Monitorowanie prądów upływu w stacjach ładowania pojazdów elektrycznych

Dożyliśmy czasów, w których upowszechnia się idea pojazdów napędzanych energią elektryczną zgromadzoną w akumulatorach. Aby je naładować, należy podłączyć pojazd do stacji ładowania. Urządzenia ładujące prądem stałym umożliwiają uzupełnienie energii w krótkim czasie, niemniej jednak są dość skomplikowane, duże i drogie. Dlatego ich uzupełnieniem jest infrastruktura do ładowania prądem zmiennym, dostępnym z instalacji jedno- lub trójfazowej praktycznie w każdym miejscu.

Ich ograniczeniem co prawda jest wydłużony czas ładowania, ale sprawdzają się idealnie w przypadku zaparkowania pojazdu pod domem/w garażu, na parkingu przy pracy lub w centrum handlowym, gdzie spędzamy dłuższą chwilę na zakupach. Tego typu prywatne lub komercyjne punkty ładowania mają zazwyczaj moc do 22 kW. Dostarczane dzięki nim napięcie zmienne jest przekształcane przez układy energoelektroniczne znajdujące się w samochodzie na prąd stały, który ładuje wbudowane w niego akumulatory.

Wyłącznik różnicowoprądowy

Fot. 1. Moduły EV RCM dostępne są w dwóch wariantach. Z jednym przekładnikiem (dla prostych, np. domowych stacji ładowania) oraz z dwoma przekładnikami z niezależnymi wyjściami (np. dla słupków ładowania montowanych na parkingach, dostępnych z dwóch stron)

Wydawałoby się, że zainstalowanie zwykłej "różnicówki" (RCD typ A) pozwoli zabezpieczyć stację ładowania przed groźnymi prądami upływu i jej użytkownika przed porażeniem. Tak, o ile nie zostanie do niej podłączony pojazd elektryczny. Jeśli będziemy traktować stację ładowania jako odrębne urządzenie, to możemy uważać, że wystarczy nam zwykła różnicówka, bo w grę wchodzi tylko upływ prądów zmiennych.

Jednak po podłączeniu auta układ nam się komplikuje, gdyż mamy wtedy dochodzące do tego ryzyko upływu prądu stałego. Może się tak wydarzyć np. w przypadku uszkodzenia izolacji przewodów instalacji stałoprądowej w pojeździe, problemami z akumulatorem, czy uszkodzeniem wbudowanej w pojazd energoelektroniki. Poprzez połączone masy układu może popłynąć prąd stały. A czym to skutkuje? Bardzo poważnymi konsekwencjami.

Konstrukcja wyłącznika różnicoprądowego typu A, funkcjonująca w praktycznie niezmienionej formie od około 100 lat, oparta jest na prostej zasadzie przekładnika Ferrantiego. Przewody fazowe i neutralny przechodzą przez środek rdzenia magnetycznego, na którym nawinięta jest cewka. W przypadku normalnej pracy wektorowa suma prądów sinusoidalnych jest równa zeru. W cewce nie indukuje się żaden prąd, dzięki czemu styki przekaźnika podłączonego do niej pozostają w stanie zamkniętym.

Kiedy pojawi się prąd upływu na którymkolwiek przewodzie, równowaga prądów przechodzących przez przekładnik zostanie zachwiana i pojawi się siła elektromotoryczna wyzwalająca styki, odłączając napięcie od zasilanego obwodu. Konstrukcja ta, choć niezawodna w swej prostocie, ma jednak jedną wadę.

Jeśli w którymkolwiek przewodzie popłynie minimalny prąd stały (np. ze wspomnianego wcześniej upływu poprzez uszkodzenie izolacji kabla DC wewnątrz auta), spowoduje on nasycenie się rdzenia przekładnika, zakłócając tym jego działanie (zmniejszenie czułości). W takim przypadku upływ prądu zmiennego przechodzącego przez rdzeń nie zostanie zarejestrowany przez cewkę. Czyli - nie nastąpi odłączenie niebezpiecznego napięcia, jeśli wystąpi usterka w obwodzie AC.

RCD typ B?

Fot. 2. Przykład obwodu stacji ładowania AC z zastosowanym modułem EV RCM oraz standardowym wyłącznikiem RCD typ A. Pojawiający się w skrajnych sytuacjach prąd stały IF (np. na skutek zwarcia potencjału DC z przewodami zasilającymi przetwornik w aucie) zostaje wykryty przez cewkę modułu EV RCM i sterownik automatycznie przerywa obwód AC, rozłączając stycznik. W razie wystąpienia upływu w części AC, dzięki niezakłócaniu poprzez składową stałą, zadziała wyłącznik różnicowoprądowy

Radą na to może się wydawać zastosowanie RCD typu B, który jest w stanie wykryć występującą składową stałą i odpowiednio zadziałać. Jednak z punktu ekonomii jest to dość drogie rozwiązanie. O ile RCD typu A kosztuje od kilkudziesięciu do kilkuset złotych, o tyle rynkowe ceny wyłączników różnicowoprądowych typu B, z racji swojej bardziej skomplikowanej konstrukcji, są nawet dziesięciokrotnie wyższe (do kilku tys. zł).

Czy jest więc inna opcja? Można zastosować element monitorujący wystąpienie składowej stałej. Przykładem takich urządzeń, przeznaczonych do stacji ładowania AC, jest seria EVRCM dostępna w ofercie akcesoriów firmy Phoenix Contact.

Przykładowy moduł EV-RCM składa się z dwóch elementów - cewki zakładanej na przewody AC, wychodzące ze stacji ładowania do pojazdu, oraz modułu elektronicznego. Po wykryciu minimalnego stałego prądu (6 mA) wysyła on sygnał alarmowy do sterownika, który może uniemożliwić załączenie ładowania lub przerwać proces, jeśli takowy upływ wystąpi w jego trakcie.

Informacja ze sterownika może zostać przekazana do interfejsu zewnętrznego ładowarki, sugerując udanie się z pojazdem do serwisu w celu naprawy awarii. Dzięki wyeliminowaniu możliwości trwałego pojawienia się składowej stałej w przewodach AC, w stacji ładowania można bezpiecznie zastosować standardowy RCD typu A. Łączny koszt takiego wyłącznika różnicowoprądowego oraz modułu EV RCM jest kilkukrotnie niższy niż RCD typ B.

Sprawność infrastruktury punktów ładowania jest kluczowa, gdyż poza generowaniem zysków dla jej operatora, skutecznie przyczynia się do popularyzacji elektromobilności. Nic nie irytuje bardziej jak konieczność "zatankowania" pojazdu i trafienie na niedziałający "dystrybutor paliwa". Rozwiązanie monitorujące stałe prądy upływu przyczynia się do wzrostu niezawodności słupków ładowania prądem stałym, przy jednocześnie rozsądnym podejściu kosztowym przy ich konstrukcji.

Piotr Andrzejewski
Phoenix Contact
www.phoenixcontact.pl