Slik kan jordfeilovervåkere brukes til å garantere elektrisk sikkerhet ved lading av elbiler

Hyppig lading av det høyspente batteriet i elbiler (EV – electric vehicle) betyr at det er høye krav til mekanisk belastning for ladekabler og kontakter. Hvis isolasjonen går i stykker og strømførende metalldeler eksponeres, eller det dukker opp shunter i den integrerte elektronikken, kan det oppstå livstruende jordfeil (reststrøm) i brukeren av elbilen. Diverse DC-jordfeiltyper (DC – likestrøm) som ikke kan detekteres av AC-følsomme (AC – vekselstrøm) Type-A-jordfeilbrytere (RCD – residual current device), er spesielt problematiske.

For å forhindre ulykker med elektriske støt, må produsenter av strømforsyningsutstyr til elbiler (EVSE – electric vehicle supply equipment) innlemme jordfeilbrytere (RCD-er) i elektronikkproduktene sine, som utløses for både AC- og DC-jordfeil på noen få milliampere (mA).

Denne artikkelen forklarer jordfeiltypene, hvordan de måles og hvor jordfeilbryteren skal installeres i ladekretsen. Den introduserer deretter jordfeilovervåkere (RCM – residual current monitor) fra Littelfuse, som systemkonstruktører kan bruke til å legge til beskyttelse mot elektriske DC-støt i EVSE-enhetene sine på en kostnads- og tidseffektiv måte. Artikkelen viser også hvilke elbil-lademoduser disse strømsensorene er egnet for og hvordan de brukes.

Jordfeil i elbil-ladekretsen

Lading av elbiler ved spenninger på opptil 400 volt AC og 1000 volt DC krever omfattende beskyttelsestiltak for elbilbrukeren når ladeutstyr håndteres. På grunn av de kraftige oversvingningene og asymmetriske vekslingspulsene til ladestasjoner og integrerte ladere, samt DC-forbindelsesspenning på flere hundre volt, kan forskjellige typer AC- og DC-jordfeil oppstå via shunter, koblingsvirkninger, isolasjonsfeil og lekkasjefeil.

Elektroniske kretser som likerettere, vekslingsomformere og frekvensomformere, samt styringssystemer for invertere og fasevinkel, har et bredt spekter av laststrømegenskaper. De resulterende potensielle jordfeilene kategoriseres som sinusformet AC, pulsert DC og rett DC. Disse jordfeilene er farlige for mennesker. Tabell 1 viser typiske laststrømsignaler for forskjellige kretstopologier og de resulterende jordfeilbølgeformene. Kolonne 1 til 3 tildeler jordfeilbrytertyper som er egnet for deteksjon.

Tabell 1: Feilstrømtyper og deteksjon av disse i henhold til jordfeilbrytertypen som er best egnet (kolonne 1 til 3). (Bildekilde: Wikipedia)

God kunnskap om jordfeilbølgeformer kan hjelpe elbilverksteder og -elektrikere med å spore jordfeil i elbilelektronikk, EVSE (strømforsyningsutstyr til elbiler) eller ladestasjoner.

Utløsningsegenskaper for jordfeilbrytertyper

Generelt sett er personlig beskyttelse mot elektriske støt på elektriske installasjoner regulert av IEC 60479 og UL 943. Begge standardene definerer signifikante AC- og DC-jordfeil i området 6, 30, 100, 300, 500 og 1000 mA, ved utløsningstider fra 20 til 500 ms. Vanlige utløsningsterskler i elbil-ladekretsen er 6 mA DC og 30 mA AC.

Systemkonstruktører kan nå enkelt implementere spesifikke krav til personlig beskyttelse i ladekretsen ved å velge en jordfeilbrytertype med den egnede standarden. Tabell 2 viser jordfeiltyper og utløsningstoleranse for de forskjellige typene jordfeilbrytere (RCD og GFCI).

Tabell 2: Utløsningsegenskaper for de forskjellige typene jordfeilbrytere (RCD og GFCI). (Tabellkilde: abb.com)

Installere jordfeilbrytere /RCD-er) i elbil-ladekretsen

Type-A- eller Type-F-jordfeilbrytere detekterer bare AC-jordfeil og pulserende DC-strøm, noe som er utilstrekkelig for å beskytte en elbil-ladekrets. Et bredt spekter av rette DC-reststrømmer (jordfeil) som kan forekomme i den integrerte laderen eller batteristyringssystemet, må også tas i betraktning.

IEC 62196-standarden definerer derfor to alternativer for jordfeilbeskyttelse: Bruken av en jordfeilbryter av Type B (eller Type B+) som er følsom for alle typer strøm, eller en jordfeilbryter av Type A i sammenheng med et jordfeilovervåkingssystem i henhold til IEC 62955 med I_Δn DC ≥ 6 mA. DC-feilstrømovervåking kan plasseres i veggboksen, i bygningens elektriske installasjon eller på begge steder.

Siden en AC-følsom jordfeilbryter av Type-A eller Type-F vanligvis er å finne i elektriske systemer i bygninger, kan konstruktører på en kostnadseffektiv måte legge til overvåking av DC-jordfeil på 6 mA i veggmonterte bokser eller ladestasjoner (modus 3), samt for integrerte kabelstyringsbokser (ICCB – in-cable control box) for ladekabler (modus 2) (figur 1, tilfellene 2 og 3).

Figur 1: EVSE-enheter må legge til en DC-jordfeilovervåker nedstrøms for den AC-følsomme Type-A-jordfeilbryteren (tilfelle 2) eller ha en av disse koblet til AC-strømnettet direkte via en Type-B-jordfeilbryter (tilfelle 4). (Bildekilde: goingelectric.de)

Lademoduser for elbiler

Elbil-batteriet kan lades via forskjellige lademoduser, avhengig av den tilgjengelige strømtilkoblingen på stedet, tilkoblingspluggen, ladekabelen og ladeteknologien som er installert i kjøretøyet, samt i ladestasjonen. I Europa kan den elektriske energien mates inn i kjøretøyet via enfaset AC (230 volt/3,6 kilowatt (kW)), trefaset AC (400 volt/22 kW) eller via høyspente DC-ladestasjoner (opptil 1000 volt DC/500 kW). Figur 2 illustrerer de fire lademodusene som er definert i IEC 61851-standarden.

Figur 2: Illustrasjon av de fire lademodusene som er definert i IEC 61851-standarden. (Bildekilde: bestchargers.eu)

Modus 1 (enfaset AC-lading på opptil 3,6 kW, standard lademodus)

I dette tilfellet er elbiler eller hybridbiler koblet til et standard 230-volts husholdningsuttak ved hjelp av en enkel passiv kabel, og vil bli ladet med lav effekt på maksimalt 3,6 kW via den innebygde laderen. Dette ladescenariet gir ikke tilstrekkelig beskyttelse mot DC-jordfeil for brukeren. Vanligvis er bare en AC-følsom Type-A-jordfeilbryter installert i bygningens elektriske system.

Modus 2 (enfaset/trefaset AC-lading på opptil 22 kW via en ICCB-ladekabel)

En modus 2-ladekabel utstyrt med en Type 2-kjøretøyplugg inneholder en ICCB som utfører sikkerhets- og kommunikasjonsfunksjoner når elbiler lades ved hjelp av husholdningskontakter og trefasede kontakter, for å hindre overbelastning.

Følgende beskyttelsesfunksjoner må integreres med ICCB-en:

• Fastsettelse av polaritet og overvåking av beskyttende leder (PC – protective conductor). Bare noen få ohm sløyfeimpedans er tillatt mellom nøytral og den beskyttende lederen.
• Testing av den elektriske tilkoblingen mellom den beskyttende lederen og metallhuset.
• En automatsikring med jordfeilbryter for AC og DC forhindrer strømulykker.
• Overvåking/utkobling av ladeprosessen i tilfelle uregelmessigheter skulle oppstå (for eksempel strømsvingninger på grunn av korroderte pluggkontakter eller kabelbrudd).
• Overvåking av temperaturen inne i ICCB-en og begge pluggene, og utfører avstengning hvis det er nødvendig.
• Styring av ladeeffekten: Nedtrekksmotstander (pull-down resistors) på styringspilotkabelen (CP – control pilot) for å signalisere lastklassifiseringen for kabelstrømmen til både veggboksen og elbilen. Signalet med pulsbreddemodulasjonssignalet (PWM – pulse width modulation) på ladestyringskabelen (CC – charging control) signaliserer den veggmonterte boksens ladeeffektkapasitet til elbilen.

Modus 3 (enfaset/trefaset AC-lading på opptil 22 kW via veggboks)

For elbillading er en passiv modus 3-kabel koblet til en veggmontert boks i private husholdninger eller til en offentlig AC-ladestasjon på parkeringsplasser. Begge har integrert de samme beskyttelsesfunksjonene som ICCB-en ovenfor.

Modus 4 (direkte batteridrevet DC-hurtiglading på opptil 500 kW)

DC-ladestasjoner med høy effekt (DC/HPC – DC high-power charge) for elbiler leverer betydelig høyere ladestrømmer sammenlignet med modus 2 og modus 3. Støtbeskyttelse mot AC- og DC-jordfeil er implementert i denne superladeren. De forskjellige ladekablene er alltid godt festet.

Måle AC- og DC-feilstrømmer i EVSE-kretsen

Jordfeilovervåkere (RCM-er), fra RCM14-serien fra Littelfuse Inc., detekterer DC- og/eller AC-jordfeil i AC- eller DC-systemer og leverer et utgangssignal for å styre en ekstern avstengning (cutoff-relé). Jordfeilbrytere (RCD-er) og automatsikringer med jordfeilbryter (RCCB – residual current circuit breaker) har derimot et integrert cutoff-relé.

AC-jordfeil detekteres ved å bruke en induktiv strømtransformator (CT – current transformer). For dette formålet mates foroverstrømlederen (I_L) og strømreturlederen (I_N) gjennom en myk magnetisk toroidkjerne, noe som får begge strømvektorene til å normalt kompensere for hverandre og legge til opptil null. Hvis en feilstrøm (I_g) strømmer inn i jordpotensialet via menneskekroppen i kretsen bak detektoren, vil jordfeilovervåkerens (RCM) eller den automatiske jordfeilbryterens (GFCI) totalstrøm avvike fra null, noe som gjør at automatsikringen utløses (figur 3).

Figur 3: Hvis en feilstrøm (I_g) strømmer inn i jordpotensialet via menneskekroppen, er jordfeilbryterens (GFCI) totalstrøm forskjellig fra null, noe som gjør at automatsikringen utløses. (Bildekilde: Littelfuse)

Ved å integrere en magnetometerprobe i en spalte i toroidalkjernen og kompensere den magnetiske fluksen til null ved å bruke en kompenseringsspole, kan strømtransformatoren (CT) også detektere differensiell DC. Denne metoden er mer nøyaktig enn Hall-effektsensorer eller shuntmotstander, og detekterer små DC-feilstrømmer fra 6 mA ved kraftige DC-laststrømmer på opptil 500 ampere (A).

Jordfeilovervåkere med styringsutgang for skillebryter (disconnector)

Littelfuse sin RCM14-serie er ideell for bruk i ICCB-ladekabler for elbiler (modus 2) og elbil-ladestasjoner (modus 3). De er tilgjengelige i tre alternativer for deteksjon av jordfeil, i samsvar med IEC 62752 (modus 2), IEC 62955 (modus 3) og UL 2231.

Alle jordfeilovervåkere har én drift-lysdiode og én feil-lysdiode. Den firepinners JST-kontakten forenkler installasjonen: Pinne 1 og 2 er for den 12-volts strømforsyningen, pinne 3 er for ekstern funksjonstesting og pinne 4 er en vekslingsutgang med åpen drain for å drive en ekstern skillebryter, for eksempel et avstengningsrelé, på opptil 100 mA og 24 volt (maksimum) (figur 4).

Figur 4: Modulene i RCM14-serien har to status-lysdioder, og de er enkle å koble til via den firepinners JST-kontakten. (Bildekilde: Littelfuse)

Disse aktive jordfeilovervåkerene kan også brukes til å detektere AC- og/eller DC-jordfeil i enfasede eller flerfasede DC-installasjoner. Enfaset drift begrenser laststrømmen til 100 A, mens trefaset drift er på 40 A. De kan håndtere laststrømpulser på opptil 3000 A.

RCM14-01: 6 mA DC-jordfeilovervåkermodul i henhold til IEC 62955, apertur på 14 millimeter (mm)

RCM14-01-jordfeilovervåkeren detekterer DC-feilstrømmer i AC-systemer på 50 Hz/60 Hz. Den er utviklet for bruk i modus 3-ladestasjoner for elbiler (IEC 62955-standarden) for å avbryte ladekretsen til elbilen i tilfelle det skulle oppstå en DC-feilstrøm på ≥ 6 mA. Denne detektoren legger til funksjonalitet for DC-jordfeilovervåking i eksisterende Type-A- og Type-F-jordfeilbrytere i bygningens elektriske system på en kostnadseffektiv og enkel måte (figur 5).

Figur 5: RCM14-01 legger til overvåking av DC-jordfeil på ≥ 6 mA i AC-følsomme Type-A-jordfeilbrytere i elektriske systemer. (Bildekilde: Littelfuse, Western Automation)

RCM14-03: 6 mA DC- / 30 mA AC-jordfeilovervåkermodul i henhold til IEC 62752, apertur på 14 mm

RCM14-03 er beregnet for bruk i ICCB eller integrerte beskyttelsesenheter for elbiler i lademodus 2 for å avbryte strømtilførselen til elbilen i tilfelle det skulle oppstå en AC- eller DC-feil.

RCM14-04: 56 mA DC- / 20 mA AC-jordfeilovervåkermodul i henhold til UL 2231-2, apertur på 14 mm

RCM14-04-modulen detekterer AC- og DC-feilstrømmer i AC-installasjoner på 60 hertz (Hz). Den er konstruert for bruk i CCID-enheter (CCID – Charging Circuit Interrupting Device) i ladestasjoner for elbiler, der den avbryter strømtilførselen til elbilen i tilfelle det skulle oppstå en AC- og/eller DC-jordfeiltilstand.

RCM20-01: RCM20-01 er en reststrømovervåker beregnet for deteksjon av DC-reststrømmer i AC-installasjoner som fungerer med 50 Hz / 60 Hz. Den er beregnet for elbilladestasjoner i modus 3, for å koble fra strømtilførselen til det elektriske kjøretøyet under tilstander med DC-restfeilstrøm. Produktet er fullstendig kompatibelt med IEC 62955.

RCM20-03: RCM20-03 er en reststrømovervåker beregnet for deteksjon av DC-og AC-reststrømmer i AC-installasjoner som fungerer med 50 Hz / 60 Hz. Den er beregnet for elbilladestasjoner i modus 2, for å koble fra strømtilførselen til det elektriske kjøretøyet under tilstander med DC- og AC-feilstrøm. Produktet er fullstendig kompatibelt med IEC 62752, og kan også brukes i IEC 62955-utrustninger der 30 mA AC-feildeteksjon er nødvendig.

For integrering i en større enhetskrets, er følgende jordfeilovervåkermoduler også tilgjengelige som systemer med åpen ramme:

• RCM14-01_SYS_V, RCM14-01_SYS_H
• RCM14-03_SYS_V, RCM14-03_SYS_H
• RCM14-04_SYS

Alle systemer består av et loddbart sensorkort og en separat strømtransformator (figur 6).

Figur 6: RCM14-04_SYS-modulene er systemer med åpen ramme, som består av et sensorkort og en strømtransformator. (Bildekilde: Littelfuse, Western Automation)

Konklusjon

AC-følsomme jordfeilbrytere av Type A er vanlige installasjonsstandarder i elektriske systemer i bygninger, men de kan ikke beskytte mot DC-jordfeilfarer i ladekretsene til elbiler. Som vist, kan RCM14-serien utføre DC-jordfeilovervåkingen som kreves i ICCB-ladekabler (modus 2) og elbil-ladestasjoner (modus 3). Med bare fire tilkoblingspinner kan systemkonstruktører enkelt og kostnadseffektivt implementere den kompakte jordfeilovervåkermodulen eller systemet med åpen ramme i EVSE-en.