電動汽車充換電設施與低壓電器劉金琰;李人杰;栗惠【摘要】分析了電動汽車充換電設施涉及的電工領域,概括了電動汽車充電設施對低壓電器的要求,總結了低壓電器在4種充電模式下的應用及適用于4種充電模式的剩余電流保護電器(RCD)的發展動態.期刊名稱】《現代建筑電氣》年(卷),期】2017(008)008【總頁數】7頁(P1-7)【關鍵詞】電動汽車充換電設施;充電模式;低壓電器;剩余電流保護電器(RCD)【作者】劉金琰;李人杰;栗惠【作者單位】上海電器科學研究院,上海200063;上海電器科學研究院,上海200063;上海電器科學研究院,上海200063【正文語種】中文【中圖分類】TM561隨著電動汽車的大力發展,2014年我國新能源乘用車已經超過12萬輛,經測算到2020年全國電動汽車保有量將超過500萬輛,電動汽車與充電設施的比例將接近標配的1:1。作為支持電動汽車的充換電系統,安全性與使用的可靠性成為充換電基礎設施行業最大的挑戰。1.1充換電設施GB/T29317—2012《電動汽車充換電設施術語》［1］中充換電設施是指為電動汽車提供電能的相關設施的總稱,一般包括充電站、電池更換站、電池配送中心、集中或分散布置的交流充電樁等。電動汽車實現充電全過程的示意圖如圖1所示,包括電網、低壓配電設備、充電樁、車載設備、計費設備、電池和車輛等。因此,電動汽車不僅與汽車行業有關,還需要與電力、電工、電池、通信等行業通力合作。1.2涉及的電工領域及相關標準電動汽車充換電設施涉及的電工領域包括:全國車輛標準化技術委員會電動汽車分委會(SAC/TC114/SC27對應IEC/TC69)領域的電動汽車;能源行業電動汽車充電設施標準化技術委員會(NEA/TC3)領域的充換電設施;全國低壓電器標準化技術委員會(SAC/TC189、SAC/TC189/SC1對應IEC/SC121A、IEC/SC23E)領域的斷路器、接觸器和剩余電流保護電器(RCD);全國電線和電纜標準化技術委員會(SAC/TC213對應IEC/TC20)領域的充電電纜;全國電器附件標準化技術委員會(SAC/TC67對應IEC/SC23H)領域的充電插頭、插座和接口;全國建筑物電氣裝置標準化技術委員會(SAC/TC205對應IEC/TC64)領域的特殊裝置和場所的要求等。完善的充電基礎設施標準體系是電動汽車普及的重要保障。電動汽車充電基礎設施標準體系包括基礎標準、插頭插座標準、接口標準、系統標準、保護電器標準等。相關基礎標準包括GB/T19596—2004《電動汽車術語》［2］、GB/T29317—2012。插頭插座標準包括GB/T2099.1—2008《家用和類似用途插頭插座第1部分:通用要求》［3］、GB/T1002—2008《家用和類似用途單相插頭插座型式、基本參數和尺寸》⑷。接口標準包括GB/T20234.1—2015《電動汽車傳導充電用連接裝置第1部分:通用要求》⑸、GB/T20234.2—2015《電動汽車傳導充電用連接裝置第2部分:交流充電接口》［6］、GB/T20234.3—2015《電動汽車傳導充電用連接裝置第3部分:直流充電接口》［7］、GB/T27930—2015《電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統之間的通信協議》［8］。系統標準包括GB/T18487.1—2015《電動汽車傳導充電系統第1部分:通用要求》［9］。低壓電器標準包括GB/T14048.3—2008《低壓開關設備和控制設備第3部分:開關、隔離器、隔離開關以及熔斷器組合電器》［10］、GB/T14048.4—2010《低壓開關設備和控制設備第4-1部分:接觸器和電動機起動器機電式接觸器和電動機起動器(含電動機保護器)》［11］、GB/T14048.2—2008《低壓開關設備和控制設備第2部分:斷路器》［12］、GB/T10963.1—2005《電氣附件家用及類似場所用過電流保護斷路器第1部分:用于交流的斷路器》［13］、GB/T16916.1—2014《家用和類似用途的不帶過電流保護的剩余電流動作斷路器(RCCB)第1部分:一般規則》［14］、GB/T16917.1—2014《家用和類似用途的帶過電流保護的剩余電流動作斷路器(RCBO)第1部分:一般規則》［15］、GB/T22794—2008《家用和類似用途的不帶和帶過電流保護的B型剩余電流動作斷路器(B型RCCB和B型RCBO)》［16］、NB/T42077—2016《電動汽車模式2充電的纜上控制與保護裝置(IC-CPD)》［17］。特殊裝置和場所的要求包括GB/T16895.X《低壓電氣裝置第7-722部分：特殊裝置或場所的要求電動汽車的供電》［18］,等同采用IEC60364-7-722［19］。其中系統標準GB/T18487.1—2015規定4種充電模式，并對電動汽車充電設施采用的低壓電器產品提出基本要求。1.3GB/T18487.1—2015標準解析1.3.1電動汽車充電模式使用條件模式1:充電系統使用標準的插座和插頭,能量傳輸過程中采用單相交流供電,且不允許超過8A和250V在電源側應使用符合GB/T2099.1—2008和GB/T1002—2008要求的插頭插座,相線、中性線和保護接地導體以及剩余電流保護裝置。從標準插座到電動汽車應提供保護接地導體,不應采用模式1對電動汽車充電模式2:充電系統使用標準插座,能量傳輸過程中采用單相交流供電。在電源側使用符合GB/T2099.1—2008和GB/T1002—2008要求的16A插頭插座時輸出不能超過13A,符合GB/T2099.1—2008和GB/T1002—2008要求的10A插頭插座時輸出不能超過8A,使用相線、中性線和保護接地導體,并且采用纜上控制與保護裝置（IC-CPD）連接電源與電動汽車。從標準插座到電動汽車應提供保護接地導體,且應具備剩余電流保護和過流保護功能。模式3:充電系統應用于連接到交流電網的供電設備,將電動汽車與交流電網連接起來,并且在電動汽車供電設備上安裝專用保護裝置。電動汽車供電設備具有一個及以上可同時使用的模式連接點（供電插座）時,每個連接點應具有專用保護裝置,并確保控制導引功能可獨立運行。該模式應具備剩余電流保護功能,采用連接方式A、BC。采用單相供電時，電流S32A。采用三相供電且電流＞32A時，應采用連接方式C。模式4:充電系統用于電動汽車連接到直流供電設備的情況,應用于永久連接在電網（電源）的設備和通過電纜與電網（電源）連接為其供電的設備。模式4可直接連接至交流電網或直流電網，僅連接方式C適用于模式4。1.3.2充電連接方式充電連接方式分為連接方式A、連接方式B和連接方式C,如表1所示。1.3.3充電系統對開關設備和RCD的基本要求開關和隔離開關應符合GB/T14048.3—2008的相關要求，額定電流應不小于工作電路額定電流的1.25倍，使用類別應不低于AC22A或DC21A。接觸器應符合GB/T14048.4—2010的相關要求,額定電流應不小于工作電路額定電流的1.25倍,使用類別應不低于AC1A或DC1A。斷路器應符合GB/T10963.1—2005或GB/T14048.2—2008的相關要求,具備過載和短路保護功能。電動汽車交流供電設備宜采用A型或B型的RCD,符合GB/T14048.2—2008、GB/T16916.1—2014和GB/T22794—2008的相關要求。當交流供電設備具有符合GB/T20234標準要求的供電插座或車輛插頭時，應具備防故障電流的保護措施（B型RCD,或A型RCD或滿足符合A型剩余電流保護功能的相關裝置）。2.1開關和隔離開關符合GB/T14048.3—2008的開關主要功能是接通和分斷電流。隔離開關主要功能是接通、分斷和隔離。使用類別AC22A指交流電路中通斷電阻和電感混合負載，包括適當的過載;使用類別DC21A指直流電路中通斷電阻性負載，包括適當的過載。開關和隔離開關的型式包括極數、電流種類等信息;主電路的額定值包括額定電壓、額定工作電流、額定頻率、額定工作制、正常負載和過載特性、短路特性等。接觸器符合GB/T14048.4—2010的交流和直流接觸器僅有一個休止位置,能接通、承載和分斷正常電路條件(包括過載運行條件)下的一種非手動操作的機械開關電器。接觸器一般不用于分斷短路電流。使用類別AC1A指交流電路中通斷一般用途無感或微感負載、電阻爐負載;使用類別DC1A指直流電路中通斷無感或微感負載、電阻爐負載。因接觸器頻繁操作,操作次數是考核的重要指標。斷路器符合GB/T10963.1—2005的斷路器適用于交流50Hz或60Hz、額定電壓不超過440V(相間)、額定電流不超過125A的電路;瞬時保護特性分別為B(3In~5In)、C(5In~10In)、C(10In~20In);額定短路能力不超過25000A。符合GB/T14048.2—2008的斷路器主觸頭接入額定電壓不超過交流1000V或直流1500V電路,具備過載和短路保護功能。RCDRCD是適用于當剩余電流等于或超過額定剩余動作電流時能自動斷開的產品族的通用術語，包括不帶過電流保護的剩余電流動作斷路器(RCCB),符合GB/T16916.1—2014和GB/T22794標準;帶過電流保護的剩余電流動作斷路器(RCBO)符合GB/T16917.1—2014和GB/T22794標準;帶或不帶過電流保護的插座式剩余電流電器(SRCD)符合GB/T28527—2012《家用和類似用途的帶或不帶過電流保護的插座式剩余電流電器(SRCD)》［20］標準;不帶過電流保護的移動式剩余電流裝置(PRCD)符合GB/T20044—2012《電氣附件家用和類似用途的不帶過電流保護的移動式剩余電流裝置(PRCD)》［21］標準;用于I類和電池供電車輛的可開閉保護接地移動式剩余電流裝置(SPE-PRCD)符合GB/T29303—2012《用于I類和電池供電車輛的可開閉保護接地移動式剩余電流裝置(SPE-PRCD)》［22］標準;具有剩余電流保護的斷路器(CBR)符合GB/T14048.2—2008標準;剩余電流裝置模塊(MRCD)符合GB/T14048.2—2008標準。RCD根據直流分量時的工作狀況分為AC型RCD、A型RCD、F型RCD和B型RCD。不同類型的RCD保護的故障電流波形如表2所示。AC型、A型、F型和B型RCD對相位控制、脈沖控制、單相半波、雙脈沖橋式、雙脈沖橋式/半波相位控制、單相半波帶濾波、采用雙脈沖橋式的變頻器、采用雙脈沖橋式帶PFC的變頻器、相間雙脈沖橋式的變頻器、三相星形、采用六脈沖橋式的變頻器的電路中出現的接地故障進行保護。3.1充電模式1的應用充電模式1的應用示意圖如圖2所示,將交流系統中的普通電源插座直接與電動汽車交流充電接口連接，向電動汽車充電,要求額定電流S8A,額定電壓AC230V,電源側提供相線、中性線和接地保護導體。由于電氣安全依靠供電電網中斷路器和RCD進行安全保護，充電線路前端的安全性不確定，所以GB/T18487.1—2015標準中禁止采用這種充電模式。3.2充電模式2的應用充電模式2的應用示意圖如圖3所示。交流系統中的普通電源插座經符合NB/T42077—2016標準的纜上控制與保護裝置(IC-CPD)與電動汽車交流充電接口連接,向電動汽車充電°IC-CPD產品如圖4所示。電源接口是符合GB/T2099標準的普通家用電源插座;充電接口是符合GB/T20234.2—2015的專用充電接口,額定電流＜16A,額定電壓AC230V。電源側提供相線、中性線和接地保護導體。電氣安全依靠供電電網中斷路器和RCD的基本保護和IC-CPD專門保護°IC-CPD具備剩余電流保護功能,在供電導體誤接線或斷開或高阻抗PE可能引起的不安全情況下不允許觸頭閉合,還具有控制導引功能。3.3充電模式3的應用充電模式3的應用示意圖如圖5所示。交流配電系統通過具有控制與保護功能的專用充電設備與電動汽車交流充電接口連接,向電動汽車充電。專用供電設備上安裝了控制導引裝置，兩邊接口均為符合GB/T20234.2—2015的專用充電接口，額定電流＜63A,額定電壓AC230V或400V;電源側提供相線、中性線和接地保護導體。交流充電樁/站內裝配有符合GB/T10963.1—2015的交流主斷路器和符合GB/T16916.1—2014的剩余電流斷路器RCCB組合，或者是符合GB/T2014的交流主剩余電流斷路器RCBO,以及符合GB/T14048.4—2010標準的交流主接觸器,來保證專用充電樁/站及樁車之間的電氣安全和導引檢測。3.4充電模式4的應用充電模式4為直流快沖模式。充電模式4的應用原理如圖6所示,將整流模塊從車內整合到直流樁內。交流配電系統通過直流充電樁與電動汽車直流充電接口連接,向電動汽車充電。連接直流充電樁的接口和連接電動汽車的接口均為符合GB/T20234.3—2015的專用直流充電接口;直流充電樁/站內裝配有符合GB/T2008或GB/T10963.1—2005的交流主斷路器和符合GB/T16916.1—2014的剩余電流斷路器RCCB組合，或者是符合GB/T16917.1—2014的交流主剩余電流斷路器RCBO,符合GB/T14048.4—2010標準的交流主接觸器,以及直流斷路器和直流接觸器來保證直流充電樁/站及樁車之間的電氣安全和導引檢測。現行的開關和隔離開關、接觸器、斷路器基本滿足電動汽車充電設施的基本要求,而保護電器需要開發新的產品來滿足電動汽車充電設施的特殊要求。為了實現將電動汽車安全、可靠地連接至電源系統上，對于所有的充電模式,GB/T18487.1—2015和IEC60364-7-722[13]規定在基本保護和/故障保護失效時,至少由A型RCD提供電擊防護(只有B型RCD才能提供完美保護)。根據GB/T18487.1—2015電動汽車模式3充電的要求，剩余直流電流檢測電器(RDCDD)預期在檢測到6mA及以上的平滑剩余直流電流時斷開監視電路。A型RCD需要串聯RDCDD,才可以避免由于負載剩余平滑直流電流＞6mA時引起的A型RCD動作特性漂移而不正確動作。B型RCD本身可以檢測剩余平滑直流電流，但成本過于昂貴。目前，國際上已根據電動汽車行業的市場需求，立項制定RDCDD標準。根據GB/T18487.1—2015電動汽車模式4充電的要求，直流剩余電流保護電器(DC-RCD)可以對直流充電系統下端提供故障保護和直接接觸保護。國際上已根據電動汽車行業的市場需求,開始立項制定DC-RCD標準。綜上所述,4種充電模式及所要求的RCD如表3所示。隨著新興領域的蓬勃發展,低壓電器的應用和發展越來越廣泛,不僅在傳統的家用場所、商用場所、農網和工業領域得到普及,也開始在電動汽車充電系統中得到廣泛應用,未來還將廣泛應用于光伏電氣裝置、數據中心、電信中心等,對電擊事故、電氣設備損壞和電氣火災提供有效防護。電動汽車充換電設施術語:GB/T29317—2012[S].電動汽車術語:GB/T19596—2004[S].家用和類似用途插頭插座第1部分通用要求:GB/T2099.1—2008[S].家用和類似用途單相插頭插座型式、基本參數和尺寸:GB/T1002—2008[S].⑸電動汽車傳導充電用連接裝置第1部分:通用要求:GB/T20234.1—2015[S].⑹電動汽車傳導充電用連接裝置第2部分:交流充電接口:GB/T20234.2—2015[S].電動汽車傳導充電用連接裝置第3部分:直流充電接口:GB/T20234.3—2015[S].電動汽車非車載傳導式充電機與電池管理系統之間的通信協議:GB/T27930—2015[S].電動汽車傳導充電系統第1部分:通用要求:GB/T18487.1—2015[S].低壓開關設備和控制設備第3部分:開關、隔離器、隔離開關以及熔斷器組合電器:GB/T14048.3—2008[S].低壓開關設