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    淺談電動汽車充電樁的防觸電保護

    發布時間: 2021-06-23  點擊次數: 75次

    摘要:防觸電保護是電器安穩設計首先要考慮的問題。介紹防觸電保護的基本要求和方法,然后結合電動汽車充電設備的安穩標準,分析了這些方法如何合理運用,希望大家在安穩使用新能源技術的前提下,創造綠色、環保的明天。

    關鍵詞:防觸電保護;直接觸電的防護;間接觸電的防護;附加防護

    引言

        能源問題、環境保護問題日益成為國際社會關注的焦點,特別是在快速發展的中國不僅面臨石油短缺的嚴峻挑戰,而且隨著汽油車保有量的飛速增長,日益嚴重的汽車尾氣污染,已經成為它不能承受的后果。在北京、上海、廣州等大城市,機動車已成為排放一氧化碳、氮氧化物、碳氫化合物等污染物的一大污染源。業內人士估計,10~15年之后我國的汽車保有量可能超過1億輛。因此,治理汽車污染將是一項長期的、艱巨的、復雜的系統工程。

        電動汽車作為一種新型交通工具,用電池作驅動,實現了零排放。它在緩解能源危機,保護環境方面有著傳統汽油車沒有的優勢。由于電動汽車是靠電池驅動,當電動汽車電池的電能消耗到一定程度時,就需要依靠充電裝置對電動汽車內的動力電池進行充電,從而滿足電動汽車的循環使用。這樣充電裝置成為了電動汽車使用環節中的重要一環。由于充電裝置相比其他的家用電器功率和電流都較大,大多數安裝在公共場所,充電裝置的使用安穩是所有電動汽車的生產廠家、物業和車主共同關心的話題。充電裝置的使用安穩主要依靠充電裝置的安穩設計,結合IEC標準及中國國內的一些標準,探討充電裝置設計中須要注意的一些特殊要求。

    一、安穩標準簡介

        現行有效的IEC有關充電樁安穩標準為:IEC61851—1(2010電動汽車傳導充電系統*1部分通用標準);IEC61851—21(2002電動汽車傳導充電系統第21部分交流/直流電源傳導連接的要求);IEC61851—22(2002電動汽車傳導充電系統第22部分交流電動汽車充電站);IEC61851—23(2014電動汽車傳導充電系統第23部分直流電動汽車充電站)。

        整個IEC61851的標準系統里面,它涵蓋了防觸電保護的要求,防止大能量電弧的要求,防止過熱的要求,防止機械危險的要求等。在諸多防護要求中,防觸電保護是較基本的,也是較重要的保護,因為潛在的電擊風險又可以引起火災及其它復合危險,看不到、聞不到,不能預先感知,所以IEC的標準要求充電設備在設計時就要考慮到這些風險,把這些風險發生的機率降到較小。著重討論IEC61851系列和GB系列有關充電設備防觸電保護的要求。

    二、結合標準分析充電樁防觸電保護的要求

        由于充電樁在工作狀態時須要連接電動汽車,所以充電樁不僅要有自身的防觸電保護措施,還需要檢測電動汽車的安穩狀況,一旦發現電動汽車絕緣破壞應立刻切斷電源。所以充電樁的充電電纜和電動汽車的充電接口連在一起后,需要確認完全連接,并持續檢測電動汽車的接地線是否和充電樁的接地保護線可靠地連接在一起。這里分別列舉一個交流充電樁和一個直流充電樁的連接和充電過程來分析防觸電保護措施的運用。

    1、交流充電樁的連接

        從圖5可知充電樁和電動汽車的連接點1,2是單相電源的L,N線的連接點,連接點3是接地保護連接點,連接點4是控制導引連接點,連接點5是位置檢測連接點。圖中R4,R5,R6,R7和開關S3組成位置檢測的功能。當充電樁和電動汽車完全連接后,測試點1的電壓由于充電樁連接器上的電阻R6并入位置檢測電路而發生變化,這樣檢測電路根據電壓的變化可判斷充電樁和電動汽車是否已經完全連接好,只有完全連接后充電樁才會向電動汽車充電。S3的功能是防止充電樁和電動汽車的連接意外斷開。S3是常閉開關,在正常連接時,R7是被短路的,當要斷開連接時,由于S3和連接器的機械聯鎖組合在一起,需要要斷開S3,這樣R7就并聯在位置檢測電路上,測試點1的電壓發生變化,檢測電路根據電壓的變化可判斷充電樁是否要和電動汽車脫離連接,在充電樁的連接器和電動汽車的插座脫離前及時切斷充電電流,防止電弧危險及危險帶電體被觸及。

    2、直流充電樁的連接

        直流充電樁分為隔離直流充電機和非隔離直流充電機,所謂的隔離直流充電樁是指直流輸出電路和電源交流側至少是基本絕緣,目前電動汽車充電樁的安穩標準主要針對隔離直流充電樁。在直流充電樁的安規標準中強調了需要采用自動切斷電源的保護措施,同時要求直流充電樁應和交流電源側中的A型漏電保護器相兼容。在控制導引方面的防觸電保護,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,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,交流側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接地相連,實現等電位和自動故障斷電。直流側見圖6中的隔離變壓器次級,直流+,-端和地之間跨接了絕緣監測器,它的目的在于監測直流輸出端和地的絕緣情況。當直流電流由隔離變壓器輸出時,變壓器次級的電路和地之間實際形成了IT系統,當直流端和地發生一次絕緣故障時,由于變壓器的隔離作用,直流端對地不能形成回路,所以故障電流很小,不足以觸發斷路器或漏電保護器動作,如果不加以監測,那么這個故障就會作為一個隱患保留下來,潛在的風險很大。所以在正式充電前還要進行絕緣電阻的監測,絕緣電阻值不能小于式(1)計算出來的值,否則就不允許充電。

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

    圖6直流充電控制導引電路

    三、安科瑞充電樁運營管理平臺

    1、系統架構

        安科瑞Acrelcloud-充電樁收費運營云平臺系統通過物聯網技術對接入系統的充電樁站點和各個充電樁進行不間斷地數據采集和監控,同時對各類故障如充電機過溫保護、充電機輸入輸出過壓、欠壓、絕緣檢測故障等一系列故障進行預警;通過微信小程序掃描二維碼,進行支付后,系統發起充電請求,控制二維碼對應的充電樁完成電動汽車的充電過程。

        充電樁可選配WIFI模塊或GPRS模塊接入互聯網,配合加密技術和秘鑰分發技術,基于TCP/IP的數據交互協議,與云端進行直連。云平臺包含了充電收費和充電樁運營的所有功能,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,充電樁運行監測,充電樁異常交易監測。

          交易結算:充電價格策略管理,預收費管理,賬單管理,營收和財務相關報表

          用戶管理:用戶注冊,用戶登錄,用戶帳戶管理,消息管理

          充電服務:充電設施搜索,充電設施查看,地圖尋址,在線自助支付充電,充電結算,導航等

          微信小程序:掃碼充電,賬單支付等功能

          數據服務:數據采集,短信提醒,數據存儲和解析

          變壓器監控:監控充電站變壓器負荷,每個充電站配備一塊ARCM300T無線表,超負荷時系統自動對充電樁的進行調度管理,即當負荷超過百分之五十時,系統會限制新增開始充電的充電樁的功率,降為百分之五十,當變壓器負荷超過百分之八十時,系統將不允許新增充電樁開始充電,直到負荷下降為止。

    2、平臺功能

    2.1平臺登錄

        在瀏覽器打開云平臺鏈接、輸入賬戶名和權限密碼,進行登錄,防止未授權人員瀏覽有關信息。

    2.2平臺首頁

        平臺首頁總覽每天的開戶數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時長,累計的開戶數、充值金額、充電金額、充電度數、充電次數、充電時長,以及相應的環比增長和同比增長以及樁、站分布地圖導航、本月充電統計。

    2.3實時監控

    ?充電站監控

        充電站監控頁面監視用戶充電槍總數、正在充電的槍數、空閑槍數、插槍數量、故障槍數量等,匯總了用戶擁有各樁的當日充電總次數、總電量、總時長,進行負荷限制、故障查詢。

    ?充電槍監控

        充電樁監控頁面充電槍的基本信息、今日充電電量、今日充電次數、今日充電時長和累計充電電量、累計充電次數、累計充電時長等、充電電壓電流等參數。

    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,點擊后可以加入到小程序列表,如下圖所示

    ?授權登錄界面

        用戶通過搜索或者掃碼等途徑初次打開小程序時,會進入這個頁面,需要用戶授權登錄才可以進入小程序主功能頁面,如圖所示:

    ?主功能頁

        初次進入主功能頁時需要授權定位才可以使用地圖相關功能,在地圖上查看到當前所在區域的充電站,查看充電站信息,可以進行掃碼充電操作,地圖導航等。

    ?充電

        掃描充電槍上的二維碼,如果當前充電樁可用即可進入充電選擇頁面,可以查看到當前的充電站名稱、充電槍名稱,以及當前的賬戶余額,電價和預計可充電量等數據,還可以查看當前賬戶的歷史充電記錄。充電方式分為按時間充電、按金額充電、按電量充電這三種方式。充電結束可以進進行評價。

    ?個人信息

        個人信息可以顯示當前登錄賬號的昵稱和余額,同時包括、充值、充值記錄查詢、賬單查詢、充電記錄查詢、設置支付密碼等功能

    3、硬件配置

    3.1平臺服務器:建議按照我方推薦配置購買,或者客戶自己租用阿里云資源。

    推薦硬件配置清單:(如申請阿里云可忽略)

     

    若客戶自己租用阿里云服務器,服務器配置根據充電槍點數的不同,分別如下:

    3.2現場推薦硬件配置清單:

    四、結束語

    防觸電保護只是安穩防護的一個方面,充電樁的安穩防護還包括過載防護、短路防護、浪涌保護、機械防護等。充電樁安穩標準上的所有要求都圍繞著上述防護的要求而展開。需要強調的是,大部分充電樁都是固定安裝形式且多是I類電器,所以僅靠產品上采取的措施往往并不能完全滿足安穩的要求,還需要在電氣裝置的設計和安裝上補充一些必要的安穩措施。產品設計和電氣安裝設計通常是協調配合,相輔相成。

     

     

    參考文獻:

    [1]GB/T18487.1—2001,電動車輛傳導充電系統一般要求[S].

    [2]陳偉康,鄭豪.電動汽車充電樁的防觸電保護

    [3]安科瑞企業微電網設計與應用手冊.2020.06版

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