電動汽車充電樁的防觸電保護(hù)

陳偉康，鄭 豪

（萊茵技術(shù)（上海）有限公司，上海 200072）

0 引言

能源問題、環(huán)境保護(hù)問題日益成為國際社會關(guān)注的焦點(diǎn)，特別是在快速發(fā)展的中國不僅面臨石油短缺的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，而且隨著汽油車保有量的飛速增長，日益嚴(yán)重的汽車尾氣污染，已經(jīng)成為它不能承受的后果。在北京、上海、廣州等大城市，機(jī)動車已成為排放一氧化碳、氮氧化物、碳?xì)浠衔锏任廴疚锏牡谝淮笪廴驹础I(yè)內(nèi)人士估計(jì)，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(xiàng)長期的、艱巨的、復(fù)雜的系統(tǒng)工程。

電動汽車作為一種新型交通工具，用電池作驅(qū)動，實(shí)現(xiàn)了零排放。它在緩解能源危機(jī)，保護(hù)環(huán)境方面有著傳統(tǒng)汽油車無可比擬的優(yōu)勢。由于電動汽車是靠電池驅(qū)動，當(dāng)電動汽車電池的電能消耗到一定程度時(shí)，就必須依靠充電裝置對電動汽車內(nèi)的動力電池進(jìn)行充電，從而滿足電動汽車的循環(huán)使用。這樣充電裝置成為了電動汽車使用環(huán)節(jié)中的重要一環(huán)。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(shù)安裝在公共場所，充電裝置的使用安全是所有電動汽車的生產(chǎn)廠家、物業(yè)和車主共同關(guān)心的話題。充電裝置的使用安全主要依靠充電裝置的安全設(shè)計(jì)，結(jié)合IEC 標(biāo)準(zhǔn)及中國國內(nèi)的一些標(biāo)準(zhǔn)，探討充電裝置設(shè)計(jì)中須要注意的一些特殊要求。

1 安全標(biāo)準(zhǔn)簡介

現(xiàn)行有效的IEC 有關(guān)充電樁安全標(biāo)準(zhǔn)為：IEC 61851—1（2010 電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第1 部分 通用標(biāo)準(zhǔn)）；IEC 61851—21（2002 電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第21 部分 交流/直流電源傳導(dǎo)連接的要求）；IEC 61851—22（2002 電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第22 部分 交流電動汽車充電站）；IEC 61851—23（2014電動汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第23 部分 直流電動汽車充電站）。

整個(gè)IEC 61851 的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)里面，它涵蓋了防觸電保護(hù)的要求，防止大能量電弧的要求，防止過熱的要求，防止機(jī)械危險(xiǎn)的要求等。在諸多防護(hù)要求中，防觸電保護(hù)是最基本的，也是最重要的保護(hù)，因?yàn)闈撛诘碾姄麸L(fēng)險(xiǎn)又可以引起火災(zāi)及其它復(fù)合危險(xiǎn)，看不到、聞不到，不能預(yù)先感知，所以IEC 的標(biāo)準(zhǔn)要求充電設(shè)備在設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮到這些風(fēng)險(xiǎn)，把這些風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的機(jī)率降到最小。著重討論IEC 61851 系列和GB 系列有關(guān)充電設(shè)備防觸電保護(hù)的要求。

2 防觸電保護(hù)的要求

根據(jù)IEC 61851 針對電動汽車充電設(shè)備防觸電保護(hù)的要求，充電設(shè)備分為三重保護(hù)：防止直接觸電的保護(hù)、防止間接觸電擊保護(hù)及附加保護(hù)。

2.1 直接觸電的防護(hù)要求

直接觸電是指直接接觸危險(xiǎn)帶電體，根據(jù)ISO 6469—3《電動汽車安全規(guī)范——人體觸電的保護(hù)》內(nèi)的定義，交流電壓>30 V或直流電壓>60 V 的帶電體定義為危險(xiǎn)帶電體。直接觸電的防護(hù)就是要有效地防止和危險(xiǎn)帶電體接觸，電動汽車充電設(shè)備主要包含以下措施：基本絕緣，遮擋物或外殼防護(hù)，特低電壓，低接觸電流和電荷等。

（1）基本絕緣：危險(xiǎn)帶電體的絕緣，它起到直接電擊防護(hù)的作用?；窘^緣的要求是帶電體要被絕緣全覆蓋，絕緣只有在被破壞的情況下才能去除。

（2）遮擋物或外殼防護(hù)：用來阻止和帶電體的接觸。帶電體應(yīng)在外殼內(nèi)部或在遮擋物背后，防護(hù)等級要求達(dá)到IPXXB 或IP2X。遮擋物應(yīng)牢固加以固定，并能長期保持有效，外殼和遮擋物只能用工具或危險(xiǎn)帶電體斷電后才能打開或移除。

（3）特低電壓：特低電壓的電壓范圍為交流<30 V，直流不超過<60 V。

（4）接觸電流和電荷的限定：當(dāng)用保護(hù)阻抗作為防觸電保護(hù)的措施，要求通過模擬人體的漏電流，交流<0.5 mA，直流<2 mA。同時(shí)2 個(gè)可同時(shí)接觸到的金屬導(dǎo)體之間的儲存電荷<50 μC。

根據(jù)IEC 61851 的防觸電保護(hù)的要求，充電設(shè)備不能有外露可觸及人體的危險(xiǎn)帶電體，并且所有不需要工具即可去除的部件要全部去除再考核。

當(dāng)充電設(shè)備和電動汽車斷開或和電源斷開，可接觸的金屬導(dǎo)體之間或可接觸的金屬導(dǎo)體和地之間的電壓<30 V，直流<60 V，同時(shí)儲存能量E<20 J，如果大于以上數(shù)值，必須有警告標(biāo)志在相應(yīng)的地方。主要針對在充電設(shè)備和電動汽車斷開或和電源斷開后可觸及的金屬部件，如電源插頭插針，充電連接器的插針等。

式中 E——能量，J

C——電容量，μF

U——電壓，V

2.2 間接觸電的防護(hù)要求

電防護(hù)的基本原則是電氣設(shè)備在正常條件下或在一個(gè)故障條件下使用時(shí)，危險(xiǎn)帶電體不能被觸及，可觸及的導(dǎo)電體不能成為帶電體。正常條件下防觸電保護(hù)稱為基本保護(hù)，即直接電擊的防護(hù)，具體要求在2.1 節(jié)已經(jīng)介紹，在一個(gè)故障條件下的防觸電保護(hù)，稱為故障保護(hù)，即間接觸電的防護(hù)。

根據(jù)IEC 61851 的要求，間接觸電的防護(hù)要求包含以下一個(gè)或幾個(gè)措施：附加或加強(qiáng)絕緣，保護(hù)等電位連接，保護(hù)屏蔽，自動切斷電源，簡單隔離等。

（1）附加絕緣：除基本絕緣以外的獨(dú)立的絕緣，起到故障保護(hù)的作用，即基本絕緣一旦失效，附加絕緣作為防觸電的絕緣保護(hù)。

（2）加強(qiáng)絕緣：危險(xiǎn)帶電體的絕緣，它提供和雙重絕緣（基本絕緣+附加絕緣）同等效果的防觸電保護(hù)。

（3）保護(hù)等電位連接：出于安全的原因，等電位的連接，使各個(gè)可接觸的金屬部件處于同一電位上（圖1）。

（4）簡單隔離：電路之間或電路和接地之間通過基本絕緣的方式隔離。

（5）保護(hù)屏蔽：和危險(xiǎn)帶電體的隔離通過插入一個(gè)導(dǎo)電屏蔽物，它連接外部保護(hù)接地線。

（6）自動切斷電源：當(dāng)TN 系統(tǒng)或TT 系統(tǒng)電氣裝置內(nèi)某一點(diǎn)發(fā)生接地故障時(shí)，該點(diǎn)的電源應(yīng)由一防護(hù)電器自動及時(shí)切斷，使電氣裝置內(nèi)由此引起的危險(xiǎn)接觸電壓不持續(xù)存在。由于IT系統(tǒng)對地呈高阻抗，通常第一次接地故障并不要求切斷電源，當(dāng)?shù)诙伟l(fā)生異相接地故障后，才要求切斷電源（圖2～圖4）。

圖1 等電位連接示意

2.3 附加防護(hù)

為了避免直接防護(hù)或間接防護(hù)失效的情況，或使用者操作不當(dāng)?shù)那闆r，引起間接觸電，充電樁要求有附加防護(hù)，漏電保護(hù)器RCD（IΔn≤30 mA）應(yīng)作為電動汽車傳導(dǎo)供電設(shè)備接地系統(tǒng)的一部分，RCD 的漏電脫扣特性至少Type A，并且符合 IEC 60364—4—41 的要求（5 IΔn 動作時(shí)間不超過40 ms）。

圖2 TN 系統(tǒng)接地故障示意

圖3 TT 系統(tǒng)接地故障示意

2.4 防觸電保護(hù)措施設(shè)計(jì)的基本原則

防觸電保護(hù)的要求是充電樁在正常使用時(shí)或在一個(gè)故障的情況下，危險(xiǎn)帶電體不能觸及，并且可觸及的導(dǎo)電體不能成為危險(xiǎn)帶電體。這就要求防觸電保護(hù)系統(tǒng)至少須要2 個(gè)獨(dú)立的互不影響的保護(hù)措施（加強(qiáng)絕緣除外），所謂互不影響是指2 個(gè)獨(dú)立的保護(hù)措施不太可能同時(shí)失效，所以2 個(gè)措施同時(shí)失效的情況一般無需考慮，安全可靠地建立在其中一個(gè)措施始終有效的基礎(chǔ)上。充電樁一般都設(shè)計(jì)為I 類電器。

圖4 IT 系統(tǒng)接地故障示意

I 類電器的防觸電保護(hù)不僅僅依靠基本絕緣，把導(dǎo)電的可接觸部分連到固定布線的保護(hù)接地線，以防萬一基本絕緣失效，導(dǎo)電可接觸部分也不會帶電。

I 類電器的防觸電保護(hù)須要電器的結(jié)構(gòu)和電氣安裝方式結(jié)合起來，協(xié)調(diào)配合。在TN 系統(tǒng)或TT 系統(tǒng)中，如果發(fā)生基本絕緣失效，帶電體碰到外殼，由于金屬外殼通過PE 線和建筑電氣布線的接地排連接，而接地排又已經(jīng)和樓面地面的金屬結(jié)構(gòu)件作了等電位連接，所以外殼的故障電壓被限制在了相對較低的電壓值，同時(shí)相線，電器外殼，連接電器外殼的PE 線，建筑電氣布線的PE 線，PEN 線及變壓器的中心點(diǎn)形成回路，這樣故障電流流經(jīng)回路中的保護(hù)電器如過流保護(hù)器或剩余電流保護(hù)器，電流一旦達(dá)到或超過保護(hù)電器的動作電流值，保護(hù)電器立刻切斷電源，這就是標(biāo)準(zhǔn)上定義的附加保護(hù)措施。

3 結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)分析充電樁防觸電保護(hù)的要求

由于充電樁在工作狀態(tài)時(shí)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(hù)措施，還需要檢測電動汽車的安全狀況，一旦發(fā)現(xiàn)電動汽車絕緣破壞應(yīng)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，必須確認(rèn)完全連接，并持續(xù)檢測電動汽車的接地線是否和充電樁的接地保護(hù)線可靠地連接在一起。這里分別列舉一個(gè)交流充電樁和一個(gè)直流充電樁的連接和充電過程來分析防觸電保護(hù)措施的運(yùn)用。

3.1 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(diǎn)1，2 是單相電源的L，N 線的連接點(diǎn)，連接點(diǎn)3 是接地保護(hù)連接點(diǎn)，連接點(diǎn)4 是控制導(dǎo)引連接點(diǎn)，連接點(diǎn)5 是位置檢測連接點(diǎn)。圖中R4，R5，R6，R7和開關(guān)S3 組成位置檢測的功能。當(dāng)充電樁和電動汽車完全連接后，測試點(diǎn)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(fā)生變化，這樣檢測電路根據(jù)電壓的變化可判斷充電樁和電動汽車是否已經(jīng)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(guān)，在正常連接時(shí)，R7 是被短路的，當(dāng)要斷開連接時(shí)，由于S3 和連接器的機(jī)械聯(lián)鎖組合在一起，必須要斷開S3，這樣R7 就并聯(lián)在位置檢測電路上，測試點(diǎn)1 的電壓發(fā)生變化，檢測電路根據(jù)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(shí)切斷充電電流，防止電弧危險(xiǎn)及危險(xiǎn)帶電體被觸及（參見2.1）。

圖5 是一個(gè)典型的I 類充電樁，連接方式C，充電模式3 的電氣線路。I 類充電樁采用了基本絕緣加接地保護(hù)（室內(nèi)建筑物內(nèi)，可以認(rèn)為是等電位連接）的防電擊保護(hù)措施，所以對于固定安裝的充電樁（充電模式3），室內(nèi)的固定安裝布線和充電樁本身的絕緣要求同樣重要。

同樣在弱電線路（控制導(dǎo)引電路12 V）和 強(qiáng)電線路（充電線路220 V）的絕緣要求上，標(biāo)準(zhǔn)要求控制導(dǎo)引線路必須是安全特低電壓供電，這樣就基本上排除了控制電路絕緣失效，引發(fā)觸電危險(xiǎn)的可能性。

在充電的過程中，充電樁的標(biāo)準(zhǔn)不僅考慮到充電樁的電擊防護(hù)，還要考慮到汽車的電擊防護(hù)，控制導(dǎo)引電路在安全方面起到了至關(guān)重要的作用。除了上述的連接確認(rèn)之外，在充電過程中它還須要持續(xù)監(jiān)控接地連續(xù)性。當(dāng)接地線斷開，標(biāo)準(zhǔn)要求充電樁在100 ms 內(nèi)切斷電源。標(biāo)準(zhǔn)之所以關(guān)注接地連續(xù)性，原因是如果失去了接地連續(xù)性，電動汽車就失去了等電位連接的效果，一旦電動汽車內(nèi)部的電氣絕緣失效，故障電壓就會全部反應(yīng)到金屬車架上，同時(shí)也失去了自動切斷電源的回路，使用者將直面電擊的危險(xiǎn)。

圖5 交流充電的典型控制導(dǎo)引電路

圖6 直流充電控制導(dǎo)引電路

針對交流充電樁，標(biāo)準(zhǔn)上特別規(guī)定必須配備漏電保護(hù)器，這是因?yàn)槌潆娺B接線路為供電裝置-固定布線-交流充電樁-充電電纜組件-電動汽車已經(jīng)構(gòu)成了故障電流的回路，給漏電保護(hù)器的檢測創(chuàng)造了條件，這樣如果一旦充電樁或電動汽車絕緣失效，金屬外殼的故障電流就會通過接地線流回電源，漏電保護(hù)器便能檢測到漏電流的大小，當(dāng)超過規(guī)定的要求如30mA，漏電保護(hù)器就會自動切斷電源。這樣在還沒有引發(fā)電擊事故前，故障電源就已經(jīng)切斷了，這就是標(biāo)準(zhǔn)上提到的所謂的附加保護(hù)措施，即自動斷電措施。

3.2 直流充電樁的連接

直流充電樁分為隔離直流充電機(jī)和非隔離直流充電機(jī)，所謂的隔離直流充電樁是指直流輸出電路和電源交流側(cè)至少是基本絕緣，目前電動汽車充電樁的安全標(biāo)準(zhǔn)主要針對隔離直流充電樁。在直流充電樁的安規(guī)標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)調(diào)了必須采用自動切斷電源的保護(hù)措施，同時(shí)要求直流充電樁應(yīng)和交流電源側(cè)中的A 型漏電保護(hù)器相兼容。在控制導(dǎo)引方面的防觸電保護(hù)，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：

式中U 為直流充電樁的額定輸出電壓。

圖6 是采用B 系統(tǒng)的直流充電樁，國標(biāo)目前就采用這個(gè)系統(tǒng)。從圖可知直流充電樁由非車載充電機(jī)控制器，R1，R2，R3，R4 和R5，開關(guān)S，交流供電電路，接觸器K0，隔離變壓器T，AC/DC 逆變器，直流供電回路接觸器K1 和K2，低壓輔助供電回路接觸器K3 和K4，充電回路接觸器K5 和K6 以及車輛控制裝置組成。當(dāng)連接器插入汽車的插座，位置檢測的功能將被激活，即檢測點(diǎn)2 的電壓由12 V 變成6 V，電動汽車確認(rèn)充電連接器的插入。當(dāng)操作人員對非車載充電機(jī)進(jìn)行充電設(shè)置后，非車載充電機(jī)控制裝置通過測量檢測點(diǎn)1的電壓值判斷連接器與車輛插座是否已完全連接，如檢測點(diǎn)1電壓值為4 V，則判斷車輛接口完全連接。只有在充電樁和電動汽車的控制器均確認(rèn)連接后，電動汽車的控制器才能啟動下一階段的充電程序，這樣防止在充電連接的過程中出現(xiàn)電擊。

防電擊保護(hù)，交流側(cè)沿用了交流充電樁的基本要求，充電樁的金屬外殼必須和保護(hù)接地相連，實(shí)現(xiàn)等電位和自動故障斷電。直流側(cè)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(jiān)測器，它的目的在于監(jiān)測直流輸出端和地的絕緣情況。當(dāng)直流電流由隔離變壓器輸出時(shí)，變壓器次級的電路和地之間實(shí)際形成了IT 系統(tǒng)，當(dāng)直流端和地發(fā)生第一次絕緣故障時(shí)，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(fā)斷路器或漏電保護(hù)器動作，如果不加以監(jiān)測，那么這個(gè)故障就會作為一個(gè)隱患保留下來，潛在的風(fēng)險(xiǎn)很大。所以在正式充電前還要進(jìn)行絕緣電阻的監(jiān)測，絕緣電阻值不能小于式（1）計(jì)算出來的值，否則就不允許充電。

當(dāng)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全。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。

4 結(jié)語

防觸電保護(hù)只是安全防護(hù)的一個(gè)方面，充電樁的安全防護(hù)還包括過載防護(hù)、短路防護(hù)、浪涌保護(hù)、機(jī)械防護(hù)等。充電樁安全標(biāo)準(zhǔn)上的所有要求都圍繞著上述防護(hù)的要求而展開。需要強(qiáng)調(diào)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(chǎn)品上采取的措施往往并不能完全滿足安全的要求，還需要在電氣裝置的設(shè)計(jì)和安裝上補(bǔ)充一些必要的安全措施。產(chǎn)品設(shè)計(jì)和電氣安裝設(shè)計(jì)通常是協(xié)調(diào)配合，相輔相成。