Miten vikavirtamonitoreilla varmistetaan sähköturvallisuus sähköajoneuvoja ladattaessa

Sähköajoneuvojen korkeajänniteakkujen jatkuva lataaminen asettaa korkeita vaatimuksia latauskaapeleiden ja -liitinten mekaaniselle kestolle. Jos eristys rikkoutuu ja jännitteiset metalliosat tulevat näkyviin tai ajoneuvon elektroniikkaan syntyy sivuvirtoja, sähköajoneuvon käyttäjän kehoon voi kohdistua hengenvaarallisia vikavirtoja. Erityisen ongelmallisia ovat erilaiset DC-vikavirtamuodot, joita AC-virralle herkät A-tyypin vikavirtasuojat (RCD) eivät pysty tunnistamaan.

Sähköiskuonnettomuuksien estämiseksi sähköajoneuvojen latauslaitteiden (EVSE) valmistajien täytyy integroida tehoelektroniikkatuotteisiinsa vikavirtasuojia, jotka laukeavat muutamassa millisekunnissa jo muutaman milliampeerin (mA) AC- ja DC-vikavirrasta.

Tässä artikkelissa selitetään vikavirtojen muodot, niiden mittaaminen ja se, minne vikavirtasuoja asennetaan latauspiirissä. Siinä esitellään sen jälkeen Littelfusen vikavirtamonitorit (RCM), joilla järjestelmäsuunnittelijat voivat lisätä sähköajoneuvojen latauslaitteisiin suojauksen DC-sähköiskua vastaan kustannus- ja aikatehokkaalla tavalla. Artikkelissa esitellään myös, mille sähköajoneuvojen lataustavoille nämä virta-anturit soveltuvat ja miten niitä käytetään.

Vikavirrat sähköajoneuvojen latauspiirissä

Sähköajoneuvojen lataaminen jopa 400 voltin AC- ja jopa 1000 voltin DC-jännitteillä vaatii kattavia suojatoimenpiteitä sähköajoneuvon käyttäjän suojaamiseksi latauslaitteiden käsittelyn aikana. Latausasemien ja ajoneuvoon asennettujen latureiden runsaiden harmonisten ja asymmetristen kytkentäpulssien sekä useiden satojen volttien DC-linkkijännitteen vuoksi voi esiintyä erityyppisiä AC- ja DC-vikavirtoja, jotka johtuvat sivuvirroista, kytkentävaikutuksista, eristysvioista ja vuotovioista.

Tehoelektroniikkapiireillä, kuten tasasuuntaajilla, hakkurimuuntimilla, taajuusmuuttajilla sekä invertteri- ja vaihekulmaohjausjärjestelmillä, on monenlaisia kuormitusvirtaominaisuuksia. Niiden aiheuttamat potentiaaliset vikavirrat luokitellaan sinimuotoiseksi vaihtovirraksi, pulssimuotoiseksi tasavirraksi ja puhtaaksi tasavirraksi. Nämä vikavirtamuodot ovat vaarallisia ihmisille. Taulukko 1 näyttää erilaisten piiritopologioiden tyypilliset kuormitusvirtasignaalit ja niiden synnyttämät vikavirran aaltomuodot. Sarakkeet 1–3 näyttävät tunnistukseen soveltuvat vikavirtasuojatyypit.

Taulukko 1: Vikavirran muodot ja niiden tunnistukseen parhaiten sopiva vikavirtasuojatyyppi (sarakkeet 1–3). (Kuvan lähde: Wikipedia)

Vikavirran aaltomuotojen hyvä tuntemus voi auttaa sähköajoneuvojen korjaamoita ja sähköasentajia sähköajoneuvojen elektroniikan, latauslaitteiden tai latausasemien vikavirtojen jäljityksessä.

Vikavirtasuojatyyppien laukaisuominaisuudet

Sähköasennusten henkilösuojausta sähköiskuja vastaan säännellään yleisesti IEC 60479- ja UL 943 -standardeilla. Kumpikin standardi määrittelee merkittävät AC- ja DC-vikavirrat alueella 6, 30, 100, 300, 500 ja 1000 mA laukaisuajoilla 20–500 ms. Yleiset laukaisukynnykset sähköajoneuvon latauspiirissä ovat 6 mA DC ja 30 mA AC.

Järjestelmäsuunnittelijat voivat nyt toteuttaa helposti erityiset henkilösuojausvaatimukset latauspiirissä valitsemalla vikavirtasuojatyypin sopivan standardin mukaan. Taulukossa 2 luetellaan erilaisten RCD- tai GFCI (Ground Fault Circuit Interrupter) -tyyppisten vikavirtasuojalaitteiden vikavirtamuodot ja laukaisutoleranssit.

Taulukko 2: Erilaisten GFCI- tai RCD-tyyppien laukaisuominaisuudet. (Taulukon lähde: abb.com)

Vikavirtasuojalaitteiden asentaminen sähköajoneuvojen latauspiiriin

A- tai F-tyypin vikavirtasuojat tunnistavat vain AC-vikavirran ja pulssimaisen DC-virran, mikä ei riitä sähköajoneuvon latauspiirin suojaamiseen. Lisäksi on otettava huomioon monenlaiset puhtaat DC-vikavirrat, joita voi syntyä ajoneuvoon asennetussa laturissa tai akustonvalvontajärjestelmässä.

Standardi IEC 62196 määritteleekin kaksi vikavirtasuojavaihtoehtoa: B-tyypin (tai B+-tyypin) kaikille virroille herkän vikavirtasuojan tai A-tyypin vikavirtasuojan käyttö yhdessä sellaisen standardin IEC 62955 mukaisen DC-vikavirtavalvontajärjestelmän kanssa, jonka I_Δn DC ≥ 6 mA. DC-vikavirtavalvonta voidaan sijoittaa seinärasiaan, rakennuksen sähköjärjestelmään tai kumpaankin.

Koska rakennusten sähköjärjestelmät sisältävät yleensä AC-herkän A- tai F-tyypin vikavirtasuojan, suunnittelijat voivat lisätä 6 mA:n DC-vikavirtavalvonnan kustannustehokkaasti lataustavan 3 seinärasioihin tai latausasemiin sekä lataustavan 2 latauskaapeleihin integroituihin ohjausyksikköihin (ICCB) (kuva 1, lataustapa 2 ja 3).

Kuva 1: Sähköajoneuvojen latauslaitteisiin täytyy lisätä DC-vikavirtamonitori (RCM) AC-herkän A-tyypin vikavirtasuojan jälkeen (tapaus 2) tai se on kytkettävä AC-verkkoon suoraan B-tyypin vikavirtasuojan kautta (tapaus 4). (Kuvan lähde: goingelectric.de)

Sähköajoneuvojen lataustavat

Sähköajoneuvon akkua voidaan ladata eri lataustavoilla, jotka riippuvat käytettävissä olevasta sähköliitännästä, liitäntäpistokkeesta, latauskaapelista sekä ajoneuvoon ja latausasemaan asennetusta latausteknologiasta. Euroopassa sähköenergia voidaan syöttää ajoneuvoon yksivaiheisen AC:n (230 volttia / 3,6 kilowattia (kW)), kolmivaiheisen AC:n (400 volttia / 22 kW) tai korkeajännitteisten DC-latausasemien (jopa 1000 volttia DC / 500 kW) kautta. Kuvassa 2 esitetään neljä IEC 61851 -standardin määrittelemää lataustapaa.

Kuva 2: Kuvassa neljä IEC 61851 -standardin määrittelemää lataustapaa. (Kuvan lähde: bestchargers.eu)

Lataustapa 1 (yksivaiheinen AC-latausteho enintään 3,6 kW; oletuslataustapa)

Tässä tapauksessa sähkö- tai hybridiajoneuvo kytketään normaaliin 230 voltin kotitalouspistorasiaan yksinkertaisella passiivisella kaapelilla, ja sitä ladataan alhaisella, enintään 3,6 kW:n teholla ajoneuvoon asennetun laturin kautta. Tämä latausskenaario ei tarjoa käyttäjälle riittävää suojausta DC-vikavirtoja vastaan. Rakennuksen sähköjärjestelmään asennetaan normaalisti vain AC-virralle herkkä A-tyypin vikavirtasuoja.

Lataustapa 2 (yksi- tai kolmivaiheinen AC-latausteho enintään 22 kW ICCB-latauskaapelilla)

Tyypin 2 ajoneuvopistokkeella varustettuun lataustavan 2 latauskaapeliin on integroitu ICCB-ohjausyksikkö. Tämä ohjausyksikkö suorittaa turvallisuus- ja kommunikaatiotoimintoja ylikuormituksen estämiseksi, kun sähköajoneuvoja ladataan kotitalous- ja kolmivaiheisilla pistorasioilla.

ICCB-ohjausyksikön on tarjottava seuraavat suojatoiminnot:

• Napaisuuden määrittäminen ja suojajohtimen (PC) valvonta; nollajohtimen ja PC:n välillä saa olla vain muutaman ohmin silmukkaimpedanssi.
• PC:n ja metallirungon välisen sähköisen yhteyden testaus.
• AC- ja DC-vikavirtasuojakytkin estää virtaonnettomuudet.
• Latausprosessin valvonta/katkaisu poikkeustilanteissa (esimerkiksi pistotulpan syöpyneistä koskettimista tai kaapelin rikkoutumisesta johtuvat virtavaihtelut).
• Lämpötilan valvonta ICCB-ohjausyksikössä ja molemmissa pistotulpissa ja tarvittaessa virransyötön katkaisu.
• Lataustehon ohjaus: ohjausjohdon (CP) alasvetovastukset ilmoittavat kaapelin senhetkisen kuormitusluokituksen sekä seinärasialle että sähköajoneuvolle; latauksen ohjausjohdon (CC) pulssinleveysmodulaatiosignaali (PWM) ilmoittaa seinärasian lataustehokapasiteetin sähköajoneuvolle.

Lataustapa 3 (yksivaiheinen/kolmivaiheinen AC-latausteho enintään 22 kW seinärasian kautta)

Passiivinen lataustavan 3 kaapeli kytketään seinärasiaan kotitalouksissa tai julkiseen AC-latausasemaan pysäköintialueilla sähköajoneuvon lataamiseksi. Kumpaankin on integroitu samat suojaustoiminnot kuin edellä mainittuun ICCB-ohjausyksikköön.

Lataustapa 4 (suora akkujen DC-pikalataus, latausteho jopa 500 kW)

Sähköajoneuvojen DC-suurteholatausasemat (DC/HPC) mahdollistavat huomattavasti suuremman latausvirran kuin lataustapa 2 ja lataustapa 3. Tässä superlaturissa on toteutettu sähköiskusuojaus AC- ja DC-vikavirtoja vastaan; erilaiset latauskaapelit ovat aina tiukasti kiinnitettyjä.

AC- ja DC-vikavirtojen mittaus sähköajoneuvon latauslaitepiirissä

Littelfuse Inc. -yrityksen RCM14-sarjan vikavirtamonitorit tunnistavat AC- ja/tai DC-vikavirrat AC- tai DC-järjestelmissä ja tuottavat lähtösignaalin ulkoisen katkaisimen (katkaisureleen) ohjaamiseksi. Vikavirtasuojissa ja vikavirtasuojakytkimissä (RCCB) on katkaisurele sen sijaan integroituna.

AC-vikavirrat tunnistetaan induktiivisella virtamuuntajalla (CT). Virran syöttöjohdin (I_L) ja virran paluujohdin (I_N) viedään tätä tarkoitusta varten pehmeän rengasmuotoisen magneettisydämen läpi, jolloin kumpikin virtavektori kompensoi normaalisti toisensa ja summautuu nollaksi. Jos vikavirta (I_g) kulkee maapotentiaaliin ihmiskehon läpi tunnistimen takana olevassa virtapiirissä, RCM- tai GFCI-kokonaisvirta poikkeaa nollasta, ja suojakatkaisija laukeaa (kuva 3).

Kuva 3: Jos vikavirta (I_g) kulkee ihmiskehon läpi maapotentiaaliin, GFCI-kokonaisvirta poikkeaa nollasta ja suojakatkaisija laukeaa. (Kuvan lähde: Littelfuse)

Myös induktiivinen virtamuuntaja voi tunnistaa DC-eron, kun fluxgate-magnetometrianturi integroidaan rengasmuotoisen sydämen uraan ja magneettivuo kompensoidaan nollaan kompensointikelan avulla. Tämä menetelmä on tarkempi kuin Hall-anturit tai virtamittausvastukset. Sillä tunnistetaan pienet DC-vikavirrat arvosta 6 mA alkaen suurissa DC-kuormitusvirroissa jopa 500 ampeeriin (A) asti.

Vikavirtamonitorit (RCM) tarjoavat ohjauslähdön erotinta varten

Littelfusen RCM14-sarja sopii ihanteellisesti käytettäväksi sähköajoneuvojen ICCB-latauskaapeleissa (lataustapa 2) ja sähköautojen latausasemissa (lataustapa 3). Niitä on saatavana kolmella vikavirran tunnistusvaihtoehdolla standardien IEC 62752 (lataustapa 2), IEC 62955 (lataustapa 3) ja UL 2231 mukaisesti.

Kussakin vikavirtamonitorissa on yksi toiminta- ja yksi vikaledi. Nelinastainen JST-liittimen asennus on yksinkertaistaa : nastat 1 ja 2 on tarkoitettu 12 voltin virtalähteelle, nasta 3 on ulkoiseen toiminnan testaukseen ja nasta 4 on avoimen nielun kytkentälähtö ulkoisen erottimen, kuten katkaisureleen, ohjaamiseen jopa 100 milliampeerilla ja 24 voltilla (maksimi) (kuva 4).

Kuva 4: RCM14-sarjan moduuleissa on kaksi tilalediä, ja ne on helppo kytkeä nelinastaisen JST-liittimen kautta. (Kuvan lähde: Littelfuse)

Näitä aktiivisia vikavirtamonitoreita voidaan käyttää myös AC- ja/tai DC-vikavirtojen tunnistukseen yksi- tai monivaiheisissa DC-laitteistoissa. Yksivaiheisessa käytössä kuormitusvirta on rajoitettu arvoon 100 A, kun taas kolmivaiheisessa käytössä arvoon 40 A. Ne pystyvät käsittelemään jopa 3000 A:n kuormitusvirtapulsseja.

RCM14-01: Vikavirtamonitorimoduuli 6 mA DC, standardin IEC 62955 mukainen, aukko 14 millimetriä (mm)

RCM14-01-vikavirtamonitori tunnistaa DC-vikavirrat AC-järjestelmissä 50 Hz/60 Hz. Se on kehitetty käytettäväksi lataustavan 3 latausasemissa (IEC 62955 -standardi) ja katkaisemaan sähköajoneuvon latauspiiri, mikäli DC-vikavirta on ≥ 6 mA. Tämä tunnistin lisää rakennuksen sähköjärjestelmän olemassa oleviin A- ja F-tyypin vikavirtasuojiin DC-vikavirtojen valvontatoiminnon kustannustehokkaalla ja yksinkertaisella tavalla (kuva 5).

Kuva 5: RCM14-01 lisää rakennusten sähköjärjestelmien AC-herkkiin A-tyypin vikavirtasuojiin DC-vikavirtojen ≥ 6 mA valvonnan. (Kuvan lähde: Littelfuse, Western Automation)

RCM14-03: Vikavirtamonitorimoduuli 6 mA DC/30 mA AC, standardin IEC 62752 mukainen, aukko 14 mm

RCM14-03-vikavirtamonitorimoduuli on tarkoitettu ICCB-ohjausyksikköihin tai integroituihin suojalaitteisiin sähköajoneuvojen lataustavassa 2, jotta sähköajoneuvon lataus voidaan keskeyttää havaittaessa AC- tai DC-vika.

RCM14-04: Vikavirtamonitorimoduuli 56 mA DC/20 mA AC, standardin UL 2231-2 mukainen, aukko 14 mm

RCM14-04-moduuli tunnistaa AC- ja DC-vikavirrat 60 hertsin (Hz) AC-laitteistoissa. Se on suunniteltu käytettäväksi CCID (Charging Circuit Interrupting Device) -latausasemasovelluksissa, joissa se keskeyttää sähköajoneuvon latauksen, jos järjestelmässä havaitaan AC- ja/tai DC-vikavirtatila.

RCM20-01: RCM20-01 on vikavirtamonitori, joka on tarkoitettu DC-vikavirtojen havaitsemiseen 50 Hz/60 Hz:n AC-asennuskohteissa. Se on tarkoitettu lataustavan 3 EV-latausasemiin katkaisemaan virransyöttö sähköajoneuvoon havaittaessa DC-vikavirta. Tuote on täysin standardin IEC 62955 mukainen.

RCM20-03: RCM20-03 on vikavirtamonitori, joka on tarkoitettu DC- ja AC-vikavirtojen havaitsemiseen 50 Hz/60 Hz:n AC-asennuskohteissa. Se on tarkoitettu lataustavan 2 EV-latausasemiin katkaisemaan virransyöttö sähköajoneuvoon havaittaessa DC- ja AC-vikavirta. Tuote on täysin standardin IEC 62752 mukainen ja sitä voidaan käyttää myös IEC 62955 -sovelluksissa, joissa vaaditaan 30 mA:n AC-vikojen havaitsemista.

Seuraavia vikavirtamonitorimoduuleja on saatavana myös avorunkoisina järjestelminä, jolloin ne voidaan integroida suurempaan laitepiiriin:

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

Kukin järjestelmä koostuu juotettavasta anturipiirilevystä ja erillisestä virtamuuntajasta (kuva 6).

Kuva 6: RCM14-04_SYS-moduulit ovat avorunkoisia järjestelmiä, jotka koostuvat anturipiirilevystä ja virtamuuntajasta. (Kuvan lähde: Littelfuse, Western Automation)

Yhteenveto

AC-herkät A-tyypin vikavirtasuojat ovat yleisiä asennusstandardeja rakennusten sähköjärjestelmissä, mutta ne eivät pysty suojaamaan DC-vikavirran aiheuttamilta vaaroilta sähköajoneuvojen latauspiireissä. Kuten edellä on esitetty, RCM14-sarja voi suorittaa ICCB-latauskaapeleissa (lataustapa 2) ja sähköajoneuvojen latausasemissa (lataustapa 3) vaadittavan DC-vikavirtojen valvonnan. Järjestelmäsuunnittelijat voivat lisätä latauslaitteeseen helposti ja kustannustehokkaasti kompaktin vikavirtamonitorimoduulin tai avorunkoisen järjestelmän käyttäen vain neljää liitäntänastaa.