隨著電動汽車數(shù)量的快速增加，配套的電動汽車充電樁的市場規(guī)模和部署數(shù)量也隨之上升。根據(jù)電動汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施促進(jìn)協(xié)會近期數(shù)據(jù)，截至2019年3月，公共充電樁和私人充電樁總計(jì)保有量為92.1萬臺，同比增長76.6%，其中，隨車配建充電樁53.7萬臺；協(xié)會內(nèi)成員單位總計(jì)上報(bào)公共類充電樁38.4萬臺，其中交流充電樁21.9萬臺、直流充電樁16.4萬臺、交直流一體充電樁0.05萬臺。

然而相較于傳統(tǒng)汽車，電動汽車存在充電時間較長，續(xù)航里程短的問題。快充充電樁可以顯著提高電動汽車的充電速度，已逐漸成為行業(yè)關(guān)注的方向之一?？斐涑潆姌犊梢韵螂妱悠囂岣?0kW的功率，使得電動汽車的電量可以在10~15分鐘內(nèi)達(dá)到約80%。在西歐、美國等地，相關(guān)產(chǎn)品的研制和測試已經(jīng)展開。

圖1 快充充電樁結(jié)構(gòu)

電動汽車快速充電方案

快充充電樁結(jié)構(gòu)如圖1所示。在電路拓?fù)渖?，快充充電方案由有源PFC（功率因數(shù)校正）和DC-DC變換器兩種變換裝置串聯(lián)而成。同時在主電路充電回路中增加了緩沖電池組進(jìn)行儲能。

典型的有源PFC電路包含了無控整流部分和boost電路部分。輸入交流電流經(jīng)無控全橋整流變?yōu)槿ㄕ髦绷?。而為了保證充電樁對電網(wǎng)不產(chǎn)生諧波干擾，boost電流將調(diào)整開關(guān)管的PWM驅(qū)動信號保持輸入電流對輸入電壓的相位跟蹤，使充電樁的輸入特性呈純阻性。

DC-DC變換器主要負(fù)責(zé)充電控制。綜合考慮充電的安全性和效率，變換器需要基于電池電壓、溫度、電流等多個因素組成的充電策略控制輸出電壓和電流。以鋰電池充電為例，其整個過程可以分為涓流充電、恒流充電、恒壓充電和終止充電四個階段，不同的階段有不同的控制策略。

快速充電樁在峰值功率上遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)充電樁，在工作過程中將對電網(wǎng)產(chǎn)生較大沖擊，影響電網(wǎng)穩(wěn)定性。因此需要在快速充電站中增加緩沖電池組對充電樁的工作時的功率峰值進(jìn)行補(bǔ)償。該電池組在充電樁不工作時通過電網(wǎng)充電，而在充電樁工作時為充電樁功能，以實(shí)現(xiàn)對充電樁功率的削峰填谷。

     快速充電樁的漏電檢測問題分析

從前文的結(jié)構(gòu)分析可以看出，電動汽車快速充電樁涉及到交直流轉(zhuǎn)換和儲能，可以視為一個較復(fù)雜的交直流充放系統(tǒng)。因此，作為對人員和設(shè)備安全的基本保證，快速充電樁也必須解決交直流漏電保護(hù)問題。

快速充電樁的漏電事故機(jī)理大致可以分為兩類。一是絕緣故障，如儲能系統(tǒng)的對地絕緣阻抗過小、充電樁內(nèi)部電纜或外殼出現(xiàn)絕緣外殼破損等情況。二是由于存在對地電容導(dǎo)致充電樁與地之間存在交流回路。這些漏電都將導(dǎo)致火災(zāi)和人員安全隱患。

作為大功率的公共設(shè)施，快速充電樁的漏電監(jiān)測保護(hù)問題有重要意義?？焖俪潆姌妒褂弥绷鞒潆姡瑢儆诔潆娔Ｊ?。雖然對該模式的漏電保護(hù)國內(nèi)尚無明確規(guī)定，但根據(jù)即將實(shí)施的GB/T40820-2021《電動汽車模式3充電用直流剩余電流檢測電器（RDC-DD）》標(biāo)準(zhǔn)，可對電動汽車充電樁的漏電保護(hù)要求做大致參考。根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)的4.1.1部分，應(yīng)用在模式3充電設(shè)備中的漏電檢測裝置需具有對6mA直流漏電的監(jiān)測評估能力和對30mA交直流漏電流的保護(hù)功能。

圖2 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)條目

現(xiàn)有方案分析

在現(xiàn)有的對交直流漏電的檢測方案中多使用霍爾傳感器，其零點(diǎn)飄移和溫度漂移較大，容易造成誤報(bào)。霍爾傳感器基于霍爾效應(yīng)設(shè)計(jì)，其成本較低，在一定溫區(qū)范圍內(nèi)精度較高，因而被廣泛應(yīng)用在直流系統(tǒng)的絕緣檢測中?；魻杺鞲衅鞯牧泓c(diǎn)漂移問題主要來自于信號放大電路中的運(yùn)放漂移。而其溫度漂移則主要來自原理。圖3為霍爾半導(dǎo)體片的模型。其中支路的進(jìn)出電流的差值即為支路漏電流。B為施加于半導(dǎo)體片的垂直磁場。在洛倫茲力作用下，半導(dǎo)體片內(nèi)的電子向一側(cè)偏轉(zhuǎn)堆積，

     圖3 霍爾半導(dǎo)體模型

磁通門傳感器的原理及優(yōu)勢

 以結(jié)構(gòu)簡單的單線圈磁通門方案為例，其結(jié)構(gòu)如圖4所示，包含磁芯探頭、激勵模塊、檢測模塊和翻轉(zhuǎn)與計(jì)算模塊。激勵模塊向激勵線圈中注入方波激勵電壓促使磁芯探頭磁化，產(chǎn)生交變磁場，進(jìn)而在激勵線圈中產(chǎn)生激勵電流。翻轉(zhuǎn)與計(jì)算模塊通過檢測模塊的檢測進(jìn)行判斷，在磁芯進(jìn)入飽和時向激勵模塊發(fā)出翻轉(zhuǎn)信號使激勵信號翻轉(zhuǎn)，磁芯探頭以反向磁化狀態(tài)完成上述過程，完成一個周期。當(dāng)外加電流通過磁芯探頭時，會對磁芯探頭磁場造成偏置，導(dǎo)致一個周期內(nèi)的正反激勵電流不對稱，從而對電流實(shí)施檢測。

圖4磁通門傳感模組結(jié)構(gòu)框圖

磁通門的工作過程可以在磁芯探頭的磁化過程中表現(xiàn)出來。如圖5所示是磁芯探頭的B-H特性曲線。

圖5 磁芯探頭B-H特性曲線

對正負(fù)激勵電流進(jìn)行比較是差分運(yùn)算，可以較好減弱處理電路中的零點(diǎn)誤差影響。所以，除了存在地磁場等外部電磁干擾外，磁通門不會有明顯的零點(diǎn)漂移現(xiàn)象。

總結(jié)

作為公共設(shè)施，電動汽車充電樁的安全設(shè)計(jì)事關(guān)生命安全，其絕緣檢測設(shè)備的準(zhǔn)確穩(wěn)定運(yùn)行有利于系統(tǒng)的運(yùn)行維護(hù)成本的降低。因此，相較于傳統(tǒng)的霍爾傳感器，磁通門傳感器具有全溫區(qū)精度更高的優(yōu)點(diǎn)，更加適用于未來新能源汽車充電樁的監(jiān)測設(shè)計(jì)。

通過采用各種方法進(jìn)行誤差控制，直流漏電傳感器在精度上達(dá)到了較高水準(zhǔn)，全溫區(qū)精度2%，線性度誤差0.4%，可以滿足直流系統(tǒng)絕緣檢測的要求，并在更多漏電保護(hù)場景也滿足應(yīng)用要求。

拓勉智能科技的TMTE531 B型智能全自動漏電保護(hù)器測試儀根據(jù)即將實(shí)施的GB/T40820-2021《電動汽車模式3充電用直流剩余電流檢測電器（RDC-DD）》標(biāo)準(zhǔn)，可對電動汽車充電樁的漏電保護(hù)特性進(jìn)行相關(guān)的高精度測試。

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