如何使用殘餘電流監測器確保電動車充電時的電氣安全性

作者：Jens Wallmann

資料提供者：DigiKey 歐洲編輯群

2023-09-01

電動車 (EV) 的高壓電池需要頻繁充電，因此充電纜線和連接器在機械應力上須具備高要求。如果絕緣層破損，帶電金屬零件暴露在外，或者板載電子元件出現分流，殘餘電流就可能會進入電動車使用者的體內並危及生命。更大的問題在於，對 AC 敏感的 Type-A 殘餘電流裝置 (RCD) 並無法偵測每一種形式的 DC 殘餘電流。

為了避免觸電意外，電動車供電設備 (EVSE) 製造商須在其電力電子產品中納入 RCD，以便在偵測到幾毫安培 (mA) 的 AC 與 DC 殘餘電流時，就可在數毫秒內跳電。

本文將介紹殘餘電流的形式、測量方式，以及 RCD 在充電電路中的安裝位置。然後會介紹 Littelfuse 的殘餘電流監測器 (RCM)，系統設計人員可用此裝置，以省時省成本的方式針對其 EVCE 裝置添加 DC 觸電防護功能。本文也會探討這些電流感測器適用於哪些 EV 充電模式以及使用方法。

EV 充電電路中的殘餘電流

EV 會以高達 400 VAC 和 1000 VDC 的電壓進行充電，因而需要採取廣泛的保護措施來保護操作充電設備的 EV 使用者。而由於充電站和板載充電器具有大量諧波和非對稱切換脈衝，再加上直流鏈電壓高達數百伏特，可能會因為分流、耦合效應、絕緣故障和漏電故障，而導致各種 AC 和 DC 殘餘電流。

整流器、切換式轉換器、變頻器等電力電子電路，以及逆變器和相角控制系統，皆具有多種負載電流特性。其產生的潛在殘餘電流可分為正弦 AC、脈衝式 DC 和直通式 DC。這些形式的殘餘電流對人體有害。表 1 顯示各種電路拓撲的典型負載電流訊號，及其產生的殘餘電流波形。第 1 至第 3 列指出適合用來偵測的 RCD 類型。

表 1：故障電流型式及依據最適合 RCD 類型下的偵測方式 (第 1 至第 3 列)。(圖片來源：Wikipedia)

對殘餘電流波形有一定的瞭解，有助於 EV 維修廠和電工追蹤 EV 電路板電子元件、EVSE 或充電站中的殘餘電流。

各類 RCD 的跳電特性

一般而言，電氣設施的個人防觸電保護會受到 IEC 60479 和 UL 943 的規範。這兩個標準皆制訂顯著的 AC 與 DC 殘餘電流，電流範圍在 6、30、100、300、500 和 1000 mA 內，跳電時間介於 20 至 500 ms。在 EV 充電電路中，常見的跳電臨界值為 6 mA DC 和 30 mA AC。

系統設計人員可挑選符合特定標準的 RCD 類型，就可輕鬆地在充電電路中達到指定的個人防護要求。表 2 列出不同類型 RCD 或接地故障遮斷器 (GFCI) 的殘餘電流形式和跳電容差。

表 2：不同類型 GFCI 或 RCD 的跳電特性。(表格來源：abb.com)

在 EV 充電電路中安裝 RCD

Type-A 或 Type-F RCD 只會偵測 AC 殘餘電流和 DC 脈衝電流，並不足以保護 EV 充電電路。也要考量板載充電器或電池管理系統中可能出現的各種直通式 DC 殘餘電流。

有鑑於此，IEC 62196 標準制訂了兩個殘餘電流保護選項：使用 Type B (或 Type B+) 的全電流敏感型 RCD，或使用 Type A RCD 搭配符合 IEC 62955 標準 (I_Δn DC≥6 mA) 的殘餘 DC 監測系統。DC 故障電流監測功能可設置於充電樁或建築電氣設施中，亦兩者皆設置。

由於建築電氣系統通常都具備對 AC 敏感的 Type-A 或 Type-F RCD，因此設計人員能以符合成本效益的方式，將 6 mA 殘餘 DC 監測功能添加至模式 3 的充電樁或充電站，以及模式 2 充電纜線的電纜控制盒 (ICCB) (圖 1 的案例 2 和 3)。

EVSE 裝置必須在下游添加 DC RCM 示意圖圖 1：EVSE 裝置必須在對 AC 敏感的 Type-A RCD (案例 2) 的下游添加 DC RCM，或透過 Type-B RCD，將 DC RCM 直接連接到 AC 主電源 (案例 4)。(圖片來源：goingelectric.de)

EV 充電模式

電動車電池可以透過不同的充電模式進行充電，實際取決於現場可用的電源連接、連接插頭、充電纜線，以及車輛和充電站所使用的充電技術。在歐洲，電能可透過單相 AC (230 V/3.6 kW)、三相 AC (400 V/22 kW) 或透過高壓 DC 充電站 (最高 1000 V DC/500 kW) 饋入車輛。圖 2 列出 IEC 61851 標準所制訂的四種充電模式。

IEC 61851 標準所制訂的四種充電模式示意圖 圖 2：IEC 61851 標準所定義的四種充電模式示意圖。(圖片來源：bestchargers.eu)

模式 1 (單相 AC 充電，最高達 3.6 kW；預設充電模式)

在此模式下，電動車或油電混合車會使用簡單的被動纜線連接至標準的 230 V 家用插槽，並透過車載充電器，以最大 3.6 kW 的低功率進行充電。此充電情況無法為使用者提供足夠的殘餘 DC 電流保護。通常，建築物的電氣系統只裝有對 AC 敏感的 Type-A RCD。

模式 2 (透過 ICCB 充電纜線進行最高達 22 kW 的單相／三相 AC 充電)

模式 2 充電纜線配有一個 2 類車載插頭，其中含有 ICCB，可以在使用家用和三相插槽進行 EV 充電時，執行安全和通訊功能，以免過載。

ICCB 須整合以下保護功能：

極性的判定與防護導線 (PC) 的監測；中性線和 PC 之間只允許有幾歐姆的迴路阻抗值。
PC 和金屬主體之間的電氣連接測試。
避免電流意外的 AC 與 DC 殘餘電流斷路器。
發生異常時 (例如，因插頭觸點腐蝕或纜線破損而導致電流波動)，充電流程的監測／關閉。
ICCB 和兩個插頭內部溫度的監測，及在必要時執行關斷。
充電電源的控制：控制導引 (CP) 電線的下拉電阻，會將纜線電流負載額定值訊號發送至充電樁和 EV；充電控制 (CC) 電線的脈寬調變 (PWM) 訊號，會將充電樁的充電功率能力發送至 EV。

模式 3 (透過充電樁進行最高達 22 kW 的單相／三相 AC 充電)

被動模式 3 纜線會接至家用充電樁或停車場的公共 AC 充電站，以便進行 EV 充電。兩者都有整合與上述 ICCB 相同的保護功能。

模式 4 (直接進行最高達 500 kW 的電池 DC 快充)

與模式 2 和模式 3 相比，電動車 DC 高功率充電器 (DC/HPC) 站台提供的充電電流明顯更高。此超級充電器裝有 AC 和 DC 殘餘電流的觸電保護功能；始終牢固連接各種充電纜線。

測量 EVSE 電路中的 AC 和 DC 故障電流

Littelfuse Inc. 的 RCM14 系列 RCM 就可偵測 A 或 DC 系統中的 DC 和／或 AC 殘餘電流，並提供輸出訊號來控制外部斷開功能 (截止繼電器)。相較之下，RCD 和殘餘電流斷路器 (RCCB) 則具備整合式截止繼電器。

AC 殘餘電流可使用電感式比流器 (CT) 進行偵測。為達此目的，電流順向導體 (I_L) 和電流逆向導體 (I_N) 會透過一個軟性磁性環形磁芯饋送電流，讓兩個電流向量正常地互相補償並累加為零。如果故障電流 (I_g) 透過與偵測器後方電路接觸的人體而流入接地電位，就會導致 RCM 或 GFCI 的總電流不為零，斷路器就會跳電 (圖 3)。

故障電流 (Ig) 流入接地電位示意圖 圖 3：如果故障電流 (I_g) 透過人體流入接地電位，就會導致 GFCI 總電流不為零，斷路器就會跳電。(圖片來源：Littelfuse)

若將磁通閘磁力計探針整合到環形磁芯的空槽中，並透過補償線圈將磁通量補償為零，則 CT 還可以偵測差動 DC。這個方法會比霍爾效應感測器或分流電阻更準確，可在高達 500 A 的高 DC 負載電流下，偵測到最小 6 mA 起的 DC 故障電流。

RCM 具有斷開裝置的控制輸出

Littelfuse 的 RCM14 系列非常適合用於 EV (模式 2) 和 EV 充電站 (模式 3) 的 ICCB 充電纜線。提供符合 IEC 62752 (模式 2)、IEC 62955 (模式 3) 和 UL 2231 的三種殘餘電流偵測選項。

每個 RCM 都備有一個工作 LED 和一個故障 LED。四引腳式 JST 連接器可簡化安裝方式：引腳 1 和 2 用於 12 V 電源供應器；引腳 3 用於外部功能測試；引腳 4 用於開汲極切換輸出，可驅動外部斷開裝置 (如截止繼電器)，最高可達 100 mA 和 24 V (最大值) (圖 4)。

Littelfuse 的 RCM14 系列模組圖片 圖 4：RCM14 系列模組具有兩個狀態 LED，可透過四引腳式 JST 連接器輕鬆連接。(圖片來源：Littelfuse)

這些主動式 RCM 也可用於偵測單相或多相 DC 設施的 AC 和／或 DC 殘餘電流。單相操作會將負載電流限制在 100 A，而三相操作則限制在 40 A。這些 RCM 可以處理高達 3000 A 的負載電流脈衝。

RCM14-01：6 mA DC RCM 模組，符合 IEC 62955，孔徑為 14 mm

RCM14-01 殘餘電流監測器可偵測 50 Hz/60 Hz AC 系統中的 DC 故障電流。這是專為 EV 模式 3 充電站 (IEC 62955 標準) 而開發的產品，可在 DC 故障電流 ≥ 6 mA 時中斷 EV 的充電電路。此偵測器能以簡易且具成本效益的方式，將 DC 殘餘電流監測功能添加至建築電氣系統中現有的 Type-A 和 Type-F RCD(圖 5)。

Littelfuse RCM14-01 添加監測 ≥ 6 mA DC 殘餘電流功能示意圖 圖 5：RCM14-01 可將監測 ≥ 6 mA DC 殘餘電流的功能添加至建築電氣系統中對 AC 敏感的 Type-A RCD。(圖片來源：Littelfuse、Western Automation)

RCM14-03：6 mA DC/30 mA AC RCM 模組，符合 IEC 62752，孔徑為 14 mm

RCM14-03 適合用於 EV 充電模式 2 下的 ICCB 或整合式保護裝置，可在發生 AC 或 DC 故障時，中斷對 EV 的供電。

RCM14-04：56 mA DC/20 mA AC RCM 模組，符合 UL 2231-2，孔徑為 14 mm

RCM14-04 模組可偵測 60 Hz AC 系統中的 AC 和 DC 故障電流。此模組適合用於 EV 充電站的充電電路中斷裝置 (CCID) 應用，可在出現 AC 和／或 DC 殘餘電流時，中斷對 EV 的供電。

RCM20-01：RCM20-01 是一款殘餘電流監測器，可用於偵測 50 Hz/60 Hz AC 設施中的 DC 殘餘電流。主要用於模式 3 EV 充電站，可在出現 DC 殘餘故障電流時斷開對 EV 的供電。此產品完全符合 IEC 62955 標準。

RCM20-03：RCM20-03 是一款殘餘電流監測器，可用於偵測 50 Hz/60 Hz AC 設施中的 DC 與 AC 殘餘電流。主要用於模式 2 EV 充電站，可在出現 DC 與 AC 殘餘故障電流時斷開對 EV 的供電。此產品完全符合 IEC 62955 標準，並可用於需具備 30 mA AC 故障偵測的 IEC 62955 應用。

若要整合到更大的裝置電路中，也可使用以下 RCM 模組作為開放式框架系統：

每個系統均由一個可焊接的感測器電路板和一個獨立的比流器構成 (圖 6)。

Littelfuse RCM14-04_SYS 模組屬於開放式框架系統示意圖 圖 6：RCM14-04_SYS 模組是由感測器電路板和比流器所組成的開放式框架系統。(圖片來源：Littelfuse、Western Automation)

結論

建築電氣系統通常都備有對 AC 敏感的 Type-A RCD，但這類裝置無法針對電動車充電電路中的直流殘餘電流提供保護。如本文所述，RCM14 系列可以提供 ICCB 充電纜線 (模式 2) 和電動車充電站 (模式 3) 所需的直流殘餘電流監測功能。此系列只有四個連接引腳，可讓系統設計人員在 EVSE 中，以具成本效益的方式，輕鬆地實作緊湊型 RCM 模組或開放式框架系統。