電動(dòng)汽車充電設(shè)施接觸電流測(cè)試的研究

陳永強(qiáng)，張序星，羅燕平

(1.中國(guó)電器科學(xué)研究院有限公司，廣東廣州 510663；2.威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司，廣東廣州 510663)

0 引言

電動(dòng)汽車充電設(shè)施需要提前布局，才能滿足新能源汽車快速發(fā)展的需求。隨著國(guó)家和各地政府落實(shí)最新的充電設(shè)施建設(shè)補(bǔ)貼政策，少數(shù)地方還陸續(xù)推出運(yùn)營(yíng)補(bǔ)貼方案，全國(guó)又掀起一波充電設(shè)施建設(shè)的浪潮。

為了保證新安裝的充電設(shè)施是安全的，在役的充電設(shè)施是持續(xù)安全的，各級(jí)監(jiān)管部門和技術(shù)管理機(jī)構(gòu)都推出了各類安全監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，其中充電設(shè)施的接觸電流成為必備的安全共性指標(biāo)。電動(dòng)汽車充電設(shè)施的接觸電流是涉及人身安全的重要指標(biāo)，但是鮮有人對(duì)電動(dòng)汽車充電設(shè)施的接觸電流測(cè)試展開(kāi)研究。本文作者將圍繞充電設(shè)施接觸電流的限值、復(fù)合高頻電流與復(fù)雜波形對(duì)接觸電流測(cè)試的影響、充電設(shè)施接觸電流測(cè)試儀器的選擇和期間核查、充電設(shè)施接觸電流測(cè)試中常出現(xiàn)的問(wèn)題4個(gè)方面進(jìn)行研究闡述。

1 充電設(shè)施接觸電流限值

GB/T 18487.1-2015《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第1部分：通用要求》依然遵循了GB/T 12113-2003《接觸電流和保護(hù)導(dǎo)體電流的測(cè)量方法》(idt IEC60990:1999)對(duì)接觸電流的定義：當(dāng)人或動(dòng)物接觸到設(shè)備上的可觸及部件時(shí)，流經(jīng)人體或動(dòng)物身體的電流。需要注意：持續(xù)時(shí)間小于1 s的電流或者頻率低于15 Hz的交流電流是不屬于接觸電流的定義范圍。

充電設(shè)施在正常使用、故障狀態(tài)和維修狀態(tài)下，危險(xiǎn)(電能量源)是不一樣的。有必要?jiǎng)澐治ｋU(xiǎn)(電能量源)的等級(jí)，如表1所示。

表1 危險(xiǎn)(電能量源)等級(jí)

電動(dòng)汽車充電設(shè)施從專用設(shè)備正在成為家用電器，使用人群也隨著由“熟練技術(shù)人員”、“受過(guò)培訓(xùn)的人員”正在往“一般人員”發(fā)展。同樣的危險(xiǎn)(電能量源)對(duì)不同對(duì)象有不同的結(jié)果。針對(duì)一般人員、受過(guò)培訓(xùn)的人員和熟練技術(shù)人員的安全防護(hù)是完全不同的，如表2—表3所示。

表2 不同對(duì)象的安全防護(hù)措施

表3 不同能量源等級(jí)的限值

流經(jīng)人體并引起人體感知的最小電流值叫感知閾值，醫(yī)學(xué)研究表明感知閾值的數(shù)量級(jí)是mA級(jí)。GB/T 18487.1-2015選取感知閾值的1/2即0.25 mA(有效值)作為II類設(shè)備任一交流相線和彼此相連的可觸及金屬部件之間，以及和覆蓋在絕緣外部材料上的金屬箔之間的限定值。

流經(jīng)人體引起人體不自主肌肉收縮的最小電流值叫反應(yīng)閾值，醫(yī)學(xué)研究表明低頻反應(yīng)閾值在0.5 mA(有效值)左右。GB/T 18487.1-2015選取低頻反應(yīng)閾值0.5 mA(有效值)作為II類設(shè)備彼此相連的不可觸及和可觸及的部件和覆蓋在絕緣外部材料上的金屬箔之間(附加絕緣)的限定值。

擺脫閾值是指握住電極的人可以擺脫電極的最大電流值。歐美研究表明男女的擺脫電流閾值平均為16 mA(有效值)和10.5 mA(有效值)。日本研究表明男女?dāng)[脫閾值分別為9 mA(有效值)和6 mA(有效值)，而且小孩子的閾值更低。所以擺脫閾值3.5 mA(有效值)適用于全球所有的成年人群。GB/T 18487.1-2015選取3.5 mA(有效值)作為I類設(shè)備任一交流相線和彼此相連的可觸及金屬部件之間，以及和覆蓋在絕緣外部材料上的金屬箔之間和II類設(shè)備任一交流相線和通常為非活性的金屬不可觸及部件之間(雙重絕緣)的限定值。

2 復(fù)合高頻電流與復(fù)雜波形對(duì)接觸電流測(cè)試的影響

電動(dòng)汽車充電設(shè)施的家庭化、充電設(shè)施能源效率的提升都能促使電子開(kāi)關(guān)技術(shù)在充電設(shè)施的廣泛使用。但也導(dǎo)致了更復(fù)雜的接觸電流波形，從而催生出復(fù)合高頻電流與復(fù)雜波形對(duì)接觸電流影響這一新問(wèn)題。為了研究這個(gè)新問(wèn)題，將分以下4步進(jìn)行分階段解析。

第一步：研究高頻和低頻接觸電流，哪種情況下對(duì)人體傷害程度更大。

f=50 Hz時(shí)，IR≈0.937 mA

f=5 kHz時(shí)，IR≈0.133 mA

f=1 MHz時(shí)，IR≈0.000 74 mA

(1)

式中：Z為頻率因素；I1為實(shí)際接觸電流；I2為指示接觸電流；f為頻率。

通過(guò)式(1)可以發(fā)現(xiàn)：隨著電流頻率的上升，人體的各種反應(yīng)閾值也隨之變大，電流對(duì)人體傷害程度就降低了。試驗(yàn)表明：當(dāng)頻率增加到100 kHz，人體感知閾值上升到100 mA(見(jiàn)表3)，人體對(duì)高頻電流有著更高的耐受力。而同樣的電流值，低頻狀態(tài)下對(duì)人體危害程度更為嚴(yán)重。

第二步：對(duì)常見(jiàn)波形接觸電流測(cè)試的研究。

人類對(duì)電流的生理效應(yīng)都與含頻率因數(shù)的峰值電流有關(guān)?；贗EC/TS 60479-2-2017《電流通過(guò)人類和家畜的影響.第2部分:特殊方面》的研究成果，IEC 60990-2016《接觸電流和保護(hù)導(dǎo)體電流的測(cè)量方法》提供了兩種接觸電流測(cè)量電路：一種叫受驚-反應(yīng)電路(Startle-reaction)，之前稱為感知-反應(yīng)電路；另外一種叫擺脫-制動(dòng)電路(Letgo-immobilization)，之前稱為“擺脫電路”。下面通過(guò)測(cè)量頻率為50 Hz(周期為20 ms)的三角形波形、頻率為50 Hz方波的接觸電流響應(yīng)，分析以下兩種電路的差異。

(1)使用受驚-反應(yīng)電路、擺脫-制動(dòng)電路測(cè)量頻率為50 Hz(周期為20 ms)的三角形波形的接觸電流響應(yīng)。表4為兩種接觸電流測(cè)量電路的響應(yīng)對(duì)比。圖1—圖2分別為兩種接觸電流測(cè)量電路的脈沖響應(yīng)圖。

表4 三角形波形響應(yīng)比較 mA

圖1 受驚-反應(yīng)電路脈沖響應(yīng)圖

圖2 擺脫-制動(dòng)電路脈沖響應(yīng)圖

(2)使用受驚-反應(yīng)電路、擺脫-制動(dòng)電路測(cè)量頻率為50 Hz方波的接觸電流1 ms的脈沖響應(yīng)。表5為兩種接觸電流測(cè)量電路的響應(yīng)對(duì)比。圖3—圖4分別為兩種接觸電流測(cè)量電路的脈沖響應(yīng)圖。

圖3 受驚-反應(yīng)電路脈沖響應(yīng)圖

圖4 擺脫-制動(dòng)電路脈沖響應(yīng)圖

由上圖可知，擺脫-制動(dòng)電路的濾波器允許更高的高頻電流通過(guò)，從而得到較高的測(cè)量峰值。對(duì)于電流為20 ms方波，上升時(shí)間會(huì)直接影響接觸電流的峰值，如圖5所示，20 ms方波的擺脫-制動(dòng)電路脈沖上升時(shí)間遠(yuǎn)大于受驚-反應(yīng)電路。

第三步：將復(fù)雜波形分解為不同頻率不同振幅的常見(jiàn)波形。

IEC/TS 60479-2-2017《電流通過(guò)人類和家畜的影響.第2部分:特殊方面》提供了一些測(cè)量復(fù)雜波形的方法，不論什么樣的復(fù)雜波形都可以分解為不同頻率不同振幅的常見(jiàn)波形。

圖5 脈沖上升時(shí)間的比較圖

第四步：對(duì)復(fù)合電流的接觸電流測(cè)試研究。

人體感受到接觸電流的效應(yīng)與復(fù)合電流的峰值有關(guān)，同時(shí)必須結(jié)合頻率來(lái)估計(jì)整體效應(yīng)。使用IEC 60990-2016“擺脫-制動(dòng)電路”來(lái)測(cè)量復(fù)合交流直流的接觸電流(簡(jiǎn)稱復(fù)合電流)。

現(xiàn)代示波器為了獲得常見(jiàn)波形的有效值、峰值和峰-峰值，提供了測(cè)量便利，測(cè)量方法過(guò)程如下：

(1)選擇復(fù)合電流波形的接觸電流最大峰值絕對(duì)值得到I最大峰值。

(2)根據(jù)接觸電流有效值計(jì)算等效峰值I等效峰值；

(3)接觸電流的直流效應(yīng)值I直流效應(yīng)值=I最大峰值-I等效峰值。

IEC/TS 60479-2-2017《電流通過(guò)人類和家畜的影響.第2部分:特殊方面》的研究成果提供了另外一種計(jì)算法：將復(fù)合交流直流的接觸電流實(shí)際效應(yīng)值利用數(shù)學(xué)建模方程如公式 (2)：

I交流峰值+I直流=7 716(0.143 4×I直流)-0.106 1+I直流

(2)

通過(guò)兩種案例分析測(cè)量法和計(jì)算法的優(yōu)缺點(diǎn)，以及兩種方法的差距。其中接觸電流的限值判斷為： IEC/TS 60479-2-2017中規(guī)定的擺脫-制動(dòng)接觸電流極限值，即不能超過(guò)5 mA有效值/7 mA峰值。

(1)案例1

圖6為案例1中接觸電流測(cè)試結(jié)果。表6為案例1中測(cè)量法和計(jì)算法的結(jié)果對(duì)比。

圖6 案例1中接觸電流測(cè)試結(jié)果

表6 案例1中測(cè)量法和計(jì)算法的結(jié)果對(duì)比mA

(2)案例2

圖7為案例2中接觸電流測(cè)試結(jié)果。表7為案例2中測(cè)量法和計(jì)算法的結(jié)果對(duì)比。

圖7 案例2中接觸電流測(cè)試結(jié)果

表7 案例2中測(cè)量法和計(jì)算法的結(jié)果對(duì)比mA

通過(guò)上述2個(gè)案子，說(shuō)明用IEC 60990-2016“擺脫-制動(dòng)電路”來(lái)測(cè)量復(fù)合交流直流的接觸電流是可行的，測(cè)量法跟計(jì)算法的偏差也是可以接受的。

3 充電設(shè)施接觸電流測(cè)試儀器的選擇和期間核查

3.1 電動(dòng)汽車充電設(shè)施接觸電流測(cè)試儀器的特殊要求

常規(guī)的接觸電流測(cè)試儀器要求：

(1)可以顯示峰值和真有效值；

(2)輸入阻抗不小于1 MΩ；

(3)測(cè)試交流信號(hào)時(shí)，輸入電容不大于200 pF；

(4)頻率響應(yīng)范圍≥1 MHz；

(5)浮動(dòng)或差動(dòng)輸入在1 MHz時(shí)，儀器的共模抑制比要達(dá)到40 dB或更高；

(6)對(duì)于頻率為50 Hz或60 Hz且電流大小在30 mA以下的接觸電流測(cè)試時(shí)，儀表準(zhǔn)確度至少應(yīng)達(dá)到±3.5%；

(7)對(duì)于頻率為50～5 000 Hz，且電流大小在30 mA以上的，儀表準(zhǔn)確度至少達(dá)到±5%。

從第2節(jié)的分析可知：在復(fù)雜波形、復(fù)合高頻電流狀態(tài)下，電動(dòng)汽車充電設(shè)施接觸電流測(cè)試不能直接應(yīng)用常規(guī)的接觸電流測(cè)試儀器。詳細(xì)原因如表8所示。

表8 兩種接觸電流測(cè)試儀器的特性差異

為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車充電設(shè)施接觸電流測(cè)量?jī)x器的上述特性，儀器制造商采用以下兩點(diǎn)解決方案：

(1)采用RMS檢測(cè)電路。該方案優(yōu)點(diǎn)為：能正確處理各種電流波形，準(zhǔn)確測(cè)量波形的電參數(shù)值；解決設(shè)備關(guān)于連續(xù)頻率響應(yīng)、測(cè)試探頭的極性和自適應(yīng)問(wèn)題；在30 Hz～1 MHz范圍內(nèi)，誤差小于0.25%；非線性誤差小于0.02%；電流動(dòng)態(tài)范圍較寬；頻率響應(yīng)速度快；操作方便。

(2)采用可自動(dòng)復(fù)位的過(guò)壓保護(hù)電路。該方案優(yōu)點(diǎn)為：測(cè)試過(guò)程中能自動(dòng)調(diào)節(jié)，自動(dòng)恢復(fù)。

3.2 辛普森228表的局限性

一旦涉及到接觸電流測(cè)量，部分電氣實(shí)驗(yàn)就會(huì)選用辛普森Simpson 228表(如圖8所示)。

盡管辛普森228表所帶的測(cè)量網(wǎng)絡(luò)仍然是GB/T 12113-2003(idt IEC60990：1999)的感知反應(yīng)使用網(wǎng)絡(luò)和擺脫使用的網(wǎng)絡(luò)，但是辛普森228表上的PEAK值只有在已知波形為正弦波時(shí)才是準(zhǔn)確的，如果不是正弦波，還是要外接示波器等電壓測(cè)量裝置才能測(cè)量。

圖8 辛普森228表

辛普森228表采用的接觸電流單位是MIU，數(shù)值上單位MIU在低頻10～100 Hz時(shí)與單位mA一致，到了高頻階段，流過(guò)儀器的單位mA值是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單位MIU顯示值的。例如在頻率為100 kHz實(shí)際接觸電流為100 mA，但是指示接觸電流僅為1 MIU。沒(méi)有考慮對(duì)高頻電流的補(bǔ)償。

因此直接采用辛普森Simpson 228表作為電動(dòng)汽車充電設(shè)施接觸電流測(cè)量設(shè)備會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的錯(cuò)誤。

3.3 充電設(shè)施接觸電流測(cè)試儀器的期間核查方法

ISO/IEC 17025-2017《檢測(cè)和校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室能力認(rèn)可準(zhǔn)則》作為最新的實(shí)驗(yàn)室管理要求，利用期間核查可以讓實(shí)驗(yàn)室的管理者保持對(duì)充電設(shè)施接觸電流測(cè)試儀器校準(zhǔn)狀態(tài)的可信度。所以實(shí)驗(yàn)室應(yīng)該制定針對(duì)充電設(shè)施接觸電流測(cè)試儀器的期間核查方案，即需要明確可操作性的方法與核查周期，并在保存期間核查記錄。不需要對(duì)測(cè)試設(shè)備的所有功能都進(jìn)行期間核查，針對(duì)充電設(shè)施接觸電流測(cè)試儀器，推薦期間核查周期是每?jī)蓚€(gè)月進(jìn)行一次，按照IEC 60990-2016附錄K進(jìn)行期間核查方法選擇，對(duì)于充電設(shè)施接觸電流特有的連續(xù)頻率響應(yīng)，推薦采用如下方法：

(1)將接觸電流測(cè)試設(shè)備設(shè)定在受驚-反應(yīng)電路，之前稱為感知-反應(yīng)電路測(cè)試狀態(tài)下，接觸電流測(cè)試儀輸入端與地隔離；

(2)推薦使用安捷倫(Agilent)33220A型函數(shù)/任意波形發(fā)生器(見(jiàn)圖9)作為信號(hào)輸入源，33220A輸出從DC～1 MHz的正弦信號(hào)；

圖9 安捷倫(Agilent)33220A型函數(shù)/任意波形發(fā)生器

(3)將接觸電流測(cè)試儀的輸入端探頭與33220A信號(hào)輸出端有效連接，防止信號(hào)衰減；

(4)33220A輸出不同頻率(頻率的步進(jìn)自定)的1 V電壓信號(hào)(r.m.s)，讀取接觸電流測(cè)試設(shè)備的電壓測(cè)試值y1，與IEC 60990-2016附錄K所列電壓值y2(r.m.s)比較。

(5)若DC～1 MHz不同頻率(頻率的步進(jìn)自定)的頻率因素Z=|y1-y2|≤1.414×U，則滿足連續(xù)頻率響應(yīng)的期間核查要求。

當(dāng)期間核查發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，接觸電流測(cè)試儀器應(yīng)該立即停止使用并進(jìn)行校準(zhǔn)或維修，同時(shí)對(duì)已經(jīng)測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行溯源分析，判定是否召回。

4 充電設(shè)施接觸電流測(cè)試中常出現(xiàn)的問(wèn)題

(1)保護(hù)導(dǎo)體與接地中性導(dǎo)體之間的電位差大于1%的線電壓時(shí)，應(yīng)該如何處理。

圖10為直接供電的接地中線。目前直流充電設(shè)施最常用的是三相供電系統(tǒng)，三相供電理想狀態(tài)是三相電的中性點(diǎn)不帶電，但是由于傳輸損耗和負(fù)載不對(duì)稱，導(dǎo)致三相電的中性點(diǎn)會(huì)帶有一定的電位，如果把三相電的中性點(diǎn)和接地端連接，將可以達(dá)到相對(duì)的三相平衡，這就叫“零地合一”。

為了消除三相供電電源對(duì)接觸電流測(cè)試結(jié)果的影響，要求被測(cè)充電樁，其接地中性導(dǎo)體與保護(hù)導(dǎo)體的電位差必須不大于線電壓的1%。如果不滿足上述要求，可以采取以下處理方法：

處理方法1：如果電位差超過(guò)了1%，將接觸電流測(cè)試儀的B端電極連接到充電樁的中性端子上而不是電源的保護(hù)接地導(dǎo)體上；處理方法2：將充電樁的接地端子連接到電源的中線上而不是保護(hù)接地導(dǎo)體上(需要注意零地合一的問(wèn)題)。

(2)接觸電流測(cè)試中要采用隔離變壓器，隔離變壓器該如何接地。

以測(cè)量I類充電樁電源任一極與易觸及金屬表面之間(基本絕緣)的接觸電流為例，如果沒(méi)有隔離變壓器，N級(jí)帶有一定電位，從而在零線上產(chǎn)生一定的漏電流，所以建議采用隔離變壓器。圖11為帶有隔離變壓器的接地中線。

圖11 帶有隔離變壓器的接地中線

隔離變壓器的工作原理：能有效屏蔽非測(cè)量的接觸電流。如果在零地合一的狀態(tài)下，不將地線斷開(kāi)，測(cè)試電壓實(shí)際就是供電端的電壓，就會(huì)出現(xiàn)虛假的接觸電流不合格。GB/T 12113-2003(idt IEC60990:1999)的圖示也表明：隔離變壓器的次級(jí)和充電樁同時(shí)浮地，作為充電樁接地的一種替代。隔離變壓器的初級(jí)和次級(jí)決不可同時(shí)接地、測(cè)試樣品的保護(hù)接地和隔離變壓器的次級(jí)接地決不可接在一起，以免影響測(cè)試結(jié)果。

5 總結(jié)

充電設(shè)施接觸電流測(cè)量看似簡(jiǎn)單，但是仔細(xì)分析還是有很多需要關(guān)注的地方。充電設(shè)施制造商、檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)迫切呼吁各級(jí)技術(shù)監(jiān)管部門提供有效的能力驗(yàn)證計(jì)劃，2018年國(guó)家認(rèn)監(jiān)委“CNCA-18-B09交流充電樁的接觸電流試驗(yàn)” 能力驗(yàn)證項(xiàng)目正是針對(duì)社會(huì)重點(diǎn)關(guān)注的領(lǐng)域，在電動(dòng)汽車充電設(shè)施快速發(fā)展的階段實(shí)施的能力驗(yàn)證計(jì)劃。

參加充電設(shè)施接觸電流能力驗(yàn)證是提升檢驗(yàn)檢測(cè)機(jī)構(gòu)在充電設(shè)施檢測(cè)領(lǐng)域技術(shù)水平的有效方法，不僅可以為充電設(shè)施的持續(xù)安全提供可信的技術(shù)保證，還可以為充電設(shè)施行業(yè)的健康快速發(fā)展保駕護(hù)航。