Cum se utilizează monitoarele de curent rezidual pentru a obține siguranța electrică la încărcarea vehiculelor electrice

Încărcarea frecventă a bateriilor de înaltă tensiune ale vehiculelor electrice (EV) se traduce prin cerințe ridicate de solicitare mecanică pentru cablurile și conectorii de încărcare. În cazul în care izolația se rupe și părțile metalice aflate sub tensiune sunt expuse sau apar șunturi în componentele electronice de la bord, se pot produce curenți reziduali care pot pune în pericol viața utilizatorului vehiculului electric. Deosebit de problematice sunt diversele forme de curent rezidual c.c. care nu pot fi detectate de dispozitivele de curent rezidual (RCD) de tip A sensibile la curent alternativ.

Pentru a preveni accidentele provocate de șocurile electrice, producătorii de echipamente de alimentare a vehiculelor electrice (EVSE) trebuie să încorporeze în produsele lor electronice de putere dispozitive RCD care se declanșează în câteva milisecunde, atât pentru curenții reziduali c.a., cât și pentru curenții reziduali c.c. de câțiva miliamperi (mA).

Acest articol explică formele de curenți reziduali, modul de măsurare a acestora și locul de instalare a RCD-ului în cadrul circuitului de încărcare. Apoi sunt prezentate monitoarele de curent rezidual (RCM) de la Littelfuse pe care proiectanții de sisteme le pot utiliza pentru a adăuga protecție împotriva șocurilor electrice de curent continuu în dispozitivele EVSE, într-un mod rentabil și rapid. În plus, articolul demonstrează pentru ce moduri de încărcare a vehiculelor electrice sunt potriviți acești senzori de curent și cum sunt utilizați.

Curenți reziduali în circuitul de încărcare a vehiculelor electrice

Încărcarea vehiculelor electrice la tensiuni de până la 400 de volți c.a. și 1000 de volți c.c. necesită măsuri de protecție extinse pentru utilizatorul vehiculului electric atunci când manipulează echipamentul de încărcare. Din cauza impulsurilor de comutare asimetrice și bogate în armonici ale stațiilor de încărcare și ale încărcătoarelor de la bord, precum și din cauza tensiunii de câteva sute de volți a legăturii de curent continuu, pot apărea diferite tipuri de curenți reziduali c.a. și c.c. prin șunturi, efecte de cuplare, defecte de izolație și defecte de scurgere.

Circuitele electronice de putere, cum ar fi redresoarele, convertoarele de comutare, invertoarele de frecvență, împreună cu sistemele de control al invertorului și al unghiului de fază, au o mare varietate de caracteristici ale curentului de sarcină. Curenții reziduali potențiali rezultați sunt clasificați ca fiind curent alternativ sinusoidal, curent continuu pulsatoriu și curent continuu direct. Aceste forme de curent rezidual sunt periculoase pentru oameni. Tabelul 1 prezintă semnalele tipice ale curentului de sarcină al diferitelor topologii de circuit și formele de undă ale curentului rezidual rezultat. Coloanele 1-3 atribuie tipurile de RCD adecvate pentru detecție.

Tabelul 1: Formele de curent de defect și detectarea acestora în funcție de tipul de RCD cel mai potrivit (coloanele 1-3). (Sursa imaginii: Wikipedia)

O bună cunoaștere a formelor de undă ale curenților reziduali poate fi de ajutor pentru atelierele de reparații și electricienii care lucrează cu vehicule electrice atunci când urmăresc curenți reziduali în sistemele electronice de bord ale EV, EVSE sau în stațiile de încărcare.

Caracteristica de declanșare a tipurilor de RCD

În general, protecția personală împotriva șocurilor electrice în instalațiile electrice este reglementată de IEC 60479 și UL 943. Ambele standarde definesc curenți reziduali semnificativi de c.a. și c.c. în gama de 6, 30, 100, 300, 500 și 1000 mA, la timpi de declanșare de la 20 la 500 ms. Pragurile comune de declanșare în circuitul de încărcare a vehiculelor electrice sunt de 6 mA c.c. și 30 mA c.a.

În prezent, proiectanții de sisteme pot implementa cu ușurință cerințele specifice de protecție personală în circuitul de încărcare prin selectarea unui tip de RCD conform standardului corespunzător. Tabelul 2 enumeră formele de curent rezidual și toleranța de declanșare a diferitelor tipuri de RCD sau de întrerupătoare pentru lipsa circuitului de împământare (GFCI).

Tabelul 2: Caracteristicile de declanșare ale diferitelor tipuri de GFCI sau RCD. (Sursa tabelului: abb.com)

Instalarea de RCD-uri în circuitul de încărcare a vehiculelor electrice

Dispozitivele RCD de tip A sau de tip F detectează doar curentul rezidual c.a. și curentul continuu pulsatoriu, ceea ce este insuficient pentru protejarea unui circuit de încărcare a unui vehicul electric. De asemenea, trebuie să se ia în considerare o gamă largă de curenți c.c. reziduali care pot apărea în încărcătorul de la bord sau în sistemul de gestionare a bateriei.

Prin urmare, standardul IEC 62196 definește două opțiuni de protecție împotriva curentului rezidual: utilizarea unui RCD de tip B (sau tip B+) sensibil la toate tipurile de curent sau a unui RCD de tip A împreună cu un sistem de monitorizare a curentului continuu rezidual în conformitate cu IEC 62955 cu I_Δn c.c. ≥ 6 mA. Sistemul de monitorizare a curentului de defect c.c. poate fi dispus în cofret, în instalația electrică a clădirii sau în ambele locații.

Deoarece, în general, un RCD de tip A sau tip F sensibil la curent alternativ există deja în sistemele electrice ale clădirilor, proiectanții pot adăuga fără multe costuri o monitorizare a curentului continuu rezidual de 6 mA la cofrete sau la stațiile de încărcare de mod 3, precum și la cutiile de control în cablu (ICCB) pentru cablurile de încărcare de mod 2 (Figura 1, cazurile 2 și 3).

Figura 1: Dispozitivele EVSE trebuie să adauge un RCM de curent continuu în aval de RCD-ul de tip A sensibil la c.a. (cazul 2) sau să aibă unul conectat direct la rețeaua de c.a. prin intermediul unui RCD de tip B (cazul 4). (Sursă imagine: goingelectric.de)

Moduri de încărcare a vehiculelor electrice

Bateriile vehiculelor electrice pot fi încărcate prin diferite moduri de încărcare, în funcție de conexiunea electrică disponibilă la fața locului, de fișa de conectare, de cablul de încărcare și de tehnologia de încărcare instalată în vehicul, precum și în stația de încărcare. În Europa, energia electrică poate ajunge la vehicul prin intermediul curentului alternativ monofazat (230 volți/3,6 kilowați (kW), curentului alternativ trifazat (400 volți/22 kW) sau prin intermediul stațiilor de încărcare c.c. de înaltă tensiune (până la 1000 de volți c.c./500 kW). Figura 2 ilustrează cele patru moduri de încărcare definite în standardul IEC 61851.

Figura 2: Ilustrație a celor patru moduri de încărcare definite în standardul IEC 61851. (Sursă imagine: bestchargers.eu)

Modul 1 (încărcare monofazată în c.a. până la 3,6 kW; mod de încărcare implicit)

În acest caz, autovehiculul electric sau hibrid este conectat la o priză standard de 230 de volți pentru uz casnic cu ajutorul unui simplu cablu pasiv și va fi încărcat folosind o putere redusă de maximum 3,6 kW prin intermediul încărcătorului de la bord. Acest scenariu de încărcare nu oferă utilizatorului o protecție suficientă împotriva curentului continuu rezidual. De obicei, în sistemul electric al clădirii se instalează doar un RCD de tip A sensibil la curent alternativ.

Modul 2 (încărcare în curent alternativ monofazat/trifazat de până la 22 kW prin intermediul unui cablu de încărcare ICCB)

Un cablu de încărcare de mod 2 echipat cu o fișă de tip 2 pentru vehicule conține un ICCB care îndeplinește funcții de siguranță și de comunicare atunci când se încarcă vehicule electrice care utilizează prize casnice și trifazate pentru a preveni supraîncărcarea acestora.

Următoarele funcții de protecție trebuie să fie integrate cu ICCB:

• Determinarea polarității și monitorizarea conductorului de protecție (PC); între neutru și PC sunt permiși doar câțiva ohmi de impedanță de buclă.
• Testarea conexiunii electrice dintre PC și corpul metalic.
• Un disjunctor de curent alternativ și curent continuu rezidual previne accidentele legate de curent.
• Monitorizarea/oprirea procesului de încărcare în caz de anomalii (de exemplu, fluctuații de curent datorate contactelor corodate ale fișei sau ruperii cablului).
• Monitorizarea temperaturii din interiorul ICCB și a ambelor fișe și efectuarea opririi dacă este necesar.
• Controlul puterii de încărcare: rezistoare de coborâre pe firul pilot de control (CP) pentru a semnala capacitatea de încărcare a curentului de pe cablu atât către cofret, cât și către EV; semnalul de modulare în lățime a impulsurilor (PWM) de pe firul de control al încărcării (CC) semnalează capacitatea de încărcare a cofretului către EV.

Modul 3 (încărcare în curent alternativ monofazat/trifazat de până la 22 kW prin intermediul unui cofret)

Pentru încărcarea vehiculelor electrice, un cablu pasiv de Mod 3 este conectat la un cofret în gospodăriile private sau la o stație publică de încărcare c.a. în parcări. Ambele au integrate aceleași funcții de protecție ca și ICCB menționat mai sus.

Modul 4 (încărcarea rapidă directă a bateriei în curent continuu până la 500 kW)

Stațiile de încărcare c.c. de mare putere (DC/HPC) pentru vehiculele electrice oferă curenți de încărcare semnificativ mai mari în comparație cu modul 2 și modul 3. În acest supraîncărcător este implementată protecția împotriva șocurilor cauzate de curentul alternativ și curentul continuu rezidual; diferitele cabluri de încărcare sunt întotdeauna bine fixate.

Măsurarea curenților de defect c.a. și c.c. în circuitul EVSE

RCM-urile din seria RCM14 de la Littelfuse Inc. detectează curenții reziduali c.c. și/sau c.a. în sistemele c.a. sau c.c. și furnizează un semnal de ieșire pentru a controla un releu extern de deconectare (releu de întrerupere). În schimb, RCD-urile și întrerupătoarele de curent rezidual (RCCB) au un releu de întrerupere integrat.

Curenții reziduali c.a. sunt detectați cu ajutorul unui transformator de curent inductiv (CT). În acest scop, conductorul de curent direct (I_L) și conductorul de curent invers (I_N) sunt alimentate printr-un miez toroidal magnetic moale, ceea ce face ca ambii vectori de curent să se compenseze reciproc și să însumeze zero. Dacă un curent de defect (I_g) trece în potențialul de masă prin corpul uman în circuitul din spatele detectorului, curentul total RCM sau GFCI diferă de zero, iar disjunctorul se declanșează (Figura 3).

Figura 3: Dacă un curent de defect (I_g) trece în potențialul de masă prin intermediul corpului uman, curentul total GFCI diferă de zero, iar disjunctorul se declanșează. (Sursă imagine: Littelfuse)

Prin integrarea unei sonde magnetometrice fluxgate într-o fantă a miezului toroidal și prin compensarea fluxului magnetic la zero cu ajutorul unei bobine de compensare, CT poate detecta și curentul continuu diferențial. Mai precisă decât senzorii cu efect Hall sau rezistoarele de șuntare, această metodă detectează curenți de defect c.c. mici, de la 6 mA la curenți de sarcină c.c. de până la 500 de amperi (A).

RCM-uri cu ieșire de control pentru dispozitivul de deconectare

Seria RCM14 de la Littelfuse este ideală pentru utilizarea în cablurile de încărcare ICCB pentru vehicule electrice (modul 2) și stațiile de încărcare pentru vehicule electrice (modul 3). Acestea sunt disponibile în trei opțiuni de detectare a curentului rezidual, în conformitate cu IEC 62752 (modul 2), IEC 62955 (modul 3) și UL 2231.

Fiecare RCM are un led de funcționare și un led de eroare. Conectorul JST cu patru pini simplifică instalarea: pinii 1 și 2 sunt pentru sursa de alimentare de 12 volți, pinul 3 este pentru testarea funcțiilor externe, iar pinul 4 este o ieșire de comutare cu drenă deschisă pentru comanda unui dispozitiv de deconectare extern, cum ar fi un releu de întrerupere, la o tensiune de până la 100 mA și 24 volți (maxim) (Figura 4).

Figura 4: Modulele din seria RCM14 au două leduri de stare și se pot conecta cu ușurință prin intermediul conectorului JST cu patru pini. (Sursă imagine: Littelfuse)

De asemenea, aceste RCM-uri active pot fi utilizate pentru a detecta curenții reziduali c.a. și/sau c.c. în instalații c.c. monofazate sau multifazate. Funcționarea monofazată limitează curentul de sarcină la 100 A, în timp ce funcționarea trifazată are loc la 40 A. Acestea pot gestiona impulsuri de curent de sarcină de până la 3000 A.

RCM14-01: modulul RCM c.c. de 6 mA conform IEC 62955, deschidere de 14 milimetri (mm)

Monitorul de curent rezidual RCM14-01 detectează curenții de defect c.c. în sistemele c.a. de 50 Hz/60 Hz. Acesta este dezvoltat pentru a fi utilizat în stațiile de încărcare în modul 3 pentru vehicule electrice (standardul IEC 62955) pentru a întrerupe circuitul de încărcare a vehiculului electric în cazul unui curent de defect c.c. ≥ 6 mA. Acest detector adaugă funcția de monitorizare a curentului rezidual c.c. la RCD-urile existente de tip A și tip F din sistemul electric al clădirii, într-un mod simplu și rentabil (Figura 5).

Figura 5: RCM14-01 adaugă monitorizarea curenților reziduali de curent continuu ≥ 6 mA la RCD-urile de tip A sensibile la c.a. din sistemele electrice ale clădirilor. (Sursa imaginii: Littelfuse, Western Automation)

RCM14-03: modulul RCM de 6 mA c.c./30 mA c.a. conform IEC 62752, deschidere de 14 mm

RCM14-03 este destinat utilizării în ICCB sau în dispozitivele de protecție integrate pentru vehicule electrice în modul de încărcare 2 pentru a întrerupe alimentarea EV în cazul unei defecțiuni c.a. sau c.c.

RCM14-04: modulul RCM de 56 mA c.c./20 mA c.a. conform UL 2231-2, deschidere de 14 mm

Modulul RCM14-04 detectează curenții de defect c.a. și c.c. în instalațiile de curent alternativ de 60 hertzi (Hz). Acesta este proiectat pentru a fi utilizat în aplicațiile stațiilor de încărcare a vehiculelor electrice cu dispozitiv de întrerupere a circuitului de încărcare (CCID), unde întrerupe alimentarea vehiculului electric în cazul unei condiții de curent alternativ și/sau curent continuu rezidual.

RCM20-01: RCM20-01 este un monitor de curent rezidual destinat detectării curenților c.c. reziduali în instalațiile c.a. de 50 Hz/60 Hz. Este destinat stațiilor de încărcare a vehiculelor electrice în modul 3, pentru a deconecta alimentarea vehiculului electric în condiții de curent de defect rezidual c.c. Produsul este pe deplin conform cu IEC 62955.

RCM20-03: RCM20-03 este un monitor de curent rezidual destinat detectării curenților c.c. și c.a. reziduali în instalațiile c.a. de 50 Hz/60 Hz. Este destinat stațiilor de încărcare a vehiculelor electrice în modul 2, pentru a deconecta alimentarea vehiculului electric în condiții de curent de defect c.c. și c.a. Produsul este pe deplin conform cu IEC 62752 și poate fi utilizat, de asemenea, pentru aplicațiile IEC 62955, unde este necesară detectarea defecțiunilor de 30 mA c.a.

Pentru integrarea într-un circuit mai mare de dispozitive, următoarele module RCM prezentate sunt disponibile și ca sisteme cu cadru deschis:

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

Fiecare sistem este format dintr-o placă de circuite imprimate cu senzor care poate fi cositorit și un transformator de curent separat (Figura 6).

Figura 6: Modulele RCM14-04_SYS sunt sisteme cu cadru deschis, constând dintr-o placă de circuite imprimate pentru senzori și un transformator de curent. (Sursa imaginii: Littelfuse, Western Automation)

Concluzie

Dispozitivele RCD de tip A sensibile la c.a. sunt standarde comune de instalare în sistemele electrice ale clădirilor, dar acestea nu pot proteja împotriva riscurilor de curent continuu rezidual în circuitele de încărcare a vehiculelor electrice. După cum s-a arătat, seria RCM14 poate efectua monitorizarea curentului rezidual c.c. necesar în cablurile de încărcare ICCB (modul 2) și în stațiile de încărcare a vehiculelor electrice (modul 3). Având doar patru pini de conectare, proiectanții de sisteme pot implementa cu ușurință și în mod rentabil modulul RCM compact sau sistemul cu cadru deschis în EVSE-ul lor.