淺談電動(dòng)汽車充電樁的防觸電保護(hù)

時(shí)間：2021-05-21作者：安科瑞電子商務(wù)（上海）有限公司瀏覽：48

朱鹍

安科瑞電氣股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：防觸電保護(hù)是電器安穩(wěn)設(shè)計(jì)首先要考慮的問題。介紹防觸電保護(hù)的基本要求和方法，然后結(jié)合電動(dòng)汽車充電設(shè)備的安穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)，分析了這些方法如何合理運(yùn)用，希望大家在安穩(wěn)使用新能源技術(shù)的前提下，創(chuàng)造綠色、環(huán)保的明天。

關(guān)鍵詞：防觸電保護(hù)；直接觸電的防護(hù)；間接觸電的防護(hù)；附加防護(hù)

引言

    能源問題、環(huán)境保護(hù)問題日益成為**社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)，特別是在發(fā)展的中國(guó)不僅面臨石油短缺的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，而且隨著汽油車保有量的飛速增長(zhǎng)，日益嚴(yán)重的汽車尾氣污染，已經(jīng)成為它不能承受的后果。在北京、上海、廣州等大城市，機(jī)動(dòng)車已成為排放一氧化碳、氮氧化物、碳?xì)浠衔锏任廴疚锏囊淮笪廴驹础I(yè)內(nèi)人士估計(jì)，10~15年之后我國(guó)的汽車保有量可能過1億輛。因此，治理汽車污染將是一項(xiàng)長(zhǎng)期的、艱巨的、復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

    電動(dòng)汽車作為一種新型交通工具，用電池作驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了零排放。它在緩解能源危機(jī)，保護(hù)環(huán)境方面有著傳統(tǒng)汽油車無可比擬的優(yōu)勢(shì)。由于電動(dòng)汽車是靠電池驅(qū)動(dòng)，當(dāng)電動(dòng)汽車電池的電能消耗到一定程度時(shí)，就需要依靠充電裝置對(duì)電動(dòng)汽車內(nèi)的動(dòng)力電池進(jìn)行充電，從而滿足電動(dòng)汽車的循環(huán)使用。這樣充電裝置成為了電動(dòng)汽車使用環(huán)節(jié)中的重要一環(huán)。由于充電裝置相比其他的家用電器功率和電流都較大，大多數(shù)安裝在公共場(chǎng)所，充電裝置的使用安穩(wěn)是所有電動(dòng)汽車的生產(chǎn)廠家、物業(yè)和車主共同關(guān)心的話題。充電裝置的使用安穩(wěn)主要依靠充電裝置的安穩(wěn)設(shè)計(jì)，結(jié)合IEC標(biāo)準(zhǔn)及中國(guó)國(guó)內(nèi)的一些標(biāo)準(zhǔn)，探討充電裝置設(shè)計(jì)中須要注意的一些特殊要求。

一、安穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

    現(xiàn)行有效的IEC有關(guān)充電樁安穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)為：IEC61851—1（2010電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)*1部分通用標(biāo)準(zhǔn)）；IEC61851—21（2002電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)21部分交流/直流電源傳導(dǎo)連接的要求）；IEC61851—22（2002電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)22部分交流電動(dòng)汽車充電站）；IEC61851—23（2014電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng)23部分直流電動(dòng)汽車充電站）。

    整個(gè)IEC61851的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)里面，它涵蓋了防觸電保護(hù)的要求，防止大能量電弧的要求，防止過熱的要求，防止機(jī)械危險(xiǎn)的要求等。在諸多防護(hù)要求中，防觸電保護(hù)是較基本的，也是較重要的保護(hù)，因?yàn)闈撛诘碾姄麸L(fēng)險(xiǎn)又可以引起火災(zāi)及其它復(fù)合危險(xiǎn)，看不到、聞不到，不能預(yù)先感知，所以IEC的標(biāo)準(zhǔn)要求充電設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮到這些風(fēng)險(xiǎn)，把這些風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的機(jī)率降到較小。著重討論IEC61851系列和GB系列有關(guān)充電設(shè)備防觸電保護(hù)的要求。

二、結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)分析充電樁防觸電保護(hù)的要求

    由于充電樁在工作狀態(tài)時(shí)須要連接電動(dòng)汽車，所以充電樁不僅要有自身的防觸電保護(hù)措施，還需要檢測(cè)電動(dòng)汽車的安穩(wěn)狀況，一旦發(fā)現(xiàn)電動(dòng)汽車絕緣破壞應(yīng)立刻切斷電源。所以充電樁的充電電纜和電動(dòng)汽車的充電接口連在一起后，需要確認(rèn)連接，并持續(xù)檢測(cè)電動(dòng)汽車的接地線是否和充電樁的接地保護(hù)線可靠地連接在一起。這里分別列舉一個(gè)交流充電樁和一個(gè)直流充電樁的連接和充電過程來分析防觸電保護(hù)措施的運(yùn)用。

1、交流充電樁的連接

    從圖5可知充電樁和電動(dòng)汽車的連接點(diǎn)1，2是單相電源的L，N線的連接點(diǎn)，連接點(diǎn)3是接地保護(hù)連接點(diǎn)，連接點(diǎn)4是控制導(dǎo)引連接點(diǎn)，連接點(diǎn)5是位置檢測(cè)連接點(diǎn)。圖中R4，R5，R6，R7和開關(guān)S3組成位置檢測(cè)的功能。當(dāng)充電樁和電動(dòng)汽車連接后，測(cè)試點(diǎn)1的電壓由于充電樁連接器上的電阻R6并入位置檢測(cè)電路而發(fā)生變化，這樣檢測(cè)電路根據(jù)電壓的變化可判斷充電樁和電動(dòng)汽車是否已經(jīng)連接好，只有連接后充電樁才會(huì)向電動(dòng)汽車充電。S3的功能是防止充電樁和電動(dòng)汽車的連接意外斷開。S3是常閉開關(guān)，在正常連接時(shí)，R7是被短路的，當(dāng)要斷開連接時(shí)，由于S3和連接器的機(jī)械聯(lián)鎖組合在一起，需要要斷開S3，這樣R7就并聯(lián)在位置檢測(cè)電路上，測(cè)試點(diǎn)1的電壓發(fā)生變化，檢測(cè)電路根據(jù)電壓的變化可判斷充電樁是否要和電動(dòng)汽車脫離連接，在充電樁的連接器和電動(dòng)汽車的插座脫離前及時(shí)切斷充電電流，防止電弧危險(xiǎn)及危險(xiǎn)帶電體被觸及。

2、直流充電樁的連接

    直流充電樁分為隔離直流充電機(jī)和非隔離直流充電機(jī)，所謂的隔離直流充電樁是指直流輸出電路和電源交流側(cè)至少是基本絕緣，目前電動(dòng)汽車充電樁的安穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)隔離直流充電樁。在直流充電樁的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)調(diào)了需要采用自動(dòng)切斷電源的保護(hù)措施，同時(shí)要求直流充電樁應(yīng)和交流電源側(cè)中的A型漏電保護(hù)器相兼容。在控制導(dǎo)引方面的防觸電保護(hù)，除了交流充電樁的要求之外，還增加了在充電前的絕緣電阻的檢測(cè)，要求絕緣電阻R：R≥100Ω/V*U （1）式中U為直流充電樁的額定輸出電壓。

    防電擊保護(hù)，交流側(cè)沿用了交流充電樁的基本要求，充電樁的金屬外殼需要和保護(hù)接地相連，實(shí)現(xiàn)等電位和自動(dòng)故障斷電。直流側(cè)見圖6中的隔離變壓器次級(jí)，直流+，-端和地之間跨接了絕緣監(jiān)測(cè)器，它的目的在于監(jiān)測(cè)直流輸出端和地的絕緣情況。當(dāng)直流電流由隔離變壓器輸出時(shí)，變壓器次級(jí)的電路和地之間實(shí)際形成了IT系統(tǒng)，當(dāng)直流端和地發(fā)生一次絕緣故障時(shí)，由于變壓器的隔離作用，直流端對(duì)地不能形成回路，所以故障電流很小，不足以觸發(fā)斷路器或漏電保護(hù)器動(dòng)作，如果不加以監(jiān)測(cè)，那么這個(gè)故障就會(huì)作為一個(gè)隱患保留下來，潛在的風(fēng)險(xiǎn)很大。所以在正式充電前還要進(jìn)行絕緣電阻的監(jiān)測(cè)，絕緣電阻值不能小于式（1）計(jì)算出來的值，否則就不允許充電。

    當(dāng)直流充電樁在充電過程中檢測(cè)到充電樁或汽車的異常情況，須要通過緊急終止來安穩(wěn)。異常情況包括檢測(cè)到非正常的接地泄漏，過電流和絕緣失效。

圖6直流充電控制導(dǎo)引電路

三、安科瑞充電樁運(yùn)營(yíng)管理平臺(tái)

1、系統(tǒng)架構(gòu)

    安科瑞Acrelcloud-充電樁收費(fèi)運(yùn)營(yíng)云平臺(tái)系統(tǒng)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對(duì)接入系統(tǒng)的充電樁站點(diǎn)和各個(gè)充電樁進(jìn)行不間斷地?cái)?shù)據(jù)采集和監(jiān)控，同時(shí)對(duì)各類故障如充電機(jī)過溫保護(hù)、充電機(jī)輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測(cè)故障等一系列故障進(jìn)行預(yù)警；用戶通過微信小程序掃描二維碼，進(jìn)行支付后，系統(tǒng)發(fā)起充電請(qǐng)求，控制二維碼對(duì)應(yīng)的充電樁完成電動(dòng)汽車的充電過程。

    充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯(lián)網(wǎng)，配合加密技術(shù)和秘鑰分發(fā)技術(shù)，基于TCP/IP的數(shù)據(jù)交互協(xié)議，與云端進(jìn)行直連。云平臺(tái)包含了充電收費(fèi)和充電樁運(yùn)營(yíng)的所有功能，具體功能如下：

      資源管理：充電站檔案管理，充電樁檔案管理，用戶檔案管理，充電樁運(yùn)行監(jiān)測(cè)，充電樁異常交易監(jiān)測(cè)。

      交易結(jié)算：充電價(jià)格策略管理，預(yù)收費(fèi)管理，賬單管理，營(yíng)收和財(cái)務(wù)相關(guān)報(bào)表

      用戶管理：用戶注冊(cè)，用戶登錄，用戶帳戶管理，消息管理

      充電服務(wù)：充電設(shè)施搜索，充電設(shè)施查看，地圖尋址，在線自助支付充電，充電結(jié)算，導(dǎo)航等

      微信小程序：掃碼充電，賬單支付等功能

      數(shù)據(jù)服務(wù)：數(shù)據(jù)采集，短信提醒，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和解析

      變壓器監(jiān)控：監(jiān)控充電站變壓器負(fù)荷，每個(gè)充電站配備一塊ARCM300T無線表，負(fù)荷時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)充電樁的進(jìn)行調(diào)度管理，即當(dāng)負(fù)荷過百分之五十時(shí)，系統(tǒng)會(huì)限制新增開始充電的充電樁的功率，降為百分之五十，當(dāng)變壓器負(fù)荷過百分之八十時(shí)，系統(tǒng)將不允許新增充電樁開始充電，直到負(fù)荷下降為止。

2、平臺(tái)功能

2.1平臺(tái)登錄

    在瀏覽器打開云平臺(tái)鏈接、輸入賬戶名和權(quán)限密碼，進(jìn)行登錄，防止未授權(quán)人員瀏覽有關(guān)信息。

2.2平臺(tái)首頁

    平臺(tái)首頁總覽每天的開戶數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng)，累計(jì)的開戶數(shù)、充值金額、充電金額、充電度數(shù)、充電次數(shù)、充電時(shí)長(zhǎng)，以及相應(yīng)的環(huán)比增長(zhǎng)和同比增長(zhǎng)以及樁、站分布地圖導(dǎo)航、本月充電統(tǒng)計(jì)。

2.3實(shí)時(shí)監(jiān)控

?充電站監(jiān)控

    充電站監(jiān)控頁面監(jiān)視用戶充電槍總數(shù)、正在充電的槍數(shù)、空閑槍數(shù)、插槍數(shù)量、故障槍數(shù)量等，匯總了用戶擁有各樁的當(dāng)日充電總次數(shù)、總電量、總時(shí)長(zhǎng)，進(jìn)行負(fù)荷限制、故障查詢。

?充電槍監(jiān)控

    充電樁監(jiān)控頁面充電槍的基本信息、今日充電電量、今日充電次數(shù)、今日充電時(shí)長(zhǎng)和累計(jì)充電電量、累計(jì)充電次數(shù)、累計(jì)充電時(shí)長(zhǎng)等、充電電壓電流等參數(shù)。

2.4微信小程序

?搜索與使用

    微信小程序可以通過掃描二維碼和微信文字搜索找到，點(diǎn)擊后可以加入到小程序列表，如下圖所示

?授權(quán)登錄界面

    用戶通過搜索或者掃碼等途徑初次打開小程序時(shí)，會(huì)進(jìn)入這個(gè)頁面，需要用戶授權(quán)登錄才可以進(jìn)入小程序主功能頁面，如圖所示：

?主功能頁

    初次進(jìn)入主功能頁時(shí)需要授權(quán)定位才可以使用地圖相關(guān)功能，在地圖上查看到當(dāng)前所在區(qū)域的充電站，查看充電站信息，可以進(jìn)行掃碼充電操作，地圖導(dǎo)航等。

?充電

    掃描充電槍上的二維碼，如果當(dāng)前充電樁可用即可進(jìn)入充電選擇頁面，可以查看到當(dāng)前的充電站名稱、充電槍名稱，以及當(dāng)前的賬戶余額，電價(jià)和預(yù)計(jì)可充電量等數(shù)據(jù)，還可以查看當(dāng)前賬戶的歷史充電記錄。充電方式分為按時(shí)間充電、按金額充電、按電量充電這三種方式。充電結(jié)束可以進(jìn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

?個(gè)人信息

    個(gè)人信息可以顯示當(dāng)前登錄賬號(hào)的昵稱和余額，同時(shí)包括、充值、充值記錄查詢、賬單查詢、充電記錄查詢、設(shè)置支付密碼等功能

3、硬件配置

3.1平臺(tái)服務(wù)器：建議按照我方配置購買，或者客戶自己租用阿里云資源。

硬件配置清單：（如申請(qǐng)阿里云可忽略）

 

若客戶自己租用阿里云服務(wù)器，服務(wù)器配置根據(jù)充電槍點(diǎn)數(shù)的不同，分別如下：

3.2現(xiàn)場(chǎng)硬件配置清單：

四、結(jié)束語

防觸電保護(hù)只是安穩(wěn)防護(hù)的一個(gè)方面，充電樁的安穩(wěn)防護(hù)還包括過載防護(hù)、短路防護(hù)、浪涌保護(hù)、機(jī)械防護(hù)等。充電樁安穩(wěn)標(biāo)準(zhǔn)上的所有要求都圍繞著上述防護(hù)的要求而展開。需要強(qiáng)調(diào)的是，大部分充電樁都是固定安裝形式且多是I類電器，所以僅靠產(chǎn)品上采取的措施往往并不能滿足安穩(wěn)的要求，還需要在電氣裝置的設(shè)計(jì)和安裝上補(bǔ)充一些必要的安穩(wěn)措施。產(chǎn)品設(shè)計(jì)和電氣安裝設(shè)計(jì)通常是協(xié)調(diào)配合，相輔相成。

 

 

參考文獻(xiàn)：

[1]GB/T18487.1—2001，電動(dòng)車輛傳導(dǎo)充電系統(tǒng)一般要求［S］.

[2]陳偉康，鄭豪.電動(dòng)汽車充電樁的防觸電保護(hù)

[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊(cè).2020.06版

作者簡(jiǎn)介：

朱鹍，女，就職于安科瑞電氣股份有限公司，主要研究方向?yàn)槠髽I(yè)能源管控
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