Hoe RCM-meetinstrumenten gebruiken om de elektrische veiligheid te garanderen bij het opladen van elektrische voertuigen

Het veelvuldig opladen van de hoogspanningsbatterij van elektrische voertuigen (EV's) stelt hoge eisen aan de mechanische belasting van laadkabels en connectoren. Als de isolatie breekt en metalen onderdelen onder spanning komen te staan, of als er shunts ontstaan in de boordelektronica, kunnen er levensgevaarlijke reststromen optreden in het lichaam van de EV-gebruiker. Bijzonder problematisch zijn diverse gelijkstroomvormen van aardlekstromen die niet gedetecteerd kunnen worden door de AC-gevoelige type-A-RCD-meetinstrument (RCD's).

Om ongelukken met elektrische schokken te voorkomen, moeten fabrikanten van EV-voedingsapparatuur (EVSE) RCD's in hun vermogenselektronica inbouwen die binnen enkele milliseconden uitschakelen voor zowel AC- als DC-reststromen van enkele milliampères (mA).

In dit artikel wordt uitgelegd wat reststromen zijn, hoe ze gemeten moeten worden en waar de RCD in het laadcircuit geïnstalleerd moet worden. Vervolgens worden RCM-meetinstrumenten (RCM's) van Littelfuse geïntroduceerd die systeemontwerpers kunnen gebruiken om op een kosten- en tijdefficiënte manier bescherming tegen elektrische schokken op gelijkstroom toe te voegen aan hun EVSE-apparaten. Het artikel laat ook zien voor welke EV-laadmodi deze stroomsensoren geschikt zijn en hoe ze worden gebruikt.

Reststromen in het EV-laadcircuit

Het opladen van EV's met spanningen tot 400 volt wisselstroom en 1000 volt gelijkstroom vereist uitgebreide beschermingsmaatregelen voor de gebruiker van EV's bij het omgaan met oplaadapparatuur. Als gevolg van de harmonische en asymmetrische schakelpulsen van laadstations en boordladers en de enkele honderden volts tussenkringspanning kunnen er verschillende soorten AC- en DC-reststromen optreden via shunts, koppelingseffecten, isolatiefouten en lekfouten.

Vermogenselektronische schakelingen zoals gelijkrichters, schakelende omvormers, frequentieomvormers, samen met omvormer- en fasehoekregelsystemen, hebben een grote verscheidenheid aan belastingsstroomkarakteristieken. De resulterende potentiële reststromen worden gecategoriseerd als sinusvormige wisselstroom, gepulseerde gelijkstroom en rechte gelijkstroom. Deze reststromen zijn gevaarlijk voor mensen. Tabel 1 toont typische belastingsstroomsignalen van verschillende circuittopologieën en de resulterende reststroomgolfvormen. Kolommen 1 tot 3 wijzen RCD-types toe die geschikt zijn voor detectie.

Tabel 1: Foutstroomvormen en hun detectie volgens het type RCD dat het meest geschikt is (kolommen 1 tot 3). (Bron afbeelding: Wikipedia)

Een goede kennis van reststroomgolfvormen kan EV-reparateurs en elektriciens helpen bij het opsporen van reststromen in de elektronica van EV-borden, EVSE of laadstations.

Uitschakelkarakteristiek van RCD-types

In het algemeen wordt persoonlijke bescherming tegen elektrische schokken bij elektrische installaties geregeld door IEC 60479 en UL 943. Beide normen definiëren significante AC- en DC-reststromen in het bereik van 6, 30, 100, 300, 500 en 1000 mA, bij uitschakeltijden van 20 tot 500 ms. Gebruikelijke uitschakeldrempels in het EV-laadcircuit zijn 6 mA DC en 30 mA AC.

Systeemontwerpers kunnen nu eenvoudig specifieke persoonlijke beveiligingseisen implementeren in het laadcircuit door een RCD-type van de juiste standaard te kiezen. Tabel 2 geeft een overzicht van reststroomvormen en uitschakeltoleranties van de verschillende typen RCD's of aardlekschakelaars (GFCI's).

Tabel 2: Uitschakelkarakteristieken van verschillende typen aardlekschakelaars (Bron tabel: abb.com)

RCD's installeren in het EV-laadcircuit

Type-A of Type-F RCD's detecteren enkel AC-reststroom en DC pulserende stroom, wat onvoldoende is om een EV-laadcircuit te beschermen. Er moet ook rekening worden gehouden met een breed scala aan rechte gelijkstroomreststromen die kunnen optreden in de ingebouwde lader of het batterijbeheersysteem.

De IEC 62196-norm definieert daarom twee opties voor aardlekbeveiliging: het gebruik van een voor alle stroomtypen gevoelige RCD van type B (of type B+), of een RCD van type A in combinatie met een aardlekbewakingssysteem volgens IEC 62955 met I_Δn DC ≥ 6 mA. De DC-foutstroombewaking kan in de muurkast, in de elektrische installatie van het gebouw of op beide locaties worden geplaatst.

Aangezien er meestal een AC-gevoelige type-A of type-F RCD aanwezig is in elektrische systemen van gebouwen, kunnen ontwerpers op kosteneffectieve wijze 6 mA residuele DC-bewaking toevoegen aan Mode 3 wandkasten of laadstations, evenals aan de ICCB (In-Cable Control Box) van Mode 2 laadkabels (Afbeelding 1, gevallen 2 en 3).

Afbeelding 1: EVSE-apparaten moeten een DC RCM toevoegen stroomafwaarts van de AC-gevoelige Type-A RCD (geval 2), of er moet er een rechtstreeks op het AC-net aangesloten zijn via een Type-B RCD (geval 4). (Bron afbeelding: goingelectric.de)

Oplaadmodi voor EV's

De EV-batterij kan opgeladen worden via verschillende laadmodi, afhankelijk van de beschikbare stroomaansluiting ter plaatse, de aansluitstekker, de laadkabel en de laadtechnologie die in het voertuig en in het laadstation geïnstalleerd is. In Europa kan de elektrische energie aan het voertuig worden toegevoerd via enkelfasige wisselstroom (230 volt/3,6 kilowatt (kW)), driefasige wisselstroom (400 volt/22 kW) of via hoogspanningsgelijkstroomlaadstations (tot 1000 volt gelijkstroom/500 kW). Afbeelding 2 illustreert de vier laadmodi die zijn gedefinieerd in de IEC 61851-norm.

Afbeelding 2: Illustratie van de vier laadmodi die zijn gedefinieerd in de IEC 61851-norm. (Bron afbeelding: bestchargers.eu)

Mode 1 (enkelfasig AC-opladen tot 3,6 kW; standaard oplaadmodus)

In dit geval wordt het elektrische of hybride voertuig met een eenvoudige passieve kabel aangesloten op een standaard 230 volt stopcontact en opgeladen met een laag vermogen van maximaal 3,6 kW via de ingebouwde lader. Dit laadscenario biedt de gebruiker onvoldoende bescherming tegen restgelijkstroom. Gewoonlijk wordt alleen een AC-gevoelige type-A RCD geïnstalleerd in het elektrische systeem van het gebouw.

Mode 2 (eenfasig/driefasig wisselstroom opladen tot 22 kW via een ICCB-oplaadkabel)

Een Mode 2 laadkabel uitgerust met een Type 2 voertuigstekker bevat een ICCB die veiligheids- en communicatiefuncties uitvoert bij het opladen van EV's via huishoudelijke en driefasige stopcontacten om overbelasting te voorkomen.

De volgende beveiligingsfuncties moeten worden geïntegreerd met de ICCB:

• Bepaling van de polariteit en bewaking van de beschermende geleider (PC); slechts een paar ohm lusimpedantie is toegestaan tussen de nulleider en de PC.
• Testen van de elektrische verbinding tussen de pc en de metalen behuizing.
• Een AC- en DC-aardlekschakelaar voorkomt stroomongevallen.
• Bewaking/uitschakeling van het laadproces bij afwijkingen (bijvoorbeeld stroomschommelingen door gecorrodeerde stekkercontacten of kabelbreuk).
• Bewaking van de temperatuur in de ICCB en beide plugs en zo nodig uitschakeling.
• Regeling van het laadvermogen: Pull-down weerstanden op de control pilot (CP) draad om de belastingswaarde van de kabelstroom door te geven aan zowel de wallbox als de EV; het PWM-signaal (pulsbreedtemodulatie) op de laadregelingsdraad (CC) geeft het laadvermogen van de wallbox door aan de EV.

Mode 3 (enkelfasig/driefasig wisselstroom opladen tot 22 kW via muurkast)

Voor het opladen van EV's wordt een passieve Mode 3-kabel aangesloten op een muurkast in privéhuishoudens of een openbaar AC-laadstation op parkeerplaatsen. Beide hebben dezelfde beveiligingsfuncties geïntegreerd als de ICCB hierboven.

Mode 4 (direct DC-snelladen van de batterij tot 500 kW)

DC-laadstations met hoog vermogen (DC/HPC) voor EV's leveren aanzienlijk hogere laadstromen in vergelijking met Mode 2 en Mode 3. Schokbeveiliging tegen restwisselspanning en gelijkspanning is geïmplementeerd in deze supercharger; de verschillende laadkabels zijn altijd stevig bevestigd.

AC- en DC-foutstromen meten in het EVSE-circuit

RCM's uit de RCM14-serie van Littelfuse Inc. detecteren DC- en/of AC-reststromen in AC- of DC-systemen en leveren een uitgangssignaal voor het aansturen van een externe uitschakeling (uitschakelrelais). RCD's en aardlekschakelaars hebben daarentegen een geïntegreerd uitschakelrelais.

AC-reststromen worden gedetecteerd met een inductieve stroomtransformator (CT). Voor dit doel worden de stroomdoorgangsgeleider (I_L) en stroomretourgeleider (_IN) door een zachte magnetische ringkern gevoerd, waardoor beide stroomvectoren elkaar normaal compenseren en bij elkaar opgeteld nul zijn. Als er een foutstroom (_Ig) via het menselijk lichaam in het circuit achter de detector naar het aardpotentiaal stroomt, verschilt de totale stroom van de RCM of GFCI van nul en schakelt de stroomonderbreker uit (Afbeelding 3).

Afbeelding 3: Als een foutstroom (_Ig) via het menselijk lichaam naar het aardpotentiaal vloeit, verschilt de totale stroom van de aardlekschakelaar van nul en schakelt de stroomonderbreker uit. (Bron afbeelding: Littelfuse)

Door een fluxgate-magnetometersonde in een gleuf van de ringkern te integreren en de magnetische flux naar nul te compenseren met behulp van een compensatiespoel, kan de CT ook differentiële DC detecteren. Deze methode is nauwkeuriger dan Hall-effectsensoren of shuntweerstanden en detecteert kleine gelijkstroomfoutstromen vanaf 6 mA bij zware gelijkstroombelastingsstromen tot 500 ampère (A).

RCM's met besturingsuitgang voor uitschakelaar

De RCM14-serie van Littelfuse is ideaal voor gebruik in ICCB-laadkabels voor EV's (Mode 2) en EV-laadstations (Mode 3). Ze zijn verkrijgbaar met drie opties voor reststroomdetectie in overeenstemming met IEC 62752 (Mode 2), IEC 62955 (Mode 3) en UL 2231.

Elke RCM heeft een bedrijfs-LED en een storings-LED. De vierpins JST-connector vereenvoudigt de installatie: pen 1 en 2 zijn voor de 12-volt voeding, pen 3 is voor het testen van externe functies en pen 4 is een open-drain schakeluitgang voor het aansturen van een externe uitschakelaar zoals een scheidingsrelais, bij maximaal 100 mA en 24 volt (maximaal) (Afbeelding 4).

Afbeelding 4: De modules uit de RCM14-serie hebben twee status-LED's en zijn eenvoudig aan te sluiten via de vierpins JST-connector. (Bron afbeelding: Littelfuse)

Deze actieve RCM's kunnen ook worden gebruikt om AC- en/of DC-reststromen te detecteren in enkelfasige of meerfasige DC-installaties. Eenfasige werking beperkt de belastingsstroom tot 100 A, terwijl driefasige werking op 40 A zit. Ze kunnen belastingsstroompulsen tot 3000 A aan.

RCM14-01: 6 mA DC RCM-module volgens IEC 62955, opening van 14 millimeter (mm)

Het RCM14-01-RCM-meetinstrument detecteert DC-foutstromen in 50 Hz/60 Hz AC-systemen. Het is ontwikkeld voor gebruik in Mode 3-laadstations voor EV's (IEC 62955-norm) om het laadcircuit van de EV te onderbreken in geval van een DC-foutstroom ≥ 6 mA. Deze detector voegt op een kosteneffectieve en eenvoudige manier DC-reststroombewaking toe aan bestaande Type-A- en Type-F-RCD-meetinstrumenten van het elektrische systeem van het gebouw (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: RCM14-01 voegt bewaking van DC-reststromen ≥ 6 mA toe aan AC-gevoelige Type-A RCD's in elektrische systemen van gebouwen. (Bron afbeelding: Littelfuse, Western Automation)

RCM14-03: 6 mA DC/30 mA AC RCM-module volgens IEC 62752, 14 mm opening

De RCM14-03 is bedoeld voor gebruik in ICCB's of geïntegreerde beveiligingen voor EV's in laadmodus 2 om de voeding naar de EV te onderbreken in geval van een AC- of DC-fout.

RCM14-04: 56 mA DC/20 mA AC RCM-module volgens UL 2231-2, 14 mm opening

De RCM14-04-module detecteert AC- en DC-foutstromen in 60 hertz (Hz) AC installaties. Het is ontworpen voor gebruik in laadcircuitonderbrekende apparatuur (CCID) voor EV-laadstations waar het de voeding naar de EV onderbreekt in geval van een AC- en/of DC-reststroomconditie.

RCM20-01: De RCM20-01 is een RCM-meetinstrument bedoeld voor de detectie van DC-reststromen in 50 Hz/60 Hz AC-installaties. Het is bedoeld voor Mode 3-laadstations voor elektrische voertuigen, om de voeding naar het elektrische voertuig af te sluiten als er een gelijkstroom restfoutstroom optreedt. Het product voldoet volledig aan IEC 62955.

RCM20-03: De RCM20-03 is een RCM-meetinstrument bedoeld voor de detectie van DC- en AC-aardlekstromen in 50 Hz/60 Hz AC-installaties. Het is bedoeld voor Mode 2-laadstations voor elektrische voertuigen, om de voeding naar het elektrische voertuig af te sluiten onder DC- en AC-foutstroomcondities. Het product voldoet volledig aan IEC 62752 en kan ook worden gebruikt voor IEC 62955-toepassingen waar 30 mA AC-foutdetectie vereist is.

Voor integratie in een groter apparaatcircuit zijn de volgende RCM-modules ook verkrijgbaar als open-frame systemen:

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

Elk systeem bestaat uit een soldeerbare sensorprintplaat en een aparte stroomtransformator (Afbeelding 6).

Afbeelding 6: De RCM14-04_SYS-modules zijn open-frame systemen bestaande uit een sensorprintplaat en een stroomtransformator. (Bron afbeelding: Littelfuse, Western Automation)

Conclusie

AC-gevoelige Type-A-RCM-meetinstrumenten zijn gangbare installatienormen in elektrische systemen van gebouwen, maar ze kunnen niet beschermen tegen de gevaren van gelijkstroom in EV-laadcircuits. Zoals getoond kan de RCM14-serie de DC-reststroombewaking uitvoeren die vereist is in ICCB-laadkabels (Mode 2) en EV-laadstations (Mode 3). Met slechts vier aansluitpinnen kunnen systeemontwerpers de compacte RCM-module of het open-frame systeem eenvoudig en kostenefficiënt implementeren in hun EVSE.