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摘要：隨著電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的快速發(fā)展，供電設(shè)備的安全性成為了公眾關(guān)注的焦點(diǎn)。為了確保電動(dòng)汽車(chē)供電設(shè)備的安全、可靠運(yùn)行，并保障使用人員和周?chē)h(huán)境的安全，中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)和國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院有限公司等單位共同修訂起草了《電動(dòng)汽車(chē)供電設(shè)備安全要求》這一強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)的制定旨在統(tǒng)一電動(dòng)汽車(chē)供電設(shè)備的安全規(guī)范，推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)及其配套設(shè)施健康、有序地發(fā)展。
一、背景
而電動(dòng)汽車(chē)離不開(kāi)充電樁，電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的發(fā)展會(huì)推動(dòng)充電樁行業(yè)的發(fā)展。充電樁作為新能源汽車(chē)基礎(chǔ)設(shè)施的核心部分，近年來(lái)在政策和市場(chǎng)的雙重推動(dòng)下，市場(chǎng)規(guī)模實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)。然而，盡管充電樁數(shù)量不斷增加，但與新能源汽車(chē)保有量的增速相比，仍存在較大差距，車(chē)樁比尚未達(dá)到政策目標(biāo)。據(jù)預(yù)測(cè)，未來(lái)充電樁市場(chǎng)仍有廣闊的發(fā)展空間。因此，加強(qiáng)充電樁建設(shè)，提高充電樁覆蓋率和充電效率，將是未來(lái)新能源汽車(chē)行業(yè)發(fā)展的重要方向之一，以滿足日益增長(zhǎng)的新能源汽車(chē)充電需求。
二、市場(chǎng)規(guī)模
充電樁是新能源汽車(chē)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分，一個(gè)完整的充電樁主要包括充電系統(tǒng)、監(jiān)控系統(tǒng)、計(jì)量計(jì)費(fèi)系統(tǒng)等。在政策和市場(chǎng)雙重驅(qū)動(dòng)下，充電樁產(chǎn)業(yè)迎來(lái)加速發(fā)展，市場(chǎng)規(guī)模實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)。中商產(chǎn)業(yè)研究院發(fā)布的《2023-2028年中國(guó)充電樁專(zhuān)題研究及發(fā)展前景預(yù)測(cè)評(píng)估報(bào)告》顯示，按終端銷(xiāo)售口徑統(tǒng)計(jì)，2022年中國(guó)充電樁市場(chǎng)規(guī)模為372億元，同比增長(zhǎng)69.1%，2023年約為431億元。中商產(chǎn)業(yè)研究院分析師預(yù)測(cè)，2024年市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)517億元，如圖1所示。
圖1 2019-2024年中國(guó)充電樁市場(chǎng)規(guī)模預(yù)測(cè)趨勢(shì)圖
三、車(chē)樁比
隨著新能源汽車(chē)銷(xiāo)量爆發(fā)，新能源汽車(chē)保有量的不斷提升。截至2022年底，全國(guó)新能源汽車(chē)保有量達(dá)1310萬(wàn)輛，占汽車(chē)總量的4.10%。充電樁是新能源汽車(chē)的關(guān)鍵性配套設(shè)備，行業(yè)發(fā)展速度遠(yuǎn)跟不上市場(chǎng)需求。根據(jù)充電聯(lián)盟數(shù)據(jù)，截至2022年，國(guó)內(nèi)車(chē)樁比約為2.5:1，距離工業(yè)和信息化部此前提出的“2025年實(shí)現(xiàn)車(chē)樁比2:1，2030年實(shí)現(xiàn)車(chē)樁比1:1”的目標(biāo)仍存在較大差距，如圖2所示。充電樁需求缺口大，未來(lái)我國(guó)充電樁建設(shè)仍有廣闊空間。
圖2 2018-2030年中國(guó)車(chē)樁比趨勢(shì)預(yù)測(cè)圖
四、標(biāo)準(zhǔn)解讀
1、標(biāo)準(zhǔn)介紹
《電動(dòng)汽車(chē)供電設(shè)備安全要求》是一項(xiàng)強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，主要針對(duì)電動(dòng)汽車(chē)供電設(shè)備的安全性進(jìn)行規(guī)范。該標(biāo)準(zhǔn)以GB/T 39752—2021為基礎(chǔ)進(jìn)行修訂，旨在確保供電設(shè)備在使用過(guò)程中的安全性和可靠性。它適用于各種類(lèi)型的電動(dòng)汽車(chē)供電設(shè)備，包括但不限于充電模式2、充電模式3和充電模式4的設(shè)備。規(guī)定了符合性試驗(yàn)使用的儀器設(shè)備、試驗(yàn)條件、試驗(yàn)部位、試驗(yàn)方法和計(jì)算方法等，為設(shè)備的檢測(cè)和認(rèn)證提供了統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的適用范圍廣泛，包括額定輸出電壓為1000V AC或1500V DC及以下的各類(lèi)型供電設(shè)備，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和指導(dǎo)性，模式二模式三充電示意圖如圖3所示。
圖3 模式二模式三充電示意圖
2、新國(guó)標(biāo)充電樁漏保要求
如圖4所示，自今年4月1日開(kāi)始正式實(shí)施GB/T 18487.1-2023以來(lái)，國(guó)標(biāo)中對(duì)于漏電保護(hù)的要求和歐標(biāo)趨于一致，在11.3.1中提出供電設(shè)備的剩余電流保護(hù)應(yīng)具備保護(hù)交流剩余電流，脈動(dòng)直流剩余電流，和6mA及以上平滑直流剩余電流的功能。
圖4 新國(guó)標(biāo)充電樁漏保要求
3、強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)充電樁漏保要求
強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)征集草案中對(duì)于剩余電流保護(hù)部分也有和GB/T 18487.1-2023中同樣的要求。
圖5 強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)充電樁漏保要求
草案提議中對(duì)交流供電設(shè)備的剩余電流保護(hù)均依據(jù)GB/T 18487.1-2023的要求A型漏保中對(duì)平滑直流6mA及以上的剩余電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)。如圖5所示，此次提案將原有的推薦性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 39752-2021全部替換為強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。
四、原理分析
1、漏電流的產(chǎn)生和分類(lèi)
一般漏電流分為以下四種：半導(dǎo)體元件漏電流，電源漏電流，電容漏電流，濾波器漏電流。
（1）半導(dǎo)體元件漏電流
半導(dǎo)體元件（如PN結(jié)）在截止時(shí)，理論上不應(yīng)有電流流過(guò)。但實(shí)際上，由于自由電子的存在，它們可能會(huì)附著在SIO2和N+等位置，導(dǎo)致D-S之間有微小的漏電流。例如在反向偏置的二極管中，一些電流流過(guò)耗盡區(qū)，該電流稱為漏電流，極管反向偏置時(shí)電流載體的反應(yīng)如圖6所示。
圖6 極管反向偏置時(shí)電流載體的反應(yīng)
（2）電源漏電流
在開(kāi)關(guān)電源中，為了減少電磁干擾（EMI），通常會(huì)設(shè)置EMI濾波器電路。這個(gè)電路會(huì)導(dǎo)致電源在接上市電后對(duì)地有一個(gè)微小的電流，這就是電源漏電流。如果不接地，設(shè)備的外殼可能會(huì)對(duì)地帶有電壓，不僅可能對(duì)人體造成不適，還可能影響設(shè)備的正常工作。
（3）電容漏電流
電容器的介質(zhì)并非完全不導(dǎo)電，當(dāng)電容加上直流電壓時(shí)，會(huì)有漏電流產(chǎn)生。這種漏電流的大小與電容器的絕緣性能有關(guān)。除電解電容外，其他電容器的漏電流通常很小，用絕緣電阻參數(shù)表示其絕緣性能；而電解電容因漏電較大，直接用漏電流表示其絕緣性能。
（4）濾波器漏電流
在額定交流電壓下，濾波器外殼到交流進(jìn)線任意端的電流即為濾波器漏電如果濾波器的所有端口與外殼之間是完全絕緣的，那么漏電流的值主要取決于共模電容CY的漏電流，即CY的容量。由于濾波器漏電流的大小涉及人身安全，國(guó)際上各國(guó)都有嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。例如，對(duì)于220V/50Hz交流電網(wǎng)供電的設(shè)備，一般要求噪聲濾波器的漏電流小于1mA，電磁兼容濾波器中的漏電流如圖7所示。
圖7 電磁兼容濾波器中的漏電流
2、漏電流的危害
（1）漏電流對(duì)人體的危害
在有防止觸電保護(hù)裝置的情況下，人體允許通過(guò)的電流一般可按30mA考慮，10mA則是作為人體的安全電流，如圖8所示。電流在體內(nèi)的持續(xù)時(shí)間是電流強(qiáng)度的函數(shù)，在該圖表中，交流電流的影響分為四個(gè)區(qū)域。
- 感知閾：通過(guò)人體能夠引起任何接觸電流的最小值；
- 反應(yīng)閾：通過(guò)人體能夠引起肌肉不自覺(jué)收縮的接觸電流最小值；
- 擺脫閾：人可以主動(dòng)擺脫電極的接觸電流最大值；
- 心室顫動(dòng)閾：通過(guò)人體引起心室纖維性顫動(dòng)的接觸電流最小值，注：曲線c1以上會(huì)發(fā)生燒傷/心博停止/呼吸停止。
圖8 交流電流對(duì)人體影響的四個(gè)區(qū)域
（2）漏電流對(duì)設(shè)備電網(wǎng)的損害
①在帶隔離變壓器的系統(tǒng)中，如果直流分量超過(guò)一定值，就會(huì)造成隔離變壓器飽和，導(dǎo)致系統(tǒng)過(guò)流保護(hù)，甚至損壞功率器件。
②在不帶隔離變壓器的系統(tǒng)中直流分量將直接對(duì)負(fù)載供電。對(duì)于非線性負(fù)載，直流分量會(huì)造成電流的嚴(yán)重不對(duì)稱，損壞負(fù)載。
③直流分量不僅給電源系統(tǒng)本身和用電設(shè)備帶來(lái)不良影響，還會(huì)對(duì)并網(wǎng)電流的諧波產(chǎn)生放大效應(yīng)，從而產(chǎn)生電能質(zhì)量問(wèn)題。增加電網(wǎng)電纜的腐蝕;導(dǎo)致較高的瞬時(shí)電流峰值，可能燒毀熔斷器，引起斷電。國(guó)際上目前對(duì)直流分量上限規(guī)定基本一致，中國(guó)、美國(guó)、英國(guó)等的相關(guān)并網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定直流分量不允許超過(guò)每相電流額定值的0.5%或5mA。
3、漏電流的類(lèi)型
漏電流類(lèi)型分為T(mén)ypeA、TypeAC、TypeB三類(lèi)，如圖9所示。
圖9 漏電流的類(lèi)型
①TypeAC指普通的正弦交流電，用普通互感器檢測(cè)不適用于EV charging及絕大多數(shù)漏電檢測(cè)要求。
②TypeA指在A型的基礎(chǔ)上還有脈動(dòng)直流，一般用零序互感器檢測(cè)?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)EV charging正在使用，檢測(cè)的保護(hù)閾值在10mA~30mA不等（IC-CPD中的互感器磁芯一般選擇坡莫合金）。原理與AC型一樣，與AC型的區(qū)別在于對(duì)磁材進(jìn)行了改動(dòng)。提高了對(duì)脈動(dòng)直流的靈敏度。AC型互感器檢測(cè)的是一個(gè)完整的正玄波，該正弦波所產(chǎn)生磁滯是一個(gè)完整的環(huán)，磁通量Δ較大。而躍動(dòng)的直流電相較于前者只有半個(gè)周期，其對(duì)應(yīng)的磁滯環(huán)甚至不到一半，產(chǎn)生的磁通量遠(yuǎn)小于Δ。A型和AC型都是基于磁通量的變化來(lái)檢測(cè)電流，所以如果電流是平滑的，互感器將無(wú)法檢測(cè)。
③TypeB的是在A型漏電的基礎(chǔ)上還有平滑直流和斷續(xù)直流，用磁通門(mén)傳感器檢測(cè)。它是利用被測(cè)磁場(chǎng)中高導(dǎo)磁率磁芯在交變磁場(chǎng)的飽和激勵(lì)下，其磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的非線性關(guān)系來(lái)測(cè)量弱磁場(chǎng)。
4、磁通門(mén)
（1）磁通門(mén)電流測(cè)量
被測(cè)磁場(chǎng)中高導(dǎo)磁率磁芯在交變磁場(chǎng)的飽和激勵(lì)下，其磁感應(yīng)強(qiáng)度與磁場(chǎng)強(qiáng)度的非線性關(guān)系來(lái)測(cè)量弱磁場(chǎng)的。這種物理現(xiàn)象對(duì)被測(cè)環(huán)境磁場(chǎng)來(lái)說(shuō)好像是一道“門(mén)”，通過(guò)這道“門(mén)”，相應(yīng)的磁通量即被調(diào)制，并產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。利用這種現(xiàn)象來(lái)測(cè)量電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，從而間接的達(dá)到測(cè)量電流的目的。
（2）傳感器電流測(cè)量
整個(gè)過(guò)程可以概括為：當(dāng)磁通門(mén)式電流傳感器工作時(shí)，激勵(lì)線圈中加載一固定頻率、固定波形的交變電流進(jìn)行激勵(lì)，使磁芯往復(fù)磁化達(dá)到飽和。在不存在外在電流所產(chǎn)生的被測(cè)磁場(chǎng)時(shí)，則檢測(cè)線圈輸出的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)只含有激勵(lì)波形的奇次諧波，波形正負(fù)上下對(duì)稱。當(dāng)存在直流外在和激勵(lì)交變磁場(chǎng)，直流被測(cè)磁場(chǎng)在前半周期內(nèi)促使激勵(lì)場(chǎng)使磁芯提前達(dá)到飽和，而在另外半個(gè)周期內(nèi)使磁芯延遲飽和。因此，造成激勵(lì)周期內(nèi)正負(fù)半周不對(duì)稱，從而使輸出電壓曲線中出現(xiàn)振幅差。該振幅差與被測(cè)電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)成正比，因此可以利用振幅差來(lái)檢測(cè)磁環(huán)中所通過(guò)的電流，磁通門(mén)測(cè)量電流原理如圖10所示。
圖10 磁通門(mén)測(cè)量電流原理
（3）磁芯原理
一般磁性材料都有S形狀曲線的特性，稱之為磁滯回路（hysteresis loop），如圖11所示。此磁滯回路曲線建立在B—H的坐標(biāo)軸上，為磁性材料遭受完全磁化與非磁化周期，圖示為典型磁滯曲線的鐵心，如果曲線由a點(diǎn)開(kāi)始，此點(diǎn)表示最大正磁化力，至b點(diǎn)磁化力為零，然后下降至c點(diǎn)為最大負(fù)磁化力，再至d點(diǎn)磁化力為零，最后返回最大正磁化力的a點(diǎn)，此即為整個(gè)磁性周期。優(yōu)選高導(dǎo)磁率、低矯頑力磁芯。
圖11 磁滯回路
5、平滑直流檢測(cè)必要性
通過(guò)車(chē)載OBC充電時(shí)，會(huì)存在兩相/三相整流濾波等交直流變換環(huán)節(jié)，當(dāng)回路中有漏電情況時(shí)，大部分都是直流漏電，即脈動(dòng)直流電流、平滑直流電流或含有平滑直流成分的復(fù)雜交流電流，車(chē)載OBC充電漏電流的產(chǎn)生如圖12所示。
圖12 車(chē)載OBC充電漏電流的產(chǎn)生
為了滿足包括GB/T 40820和GB/T 41589在內(nèi)的標(biāo)準(zhǔn)，電動(dòng)汽車(chē)的充電需要一個(gè)剩余電流傳感器，以避免車(chē)輛電池（DC）連接到家用電源（AC）的危險(xiǎn)情況。傳感器僅滿足GB/T 40820和GB/T 41589標(biāo)準(zhǔn)的關(guān)斷特性（監(jiān)測(cè)剩余電流）。必須使用額外的驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)GB/T 40820和GB/T41589中定義的動(dòng)作執(zhí)行機(jī)構(gòu)，電動(dòng)汽車(chē)模式2/模式3漏電流檢測(cè)如圖13所示。
圖13 電動(dòng)汽車(chē)模式2/模式3漏電流檢測(cè)
6、RCD的致盲性
保護(hù)人身安全一直是電氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)的首要任務(wù)，當(dāng)保護(hù)回路含有直流剩余電流成份時(shí)，普通的AC型RCD（剩余電流保護(hù)裝置）可能存在“致盲性”，RCD的致盲性如圖14所示。直流分量將會(huì)降低AC型RCD內(nèi)互感器的磁場(chǎng)強(qiáng)度和磁感應(yīng)電勢(shì)（磁芯將被該直流電流預(yù)磁化）并且可能導(dǎo)致對(duì)剩余電流不敏感，使RCD拒動(dòng)作。為此，在給電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)，需采用A型（防脈動(dòng)直流）或B型（防平滑直流）RCD來(lái)進(jìn)行保護(hù)。
注：國(guó)外要求A型RCD基礎(chǔ)上還需單獨(dú)增加一個(gè)RDC-DD(6mA平滑直流檢測(cè)裝置，目前新國(guó)標(biāo)和強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)也更新了此要求！
圖14 RCD的致盲性
五、產(chǎn)品選型
針對(duì)新國(guó)標(biāo)和強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)充電設(shè)施模式二隨車(chē)充（IC-CPD）、模式三交流充電樁的剩余電流保護(hù)要求，MAGTRON推出RCMU1O1SM7系列剩余電流傳感器基于MAGTRON iFluxgate@ 技術(shù)，核心處理芯片采用自主研發(fā)的SoC，集成自檢功能和邏輯判斷，模塊化設(shè)計(jì)。
圖15 產(chǎn)品選型推薦樣式
- 產(chǎn)品采用分離式設(shè)計(jì)，提供三種不同的端子型號(hào)，如下表1所示；
表1 端子配套列表推薦
六、總結(jié)
綜上所述，《電動(dòng)汽車(chē)供電設(shè)備安全要求》這一標(biāo)準(zhǔn)的制定和實(shí)施，對(duì)于提升電動(dòng)汽車(chē)供電設(shè)備的安全性、推動(dòng)電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的健康發(fā)展、加強(qiáng)行業(yè)監(jiān)管和管理以及保障公眾利益等方面都具有重要的影響和意義。
