬时电流峰值,可能烧毁熔断器,引起断电。国际上目前对直流分量上限规定基本一致,中国、美国、英国等的相关并网标准规定直流分量不允许超过每相电流额定值的0.5%或5mA。  (2)漏电类型TypeAC&TypeA&TypeB的区别(IEC,UL,GB)

【1】TypeAC指普通的正弦交流电,用普通互感器检测不适用于EV charging及绝大多数漏电检测要求  【2】TypeA指在A型的基础上还有跃动直流,一般用零序互感器检测。现在国内EV charging正在使用,检测的保护阈值在10mA~30mA不等(IC-CPD中的互感器磁芯一般选择坡莫合金)  原理与AC型一样,与AC型的区别在于对磁材进行了改动。提高了对脉动直流的灵敏度。AC型互感器检测的是一个完整的正玄波,该正弦波所产生磁滞是一个完整的环,磁通量Δ较大。而跃动的直流电相较于前者只有半个周期,其对应的磁滞环甚至不到一半,产生的磁通量远小于Δ。A型和AC型都是基于磁通量的变化来检测电流,所以如果电流是平滑的,互感器将无法检测。  【3】TypeB指的是在A型漏电的基础上还有平滑直流和断续直流,用磁通门传感器检测。  它是利用被测磁场中高导磁率磁芯在交变磁场的饱和激励下,其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场。  国际电工委员会IEC62752中明确指出需要用TypeB型作为检测漏电流的标准,并且强制执行到每个IC-CPD。UL2231中也有提到相关内容。  国标GB18487中则要求检测漏电流为TypeA或TypeB,但标准也在不断的上升,我国 起草的CQC认证中已将检测6mA平滑直流电的要求写进章程。

(3)直流平滑6mA的出处及必要性

检测直流漏电的原因:电动汽车的充电需要剩余电流电流传感器检测漏电,从而避免汽车电池(DC)连接到主电源(AC)可能带来的危险。充电桩或控制盒等在充电的过程中产生的直流分量会对影响电网质量,并且直流漏电对电器本身也会有拉弧风险。

举例,爱尔兰电子技术委员会的要求

Electro-Technical Council of Ireland Limited:

如果IC-CPD中存在IΔn DC ≥ 6 mA的平滑直流漏电流,长时间的充电过程中,TypeA的响应时间和及灵敏度都将受到干扰(高导磁环在直流电的影响下会产生磁偏移)。 由于检测不到该种漏电,TypeA型漏电流传感器的保护阈值将不再可靠。为了防止出现误检测的情况,可以选择在IC-CPD内部集成TypeB型的RCMU(Residual Current Monitoring Unit)或者在外部加上TypeB型的RCD(Residual Current Device),前者在集成性和成本上都有优势。熟悉光伏逆变器朋友们会发现,这和当初在逆变器外部加昂贵的TypeB型RCD,逐步改为内置RCMU是同样一个道理。

4.如何检测平滑的直流漏电及Magtron漏电流传感器特性原理

Magtron检测TypeB型漏电流利用的是环形磁通门原理:

被测磁场中高导磁率磁芯在交变磁场的饱和激励下,其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的。这种物理现象对被测环境磁场来说好像是一道“门”,通过这道“门”,相应的磁通量即被调制,并产生感应电动势。利用这种现象来测量电流所产生的磁场,从而间接的达到测量电流的目的。

整个过程可以概括为:当磁通门式电流传感器工作时,激励线圈中加载一固定频率、固定波形的交变电流进行激励,使磁芯往复磁化达到饱和。在不存在外在电流所产生的被测磁场时,则检测线圈输出的感应电动势只含有激励波形的奇次谐波,波形正负上下对称。当存在直流外在和激励交变磁场,直流被测磁场在前半周期内促使激励场使磁芯提前达到饱和,而在另外半个周期内使磁芯延迟饱和。因此,造成激励周期内正负半周不对称,从而使输出电压曲线中出现振幅差。该振幅差与被测电流所产生的磁场成正比,因此可以利用振幅差来检测磁环中所通过的电流。

结语:如同TypeAC型逐渐被TypeA型所替代,人们对安全漏电流检测要求规范日益提高,同时随着储能等一系列直流系统的增加,TypeB型漏电检测已经是大势所趋。

Magtron是All Programamble PGA Sensor、磁电传感SoC的全球领先企业,致力于实现新一代更智能的、高功率密度和定制化的磁电传感系统方案。在整个行业向工业物联网和传感智能化的大趋势推动下,Magtron的创新技术Quadcore,RCMU,iShunt等创新技术使得磁电传感,特别是电流传感器应用既高度集成易用,同时实现高功率密度化,也首次实现传感器高速软件化。

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