电动汽车充换电设施与低压电器

刘金琰, 李人杰, 栗 惠
(上海电器科学研究院, 上海 200063)

摘 要： 分析了电动汽车充换电设施涉及的电工领域,概括了电动汽车充电设施对低压电器的要求,总结了低压电器在4种充电模式下的应用及适用于4种充电模式的剩余电流保护电器(RCD)的发展动态。

关键词： 电动汽车充换电设施; 充电模式; 低压电器; 剩余电流保护电器(RCD)

0 引 言

随着电动汽车的大力发展,2014年我国新能源乘用车已经超过12万辆,经测算到2020年全国电动汽车保有量将超过500万辆,电动汽车与充电设施的比例将接近标配的1∶1。作为支持电动汽车的充换电系统,安全性与使用的可靠性成为充换电基础设施行业最大的挑战。

1 电动汽车充换电设施

1.1 充换电设施

GB/T 29317—2012《电动汽车充换电设施术语》[1]中充换电设施是指为电动汽车提供电能的相关设施的总称,一般包括充电站、电池更换站、电池配送中心、集中或分散布置的交流充电桩等。电动汽车实现充电全过程的示意图如图1所示,包括电网、低压配电设备、充电桩、车载设备、计费设备、电池和车辆等。因此,电动汽车不仅与汽车行业有关,还需要与电力、电工、电池、通信等行业通力合作。

1.2 涉及的电工领域及相关标准

电动汽车充换电设施涉及的电工领域包括:全国车辆标准化技术委员会电动汽车分委会(SAC/TC 114/SC 27对应IEC/TC 69)领域的电动汽车;能源行业电动汽车充电设施标准化技术委员会(NEA/TC 3)领域的充换电设施;全国低压电器标准化技术委员会(SAC/TC 189、SAC/TC 189/SC 1对应IEC/SC 121A、IEC/SC 23E)领域的断路器、接触器和剩余电流保护电器(RCD);全国电线和电缆标准化技术委员会(SAC/TC 213对应IEC/TC 20)领域的充电电缆;全国电器附件标准化技术委员会(SAC/TC 67对应IEC/SC 23H)领域的充电插头、插座和接口;全国建筑物电气装置标准化技术委员会(SAC/TC 205对应IEC/TC 64)领域的特殊装置和场所的要求等。

完善的充电基础设施标准体系是电动汽车普及的重要保障。电动汽车充电基础设施标准体系包括基础标准、插头插座标准、接口标准、系统标准、保护电器标准等。相关基础标准包括GB/T 19596—2004《电动汽车术语》[2]、GB/T 29317—2012。插头插座标准包括GB/T 2099.1—2008《家用和类似用途插头插座 第1部分:通用要求》[3]、GB/T 1002—2008《家用和类似用途单相插头插座 型式、基本参数和尺寸》[4]。接口标准包括GB/T 20234.1—2015《电动汽车传导充电用连接装置 第1部分:通用要求》[5]、GB/T 20234.2—2015《电动汽车传导充电用连接装置 第2部分:交流充电接口》[6]、GB/T 20234.3—2015《电动汽车传导充电用连接装置 第3部分:直流充电接口》[7]、GB/T 27930—2015《电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议》[8]。系统标准包括GB/T 18487.1—2015《电动汽车传导充电系统 第1部分:通用要求》[9]。低压电器标准包括GB/T 14048.3—2008《低压开关设备和控制设备 第3部分:开关、隔离器、隔离开关以及熔断器组合电器》[10]、GB/T 14048.4—2010《低压开关设备和控制设备 第4-1部分:接触器和电动机起动器 机电式接触器和电动机起动器(含电动机保护器)》[11]、GB/T 14048.2—2008《低压开关设备和控制设备 第2部分:断路器》[12]、GB/T 10963.1—2005《电气附件 家用及类似场所用过电流保护断路器 第1部分:用于交流的断路器》[13]、GB/T 16916.1—2014《家用和类似用途的不带过电流保护的剩余电流动作断路器(RCCB) 第1部分:一般规则》[14]、GB/T 16917.1—2014《家用和类似用途的带过电流保护的剩余电流动作断路器(RCBO) 第1部分:一般规则》[15]、GB/T 22794—2008《家用和类似用途的不带和带过电流保护的B型剩余电流动作断路器(B型RCCB和B型RCBO)》[16]、NB/T 42077—2016《电动汽车模式2充电的缆上控制与保护装置(IC-CPD)》[17]。特殊装置和场所的要求包括GB/T 16895.X《低压电气装置 第7-722部分:特殊装置或场所的要求 电动汽车的供电》[18],等同采用IEC 60364-7-722[19]。其中系统标准GB/T 18487.1—2015规定4种充电模式,并对电动汽车充电设施采用的低压电器产品提出基本要求。

图1 电动汽车实现充电的示意图

1.3 GB/T 18487.1—2015标准解析

1.3.1 电动汽车充电模式使用条件

模式1:充电系统使用标准的插座和插头,能量传输过程中采用单相交流供电,且不允许超过8 A和250 V。在电源侧应使用符合GB/T 2099.1—2008和GB/T 1002—2008要求的插头插座,相线、中性线和保护接地导体以及剩余电流保护装置。从标准插座到电动汽车应提供保护接地导体,不应采用模式1对电动汽车充电。

模式2:充电系统使用标准插座,能量传输过程中采用单相交流供电。在电源侧使用符合GB/T 2099.1—2008和GB/T 1002—2008要求的16 A插头插座时输出不能超过13 A,符合GB/T 2099.1—2008和GB/T 1002—2008要求的10 A插头插座时输出不能超过8 A,使用相线、中性线和保护接地导体,并且采用缆上控制与保护装置(IC-CPD)连接电源与电动汽车。从标准插座到电动汽车应提供保护接地导体,且应具备剩余电流保护和过流保护功能。

模式3:充电系统应用于连接到交流电网的供电设备,将电动汽车与交流电网连接起来,并且在电动汽车供电设备上安装专用保护装置。电动汽车供电设备具有一个及以上可同时使用的模式连接点(供电插座)时,每个连接点应具有专用保护装置,并确保控制导引功能可独立运行。该模式应具备剩余电流保护功能,采用连接方式A、B、C。采用单相供电时,电流≤32 A。采用三相供电且电流>32 A时,应采用连接方式C。

模式4:充电系统用于电动汽车连接到直流供电设备的情况,应用于永久连接在电网(电源)的设备和通过电缆与电网(电源)连接为其供电的设备。模式4可直接连接至交流电网或直流电网,仅连接方式C适用于模式4。

1.3.2 充电连接方式

充电连接方式分为连接方式A、连接方式B和连接方式C,如表1所示。

表1 电动汽车充电连接方式

连接方式定义符号连接方式A 电动汽车和交流电网连接时，使用与电动汽车永久连接在一起的充电电缆和供电插头连接方式B 电动汽车和交流电网连接时，使用带有车辆插头和供电插头的独立活动电缆组件连接方式C 电动汽车和交流电网连接时，使用与供电设备永久连接在一起的充电电缆和车辆插头

1.3.3 充电系统对开关设备和RCD的基本要求

开关和隔离开关应符合GB/T 14048.3—2008的相关要求,额定电流应不小于工作电路额定电流的1.25倍,使用类别应不低于AC 22 A或DC 21 A。接触器应符合GB/T 14048.4—2010的相关要求,额定电流应不小于工作电路额定电流的1.25倍,使用类别应不低于AC 1 A或DC 1 A。断路器应符合GB/T 10963.1—2005或GB/T 14048.2—2008的相关要求,具备过载和短路保护功能。

电动汽车交流供电设备宜采用A型或B型的RCD,符合GB/T 14048.2—2008、GB/T 16916.1—2014和GB/T 22794—2008的相关要求。当交流供电设备具有符合GB/T 20234标准要求的供电插座或车辆插头时,应具备防故障电流的保护措施(B型RCD,或A型RCD或满足符合A型剩余电流保护功能的相关装置)。

2 低压电器特性

2.1 开关和隔离开关

符合GB/T 14048.3—2008的开关主要功能是接通和分断电流。隔离开关主要功能是接通、分断和隔离。使用类别AC 22 A指交流电路中通断电阻和电感混合负载,包括适当的过载;使用类别DC 21 A指直流电路中通断电阻性负载,包括适当的过载。开关和隔离开关的型式包括极数、电流种类等信息;主电路的额定值包括额定电压、额定工作电流、额定频率、额定工作制、正常负载和过载特性、短路特性等。

2.2 接触器

符合GB/T 14048.4—2010的交流和直流接触器仅有一个休止位置,能接通、承载和分断正常电路条件(包括过载运行条件)下的一种非手动操作的机械开关电器。接触器一般不用于分断短路电流。使用类别AC 1 A指交流电路中通断一般用途无感或微感负载、电阻炉负载;使用类别DC 1 A指直流电路中通断无感或微感负载、电阻炉负载。因接触器频繁操作,操作次数是考核的重要指标。

2.3 断路器

符合GB/T 10963.1—2005的断路器适用于交流50 Hz或60 Hz、额定电压不超过440 V(相间)、额定电流不超过125 A的电路;瞬时保护特性分别为B(3In～5In)、C(5In～10In)、C(10In～20In);额定短路能力不超过25 000 A。符合GB/T 14048.2—2008的断路器主触头接入额定电压不超过交流1 000 V或直流1 500 V电路,具备过载和短路保护功能。

2.4 RCD

RCD是适用于当剩余电流等于或超过额定剩余动作电流时能自动断开的产品族的通用术语,包括不带过电流保护的剩余电流动作断路器(RCCB),符合GB/T 16916.1—2014和GB/T 22794标准;带过电流保护的剩余电流动作断路器(RCBO)符合GB/T 16917.1—2014和GB/T 22794标准;带或不带过电流保护的插座式剩余电流电器(SRCD)符合GB/T 28527—2012《家用和类似用途的带或不带过电流保护的插座式剩余电流电器(SRCD)》[20]标准;不带过电流保护的移动式剩余电流装置(PRCD)符合GB/T 20044—2012《电气附件 家用和类似用途的不带过电流保护的移动式剩余电流装置(PRCD)》[21]标准;用于I类和电池供电车辆的可开闭保护接地移动式剩余电流装置(SPE-PRCD)符合GB/T 29303—2012《用于I类和电池供电车辆的可开闭保护接地移动式剩余电流装置(SPE-PRCD)》[22]标准;具有剩余电流保护的断路器(CBR)符合GB/T 14048.2—2008标准;剩余电流装置模块(MRCD)符合GB/T 14048.2—2008标准。

RCD根据直流分量时的工作状况分为AC型RCD、A型RCD、F型RCD和B型RCD。不同类型的RCD保护的故障电流波形如表2所示。AC型、A型、F型和B型RCD对相位控制、脉冲控制、单相半波、双脉冲桥式、双脉冲桥式/半波相位控制、单相半波带滤波、采用双脉冲桥式的变频器、采用双脉冲桥式带PFC的变频器、相间双脉冲桥式的变频器、三相星形、采用六脉冲桥式的变频器的电路中出现的接地故障进行保护。

表2 不同类型的RCD保护的故障电流波形

RCD类型剩余电流波形描述标志符号AC型 正弦交流剩余电流A型 包含AC型波形、脉动直流剩余电流、脉动直流剩余电流叠加6mA平滑直流剩余电流F型 包含A型所有波形(其中脉动直流剩余电流叠加6mA平滑直流剩余电流改为叠加10mA)、复合剩余电流B型 包含F型所有波形(其中脉动直流剩余电流叠加10mA平滑直流剩余电流改为叠加0．4IΔn或10mA，两者取大值)、1000Hz及以下正弦交流剩余电流、交流剩余电流叠加平滑直流剩余电流、由整流电路产生的脉动直流剩余电流、平滑直流剩余电流

3 低压电器在电动汽车充换电设施的应用

3.1 充电模式1的应用

充电模式1的应用示意图如图2所示,将交流系统中的普通电源插座直接与电动汽车交流充电接口连接,向电动汽车充电,要求额定电流≤8 A,额定电压AC 230 V,电源侧提供相线、中性线和接地保护导体。由于电气安全依靠供电电网中断路器和RCD进行安全保护,充电线路前端的安全性不确定,所以GB/T 18487.1—2015标准中禁止采用这种充电模式。

图2 充电模式1的应用示意图

3.2 充电模式2的应用

充电模式2的应用示意图如图3所示。交流系统中的普通电源插座经符合NB/T 42077—2016标准的缆上控制与保护装置(IC-CPD)与电动汽车交流充电接口连接,向电动汽车充电。IC-CPD产品如图4所示。电源接口是符合GB/T 2099标准的普通家用电源插座;充电接口是符合GB/T 20234.2—2015的专用充电接口,额定电流<16 a,额定电压ac="" 230="">

图3 充电模式2的应用示意图

图4 IC-CPD产品外形

3.3 充电模式3的应用

充电模式3的应用示意图如图5所示。交流配电系统通过具有控制与保护功能的专用充电设备与电动汽车交流充电接口连接,向电动汽车充电。专用供电设备上安装了控制导引装置,两边接口均为符合GB/T 20234.2—2015的专用充电接口,额定电流<63 a,额定电压ac="" 230="" v或400="" v;电源侧提供相线、中性线和接地保护导体。交流充电桩/站内装配有符合gb/t="" 10963.1—2015的交流主断路器和符合gb/t="" 16916.1—2014的剩余电流断路器rccb组合,或者是符合gb/t="" 16917.1—2014的交流主剩余电流断路器rcbo,以及符合gb/t="">

图5 充电模式3的应用示意图

3.4 充电模式4的应用

充电模式4为直流快冲模式。充电模式4的应用原理如图6所示,将整流模块从车内整合到直流桩内。交流配电系统通过直流充电桩与电动汽车直流充电接口连接,向电动汽车充电。连接直流充电桩的接口和连接电动汽车的接口均为符合GB/T 20234.3—2015的专用直流充电接口;直流充电桩/站内装配有符合GB/T 14048.2—2008或GB/T 10963.1—2005的交流主断路器和符合GB/T 16916.1—2014的剩余电流断路器RCCB组合,或者是符合GB/T 16917.1—2014的交流主剩余电流断路器RCBO,符合GB/T 14048.4—2010标准的交流主接触器,以及直流断路器和直流接触器来保证直流充电桩/站及桩车之间的电气安全和导引检测。

图6 充电模式4的应用原理

4 低压保护电器发展动态

现行的开关和隔离开关、接触器、断路器基本满足电动汽车充电设施的基本要求,而保护电器需要开发新的产品来满足电动汽车充电设施的特殊要求。为了实现将电动汽车安全、可靠地连接至电源系统上,对于所有的充电模式,GB/T 18487.1—2015和IEC 60364-7-722[13]规定在基本保护和/故障保护失效时,至少由A型RCD提供电击防护(只有B型RCD才能提供完美保护)。

根据GB/T 18487.1—2015电动汽车模式3充电的要求,剩余直流电流检测电器(RDCDD)预期在检测到6 mA及以上的平滑剩余直流电流时断开监视电路。A型RCD需要串联RDCDD,才可以避免由于负载剩余平滑直流电流>6 mA时引起的A型RCD动作特性漂移而不正确动作。B型RCD本身可以检测剩余平滑直流电流,但成本过于昂贵。目前,国际上已根据电动汽车行业的市场需求,立项制定RDCDD标准。根据GB/T 18487.1—2015电动汽车模式4充电的要求,直流剩余电流保护电器(DC-RCD)可以对直流充电系统下端提供故障保护和直接接触保护。国际上已根据电动汽车行业的市场需求,开始立项制定DC-RCD标准。

综上所述,4种充电模式及所要求的RCD如表3所示。

5 结 语

随着新兴领域的蓬勃发展,低压电器的应用和发展越来越广泛,不仅在传统的家用场所、商用场所、农网和工业领域得到普及,也开始在电动汽车充电系统中得到广泛应用,未来还将广泛应用于光伏电气装置、数据中心、电信中心等,对电击事故、电气设备损坏和电气火灾提供有效防护。

表3 充电模式及所要求的RCD

充电模式供电设备要求RCD类型充电连接电缆要求的保护电器类型充电模式1 建筑物插座前端安装A型RCDSPE⁃PRCD充电模式2 建筑物插座前端安装A型RCDIC⁃CPD充电模式3 交流充电桩或充电站安装A型RCD+RDCDD(研究中)或B型RCD—充电模式4 直流充电桩或充电站安装DC⁃RCD(研究中)—

[1] 电动汽车充换电设施术语:GB/T 29317—2012[S].

[2] 电动汽车术语:GB/T 19596—2004[S].

[3] 家用和类似用途插头插座 第1部分 通用要求:GB/T 2099.1—2008[S].

[4] 家用和类似用途单相插头插座 型式、基本参数和尺寸:GB/T 1002—2008[S].

[5] 电动汽车传导充电用连接装置 第1部分:通用要求:GB/T 20234.1—2015[S].

[6] 电动汽车传导充电用连接装置 第2部分:交流充电接口:GB/T 20234.2—2015[S].

[7] 电动汽车传导充电用连接装置 第3部分:直流充电接口:GB/T 20234.3—2015[S].

[8] 电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议:GB/T 27930—2015[S].

[9] 电动汽车传导充电系统 第1部分:通用要求:GB/T 18487.1—2015[S].

[10] 低压开关设备和控制设备 第3部分:开关、隔离器、隔离开关以及熔断器组合电器:GB/T 14048.3—2008[S].

[11] 低压开关设备和控制设备 第4-1部分:接触器和电动机起动器 机电式接触器和电动机起动器(含电动机保护器):GB/T 14048.4—2010[S].

[12] 低压开关设备和控制设备 第2部分:断路器:GB/T 14048.2—2008[S].

[13] 电气附件-家用及类似场所用过电流保护断路器 第1部分:用于交流的断路器:GB/T 10963.1—2005[S].

[14] 家用和类似用途的不带过电流保护的剩余电流动作断路器(RCCB) 第1部分:一般规则:GB/T 16916.1—2014[S].

[15] 家用和类似用途的带过电流保护的剩余电流动作断路器(RCBO) 第1部分:一般规则:GB/T 16917.1—2014[S].

[16] 家用和类似用途的不带和带过电流保护的B型剩余电流动作断路器(B型RCCB和B型RCBO):GB/T 22794—2008[S].

[17] 电动汽车模式2 充电的缆上控制与保护装置(IC-CPD):NB/T 42077—2016[S].

[18] 低压电气装置 第7-722部分:特殊装置或场所的要求 电动汽车的供电:GB/T 16895.X.

[19] Low-voltage electrical installations Part 7-722:Requirements for special installations or locations Supplies for electric vehicles:IEC 60364-7-722[S].

[20] 家用和类似用途的带或不带过电流保护的插座式剩余电流电器(SRCD):GB/T 28527—2012[S].

[21] 电气附件 家用和类似用途的不带过电流保护的移动式剩余电流装置(PRCD):GB/T 20044—2012[S].

[22] 用于I类和电池供电车辆的可开闭保护接地移动式剩余电流装置(SPE-PRCD):GB/T 29303—2012[S].

Charging/Battery Swap Infrastructure for Electric Vehicle and LVEA

LIU Jinyan, LI Renjie, LI Hui

(Shanghai Electrical Apparatus Research Institute, Shanghai 200063, China)

Abstract： This paper analysed the electrotechnics field involved in Charging/battery swap infrastructure for electric vehicle,then gave the requirements for low voltage electrical apparatus(LVEA).Finally,the application of LVEA to 4 kinds of charging modes and the development of RCD summarized.

Key words: charging/battery swap infrastructure for electric vehicle; charging modes; low voltage electrical apparatus(LVEA); residual current device(RCD)

刘金琰(1966—),女,教授级电气工程师,从事终端电器标准化工作。