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直流充电桩如果采用传统的AC型或A型剩余电流保护器，会因直流偏磁而导致保护器拒动，从而影响直流充电桩应用的安全性。基于这一问题浙江天正电气股份有限公司的高平、徐丽玲在2023年第12期《电气技术》上撰文，提出一种分频检测的磁通门电流互感器技术，实现对600Hz低频信号，以及600Hz～20kHz信号的检测，并通过计算将剩余电流有效值与保护基准值相比较，然后输出保护动作控制逻辑。试制的互感器样机及其应用测试满足GB/T 22794—2017标准的相关规定，满足电动汽车充电桩剩余电流保护的应用要求，表明本文所提直流充电桩剩余电流宽频灵敏度检测和保护方案切实可行。
随着电动汽车逐步获得车主认可，并开始成为人们出行的主要代步工具，对电动汽车充电桩的需求越来越大。目前，汽车充电桩有交流充电桩和直流充电桩两种，根据IEC 61851—2015及GB/T 18487.1—2015《电动汽车传导充电系统 第1部分：通用要求》，电动汽车的4种充电模式如图1所示，图中COM即communication，表示充电桩与电动车之间的通信功能。模式A，使用充电连接电缆将电动汽车与交流电网相连，剩余电流保护主要依靠建筑配电箱中的剩余电流保护装置（residual current device, RCD）。由于不能保证所有现存建筑物装置都配有RCD，所以这种充电方式十分危险，已被禁止使用。模式B，在充电连接电缆上安装缆上控制保护装置（in-cable control and protection device, IC- CPD），IC-CPD内部具有剩余电流检测保护功能。模式C，使用专用供电设备，将电动汽车与交流电网直接连接，并在专用供电设备即交流充电桩上安装控制导引装置。模式D，将电动汽车连接交流电网或直流电网时，使用带控制导引功能的直流供电设备，即直流充电桩。上述4种模式中，交流充电桩和直流充电桩在技术上有明显区别：首先，交流充电桩和直流充电桩的充电电压不同，交流充电桩的充电电压一般为220V，直流充电桩的充电电压可达到1 000V以上；其次，交流充电桩和直流充电桩的充电效率有所不同，交流充电桩的充电效率一般在90%，直流充电桩的充电效率可达到95%以上；此外，交流充电桩和直流充电桩的充电时间也有所不同，交流充电桩的充电时间一般在4～6h，直流充电桩的充电时间在30min内。由此可见，直流充电桩更具优势，是未来电动汽车充电的发展趋势。但是，直流充电桩如果使用传统的AC型或A型剩余电流保护器，就无法全面灵敏地监测充电桩系统产生的直流脉动、高频脉动（10kHz以上），以及平滑直流剩余电流波形，由此导致近年来因漏电引起的充电桩起火事件屡有发生，已严重威胁到人们的生命财产安全。本文研究磁通门电流传感器技术，磁通门电流传感器主要是借助磁心材料的特殊磁化特征，内部磁心主要由高磁导率、低矫顽力的材料制成，磁心上缠绕两个绕组分别作为激励绕组、检测绕组。通入激励信号，磁心的导磁率表现出规律性的变化，从而使内部线圈捕捉到外部磁场的信号，配合检测电路对感应电流进行检测。在实际应用中，电流源型磁通门剩余电流互感器通过检测二次谐波分量来确定是否有剩余电流，基于二次谐波测量法的电流互感器早已应用于对直流及正弦交流的剩余电流检测中。采用单磁心结构设计的电流源型磁通门剩余电流互感器输出的二次谐波幅值较小，这使单独检测二次谐波分量的难度加大。针对这一问题，通常采用双磁心结构设计来加强偶次谐波信号。但是，双磁心结构使装置体积增大，且对两个磁心的硬件要求很高，否则极易造成零点漂移，从而影响互感器检测精度。同时，电流源型磁通门剩余电流互感器本身电路结构复杂，检测步骤繁琐，致使精确检测剩余电流的难度加大。当被测电流为其他复杂波形时，谐波检测变得更加困难。因此，电流源型磁通门剩余电流互感器不适合用于本文设计，本文选择电压源型磁通门剩余电流互感器，并通过分频处理方案实现宽频剩余电流的高灵敏度检测与保护。电动汽车直流充电桩的功能模块构成为：AC- DC整流模块，包括整流直流侧和整流交流侧；DC- AC逆变模块，包括逆变直流侧和逆变交流侧。其中，当AC-DC整流模块向电动车充电时，逆变模块控制单元根据获取的交流配电网侧的电流信号和电压信号、预先设定的谐波畸变率及功率因数，控制充电桩对电动汽车进行充电；DC-AC逆变模块可扩张新能源直流模块的接入，并能通过中央控制器的统一调度实现余电逆变上网。电动汽车直流充电桩架构如图2所示。基于图2所示电动汽车直流充电桩的架构来看，充电桩内部主回路拓扑电路采用电力电子功率开关电源，由于通过高频脉宽调制（pulse width modulation, PWM）驱动电力电子功率器件的通断，会产生高频电平变化dV/dt，根据物理学基本定理可知，变化电场在电路中通过对地电容会产生相当高的高频剩余电流。AC-DC-AC电力电子拓扑示意图如图3所示。在正常运行情况下，高频剩余电流流经杂散电缆电容器和设备电磁兼容（electromagnetic com- patibility, EMC）滤波电容器。电容器的阻抗会随频率的增加而降低，从图3可见电力电子拓扑的对地剩余电流随电容阻抗的降低而增加，电力电子转换器的静态剩余电流公式为式中:k=2πCxU；Cx为杂散电容；U为系统电压；f为系统频率这种电容性接地剩余电流可能会导致RCD不必要的跳闸。上述分析针对静态剩余电流，在设备实际运行中，线路破损会通过电阻接地或人体碰触而导致瞬态剩余电流。接地故障示意图如图4所示，瞬态剩余电流波形示意图如图5所示。由图5可知，该瞬态剩余电流波形叠加了直流分量，剩余直流电流会引起铁心预先磁化，剩余电流保护器动作脱扣值因直流偏移而增大；另外，直流充电桩斩波频率达到10kHz以上，会产生10kHz高频剩余电流，如果采用传统的AC型或A型剩余电流保护装置会出现拒动，从而带来巨大的安全隐患。带平滑直流偏置的互感器磁化曲线如图6所示。图6中，曲线a为不含直流分量时的磁场强度曲线，曲线b为与曲线a对应的磁感应强度曲线，曲线c、曲线e为含有平滑直流偏置时的磁场强度（Ho1、Ho2）曲线，曲线d、曲线f分别为与曲线c、曲线e对应的磁感应强度（Bo1、Bo2）曲线。由图6可知，当直流偏置值越大（对应图6中Ho2＞Ho1）时，磁感应强度曲线越接近饱和区，相应Bo2的幅值小于Bo1，即互感器的剩余电流检测灵敏度大幅下降。另外，电动汽车剩余电流保护标准规定，直流充电桩的剩余电流保护器要能敏感检测6mA平滑直流剩余电流，但检测6mA平滑直流剩余电流的技术难度很大，因为6mA平滑直流剩余电流产生的磁感应强度小于10mT，远远低于地球磁感应强度50mT，传统霍尔电流检测技术和磁阻传感技术无法满足检测要求，故只能采用磁通门检测技术。磁通门电流检测技术起源于磁通门现象，利用磁心饱和实现被测磁场的磁调制，并转化为感应电动势输出。磁通门剩余电流检测基本电路如图7所示，剩余电流Ip=0时的磁调制波形如图8所示，剩余电流Ip＞0时的磁调制波形如图9所示。由图8可见，当被测剩余电流Ip=0时，PWM电压Vs通过互感器线圈感应的二次电流is正负半波对称，流过检测电阻Rs而输出的电动势在一个PWM周期内的有效值为0。由图9可见，被测剩余电流Ip＞0时，PWM电压Vs通过互感器线圈感应的二次电流is正负半波不对称，产生正向偏置，流过检测电阻Rs而输出的电动势在一个PWM周期内的有效值不为0，且该电动势的值正比于一次侧的剩余电流值，可见通过磁通门互感器可实现对剩余电流的检测。宽频检测电路如图10所示，采用运放调理电路提升抗干扰能力，整个磁调制电路利用电压跟随电路增加信号的稳定性，将磁调制技术与电压跟随电路结合，保证采样信号不失真，增加信号检测的可靠性。调理波形的正半波驱动MOS管导通，负半波使MOS管截止，这样在MOS管的输出侧F1可产生相应频率的方波。由于MOS管是一种电压型器件，具有MHz级高频特性，可满足本文20kHz的宽频检测性能要求。宽频检测分为600Hz以下、600Hz～1kHz、1～20kHz的检测范围，整体硬件电路框架如图11所示。结合硬件电路，对600Hz以下剩余电流信号及600Hz～20kHz的剩余电流信号分别进行采集。600Hz以下剩余电流信号通过磁调制电路采集，包含直流脉动信号及平滑直流脉动信号；通过扫频电路将600Hz～20kHz剩余电流信号分为8个频段信号；所采集的剩余电流信号通过低通滤波器（low pass filter, LPF）和电压抬升电路接入控制器。针对每个频率段的剩余电流信号，利用控制器计算其有效值，并采用不同阈值进行判断，若达到动作阈值，则控制器发出脱扣信号。定时器中断软件设计流程如图12所示。为解决灵敏度问题，国内外同类产品一般选用高磁导率的特殊磁导材料如钴材料合金磁材料，或者使用更复杂的双磁环甚至三磁环。本文所提方案通过分频段调制采集，分段校准，从而提升互感器宽频灵敏度，可通过选用磁饱和周期与钴材料相近、且磁导率近似的非晶软磁材料做磁心的单磁心方案来实现。另外，钴材料价格是非晶软磁材料的上百倍。电动汽车用剩余电流保护检测模块实物如图13所示。剩余电流检测模块的各引脚定义见表1。采用某公司生产的eMorse系列剩余电流检测台进行剩余电流保护器动作测试，测试数据见表2。从测试数据来看，研究的剩余电流保护器满足GB/T 22794—2017的相关规定，满足电动汽车直流充电桩剩余电流保护的应用要求。直流充电桩是未来电动汽车充电的一种重要形式，但直流充电电源的斩波会导致系统中存在直流偏置的情况。通过分析带平滑直流偏置时的磁感应强度可知，如果采用传统的AC型或A型剩余电流保护器，直流偏置剩余电流含量会使互感器检测灵敏度降低，从而导致保护器拒动，影响直流充电桩的使用安全性。针对上述问题，本文提出了分频检测磁通门电流互感器技术，可实现对600Hz以下低频信号及600Hz～20kHz信号的高灵敏度检测，并可通过逻辑判断输出控制保护信号切断电源。试制的互感器样机的应用测试满足GB/T 22794—2017标准的相关规定，满足电动汽车充电桩剩余电流保护的应用保护要求，具备商业化应用价值。本工作成果发表在2023年第12期《电气技术》，论文标题为”基于直流充电桩应用的宽频剩余电流灵敏检测与保护“，作者为高平、徐丽玲
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