Czujniki prądu upływu do stacji ładowania pojazdów elektrycznych

Wyłącznik RCD porównuje, czy prąd wypływający z chronionego obwodu linią neutralną (N) jest równy dokładnie wartości, która wpłynęła linią fazową L. Jakikolwiek brak równowagi oznacza, że gdzieś w instalacji prąd popłynął w sposób niekontrolowany, np. do ziemi przez osobę, która dotknęła przewodu L. Wyłącznik różnicowoprądowy zwykle rozłącza obwód przy prądzie upływu 30 mA. Taką wartość przyjęto, gdyż przemienny prąd sieciowy staje się potencjalnie śmiertelny dla ludzi powyżej natężenia 50 mA. Statystyki wypadków zebrane przez niemieckie stowarzyszenie VDE pokazują, jak duże znaczenie ma sprawna i nowoczesna instalacja elektryczna w zakresie ochrony życia mieszkańców. W 1970 roku zarejestrowano ponad 250 śmiertelnych wypadków wywołanych porażeniem prądem elektrycznym, w 2018 roku liczba ta zmalała do zaledwie 43.

Bezpieczeństwo podczas ładowania samochodu elektrycznego

Wielka zmiana technologiczna w transporcie już się rozpoczęła i wydaje się, że zmiany są już przesądzone: samochody osobowe z silnikami spalinowymi zostaną zastąpione wersjami z napędem elektrycznym. Aby to było możliwe, muszą powstać stacje ładowania takich samochodów, w postaci specjalizowanych urządzeń montowanych na zewnątrz przy drogach oraz w formie skrzynek ściennych montowanych w warsztatach, garażach itp. Ponieważ pojazdów elektrycznych jest coraz więcej, przybywa też chętnych do kupna ładowarek ściennych, bo każdy chce wygodnie ładować swój samochód przez noc w domu lub w czasie pracy na firmowym parkingu. W rezultacie publiczne płatne stacje ładowania i koszty, które się z nimi wiążą, są istotne tylko w przypadku podróży na duże odległości.

Wiele ładowarek uwypukla znaczenie bezpieczeństwa. Podczas pracy w ich obwodach płyną ogromne prądy, a uszkodzenia izolacji z uwagi na wysokie napięcia mogą wywołać duże prądy upływu, które nie tylko oznaczają możliwość porażenia ludzi i zwierząt, ale także tworzą ryzyko pożaru.

Ten problem został rozwiązany w Europie i niektórych innych częściach świata za pomocą normy IEC 62752: 2016 pt. Zintegrowane z przewodem urządzenia sterownicze i zabezpieczające do ładowania w trybie 2 pojazdów elektrycznych (ICCPD). Wymagają one dla ładowania w trybie 2 za pomocą kabla nie tylko wykrywania i wyłączania zasilania w przypadku wystąpienia prądów upływowych AC powyżej 30 mA, ale także prądów upływowych DC powyżej 6 mA. Ponieważ stacje, ładując, mają zintegrowane takie zabezpieczenia przed prądem upływowym, bo wymaga tego norma, instalacja domowa wymaga jedynie użycia niedrogiego wyłącznika RCD typu A.

Zintegrowane nowoczesne rozwiązanie zgodne z normami

Do takich zastosowań kierowany jest specjalizowany detektor prądu upływu FG-R05-3A firmy Kemet. To pierwszy z całej serii tego typu sensorów, który jest zgodny z normą IEC 62752 i charakteryzuje się kompaktową konstrukcją zajmującą bardzo mało miejsca.

Od stycznia 2022 r. będzie obowiązywać dodatkowa norma, która będzie definiować ładowanie pojazdów w trybie 3 za pomocą ściennych ładowarek AC – IEC 62955: 2018 pt. Detektor stałego prądu resztkowego (RDC-DD) do użytku w trybie 3 ładowania pojazdów elektrycznych. Norma zmieni progi wyzwalania wyłączników RCD z uwagi na to, że maksymalny możliwy prąd ładowania z takich ściennych urządzeń wzrośnie powyżej 100A. Prąd upływu DC pozostanie dalej na poziomie 6 mA, ale dla AC poziom aktywacji wzrasta do 60 mA.

Czujniki prądu upływu o takich parametrach będą niedługo dostępne w ofercie firmy Kemet. Ich prąd znamionowy sięgnie 40 A dla wersji do sieci trójfazowych i 80 A do układów jednofazowych. Oznacza to, że nadają się one do stacji ładowania o mocy do ok. 22 kW. Czujniki są też kompatybilne z wcześniejszymi wersjami dla trybu drugiego ładowania, zarówno mechanicznie, jak i elektrycznie, co ułatwia ich aplikację i pozwala już dzisiaj zacząć pracę nad nowymi produktami, tak aby po wejściu w życie nowej normy można było zaproponować zgodne z nią urządzenia za pomocą prostej wymiany elementu w BOM, bez konieczności modyfikowania układu.

Konstrukcja i funkcjonalność

Czujnik składa się z cewki sprzęgającej i układu ASIC, który zawiera obwody analizujące. Cewka jest przylutowana do PCB jako element typu THT, co zapewnia niezawodność i małe wymiary. Kabel ładujący przechodzi przez otwór wykonany w obudowie czujnika, co zapewnia bezpieczeństwo użytkowania. Jednocześnie cewka jest elementem generatora pomiarowego i brak symetrii w prądzie płynącym przez kabel ładowania wywołuje odstrojenie wykonanego na niej oscylatora od rezonansu i spadek amplitudy oscylacji. Ten spadek jest wykrywany przez detektor pomiarowy w układzie ASIC.

W ten sposób można określić nie tylko wartość prądu upływu, ale także wyznaczyć jego kierunek, co jest bardzo cenną informacją dla serwisu i diagnostyki błędów. Układ elektroniczny jest zasilany napięciem 5 V i na wyjściu wystawia logiczną jedynkę, sygnalizując przekroczenie wartości progowej prądu upływu AC lub DC. Wyjście to łatwo można połączyć ze stycznikiem i zrealizować automatyczne odłączanie kabla ładującego.

Dodatkowo czujnik ma też wyjście analogowe, na którym pojawia się sygnał napięciowy proporcjonalny do prądu upływu DC. Nałożona na niego jest składowa zmienna równoważna prądowi upływu AC, dzięki czemu kontroler ładowania może monitorować oba prądy upływowe naraz, posługując się wartością średnią dla DC lub odfiltrowaną składową przemienną dla AC. Dzięki temu możliwa jest realizacja diagnostyki predykcyjnej, a więc zapewnienie reakcji układu kontrolnego jeszcze przed wyzwoleniem alarmu.

Zbudowany na bazie takiego czujnika wyłącznik RCD nie tylko pozwala spełnić wymagania światowych standardów bezpieczeństwa stacji ładowania elektromobilności, ale także zapewnia kompaktowe, zintegrowane i przyszłościowe rozwiązanie problemu kontroli prądu upływu w ładowarkach dużej mocy.

Pawel Pajda, Sales Engineer Active Components

CODICO Poland
tel. 12 4171083 wew. 21
Pawel.Pajda@codico.com
www.codico.com