Wykorzystanie monitorów prądów resztkowych do zapewnienia bezpieczeństwa elektrycznego podczas ładowania pojazdów elektrycznych

Instalowanie wyłączników różnicowoprądowych (RCD) w obwodzie ładowania pojazdów elektrycznych (EV)

Wyłączniki różnicowoprądowe (RCD) typu A i typu F wykrywają tylko prąd resztkowy zmienny i prąd impulsowy stały, co jest niewystarczające do ochrony obwodu ładowania pojazdu elektrycznego (EV). Należy również wziąć pod uwagę szeroki zakres prostych prądów resztkowych stałych, które mogą występować w ładowarce wbudowanej lub w systemie zarządzania bateriami.

Dlatego norma IEC 62196 definiuje dwie opcje zabezpieczenia przed prądami resztkowymi: zastosowanie czułego na wszystkie prądy wyłącznika różnicowoprądowego (RCD) typu B (lub typu B+) lub wyłącznika różnicowoprądowego (RCD) typu A w połączeniu z systemem monitorowania prądów resztkowych stałych zgodnym z normą IEC 62955 z IΔn ≥ 6mA. Monitorowanie prądów zakłóceniowych stałych może być umieszczone w puszce ściennej, w instalacji elektrycznej budynku lub w obu tych lokalizacjach.

Ponieważ wyłączniki różnicowoprądowe (RCD) typu A i typu F czułe na prądy zmienne są zwykle obecne w instalacjach elektrycznych budynków, projektanci mogą w ekonomiczny sposób zainstalować dodatkowe monitorowanie prądów resztkowych stałych 6mA w puszkach ściennych lub stacjach ładowania w trybie 3, a także w sterownikach wewnątrzkablowych (ICCB) dla trybu 2 (ilustracja 1, przypadki 2 i 3).

Ilustracja 1: Urządzenia do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE) muszą być wyposażone w dodatkowy monitor prądów resztkowych (RCM) stałych za czułym na prądy zmienne wyłącznikiem różnicowoprądowym (RCD) typu A (przypadek 2) lub wymagają podłączenia do sieci prądu zmiennego bezpośrednio przez wyłącznik różnicowoprądowy (RCD) typu B (przypadek 4). (Źródło ilustracji: goingelectric.de)

Tryby ładowania pojazdów elektrycznych

Baterię pojazdu elektrycznego można ładować za pomocą różnych trybów, w zależności od dostępnego na miejscu podłączenia zasilania, wtyczki połączeniowej, kabla ładującego oraz technologii ładowania zainstalowanej w pojeździe, a także w stacji ładowania. W Europie energia elektryczna może być dostarczana do pojazdu za pośrednictwem jednofazowego prądu zmiennego (230V/3,6kW), trójfazowego prądu zmiennego (400V/22kW) lub za pośrednictwem stacji ładowania prądu stałego wysokiego napięcia (do 1000V=/500kW). Ilustracja 2 przedstawia cztery tryby ładowania określone w normie IEC 61851.

Ilustracja 2: Ilustracja przedstawiająca cztery tryby ładowania zdefiniowane w normie IEC 61851. (Źródło ilustracji: bestchargers.eu)

Tryb 1 (jednofazowe ładowanie prądem zmiennym do 3,6kW - domyślny tryb ładowania)

W takim przypadku pojazd elektryczny lub hybrydowy podłącza się do standardowego domowego gniazdka 230V za pomocą prostego kabla pasywnego i ładuje przy użyciu niskiej mocy, maksymalnie 3,6kW, za pośrednictwem ładowarki wbudowanej. Ten scenariusz ładowania nie zapewnia wystarczającej ochrony użytkownika przed prądami resztkowymi stałymi. Zwykle w instalacji elektrycznej budynku instalowany jest tylko wyłącznik różnicowoprądowy (RCD) typu A czuły na prądy zmienne.

Tryb 2 (jedno-/trójfazowe ładowanie prądem zmiennym o mocy do 22kW za pomocą kabla ładującego ze sterownikiem wewnątrzkablowym (ICCB))

Aby zapobiec przeciążeniom, kabel do ładowania w trybie 2, wyposażony we wtyczkę pojazdową typu 2, posiada sterownik wewnątrzkablowy (ICCB), który pełni funkcje bezpieczeństwa i komunikacji podczas ładowania pojazdów elektrycznych z gniazd domowych i trójfazowych.

W sterowniku wewnątrzkablowym (ICCB) muszą być zintegrowane następujące funkcje zabezpieczeniowe:

• Ustalenie biegunowości i monitorowanie żyły ochronnej (PC). Dopuszczalna impedancja pętli pomiędzy żyłą neutralną i złączem PC może wynosić tylko kilka omów.
• Próba występowania połączenia elektrycznego pomiędzy złączem PC i metalowym korpusem.
• Wyłączniki różnicowoprądowe prądu zmiennego i stałego zapobiegają wypadkom związanym z prądem.
• Monitorowanie i wyłączanie procesu ładowania w przypadku wystąpienia anomalii (na przykład wahań prądu spowodowanych korozją styków wtyczki lub zerwania kabla).
• Monitorowanie temperatury w sterowniku wewnątrzkablowym (ICCB) i w obu wtyczkach oraz wyłączenie w razie potrzeby.
• Sterowanie mocą ładowania: rezystory ściągające na przewodzie sterująco-pilotowym (CP), które przekazują informacje o prądzie znamionowym kabla zarówno do puszki ściennej, jak i do pojazdu elektrycznego. Sygnał modulacji szerokości impulsu (PWM) na przewodzie sterowania ładowaniem (CC) przekazuje do pojazdu elektrycznego informacje o mocy ładowania puszki ściennej.

Tryb 3 (jednofazowe/trójfazowe ładowanie prądem zmiennym o mocy do 22kW za pomocą puszki ściennej)

W przypadku ładowania pojazdów elektrycznych, pasywny kabel trybu 3 podłącza się do puszki ściennej w prywatnych gospodarstwach domowych lub do publicznej stacji ładowania prądem zmiennym na parkingach. Obydwie posiadają te same zintegrowane funkcje zabezpieczające, jak opisany powyżej sterownik wewnątrzkablowy (ICCB).

Tryb 4 (bezpośrednie szybkie ładowanie baterii prądem stałym do 500kW)

Stacje ładowarek dużej mocy prądu stałego (DC/HPC) do pojazdów elektrycznych dostarczają znacznie wyższe prądy ładowania w porównaniu z ładowaniem w trybie 2 i trybie 3. W tę superładowarkę wbudowana jest ochrona przed porażeniem prądami resztkowymi zmiennymi i stałymi. Różne kable ładujące są do niej trwale przymocowane.