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直流充电桩的绝缘检测

点击次数:4019  更新时间:2022-03-11

直流充电桩的绝缘检测



一、  安全和绝缘的基本概念


直流充电系统中安全和绝缘的相关概念,看似简单、基础,但很多充电桩的从业人员还处在懵憧的状态。 这些基本概念包括:安全、触电、I类设备、剩余电流断路器(RCD)、保护接地、绝缘电阻、介电强度泄露电流、漏电流、接触电流、保护导体电流、剩余电流等。值得研究。
现将我们整理的内容编辑如下:


安全


电气产品的安全要求是最基本的要求。EN60950中对安全的定义:“产品的设计和结构必须能够保证在正常使用和可能的失效条件下, 不会对使用者产生触电和其它危险, 且不会对周围环境产生危害,如火灾等。"


触电


触电造成的人体伤害分为电伤和电击。电伤是指人体外表局部直接或间接地受到电流的伤害,形式有灼(烧)伤、电烙印、皮肤金属化等。电击是指电流通过人体内部时,人体的内部器官(如心脏等)受到的伤害,它是最危险的触电伤害。
人体作为一个“导电体",接触到带电导体时,如果流过的电流为40-50mA,且维持时间为1s,就会对人体产生电击伤害。人体电阻模型复杂,我国制定接地设计相关标准和规程时,给出的人体阻值范围是1000-1500 Ohm。人体能承受的交流峰值不超过42.4V ,直流电压不超过60V。
触电分为直接触电间接触电。直接触电是指人员直接接触电气设备的正常带电导体而造成的触电。直流充电桩采取的基本绝缘设计可防止这一点。间接触电是指因电气设备的内部绝缘故障造成的、正常情况下不带电的金属外壳等外露可导电部分带有危险电压,一旦人员触及故障设备的外露导电部分时造成的触电。直流充电桩是I类设备,在交流侧可有效防止间接触电。


I类设备


I类设备的概念如图1所示。 I 类设备具有金属外壳,在基本绝缘失效后,带危险电压的导电零部件与建筑物配线中的保护接地导体(PE)相连; 外壳电位因接地而大大降低,同时经保护接地导体构成的接地通路也可使产生的接地故障电流(一般称为“漏电流"),这时回路上的防护电器(一般是采用“剩余电流断路器RCD,俗称漏电空开)检测出故障电流而及时切断电源。增加接地措施后,由于接触电压的降低,人体通过电流时间的缩短,发生心室纤颤导致电击死亡的危险大大减少。
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图 1   I类设备的概念


剩余电流断路器(RCD)


机壳带电后,机壳和PE之间流过的电流超过了RCD的动作电流,RCD产生动作,断开交流输入,从而保证人体安全。
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图2    单相和三相RCD工作原理
图2为RCD的工作原理。任何一相线和外壳之间“短路",外壳是连接到PE的,Id的电流就不再为0,漏电保护器的零序电流互感器的铁芯中就会产生磁通,漏电保护器产生动作,断开交流输入,这种是间接触电保护。如果没有接地,Id就始终为0,漏电保护器不产生动作。没有接地保护时,相线和外壳短路,人体触碰外壳,流过人体的电流可能引起漏电保护器动作,但这种直接触电保护可能会造成人身安全事故。


保护接地


如上所述,I类设备的安全保护强烈依赖于“保护接地"。保护接地是重要的安全屏障。漏电电流大于安全门限值,则漏电开关就会动作,实现漏电保护。如果外壳未接地,就不存在接地电流,相线电流与N线电流当然也大小相等方向相反,它们的和与正常运行是一致的,漏电开关不动作。这样一来,在出现外壳与高压电触碰时,人触及外壳,就会发生触电事故。保护地的重要性:地线为漏电流提供了一条通路,确保了漏电开关能够动作,确保了不会发生人身触电事故。
在直流充电桩的相关标准中,和“保护接地"相关的文本描述包括:
1)标准GB/T 18487.1-2015、《电动汽车传导充电系统第1部分:通用要求》中对保护接地等相关术语定义如下:
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2)同时,标准GB/T 18487.1-2015、《电动汽车传导充电系统第1部分:通用要求》中要求充电桩必须具备保护接地导体的连续性检测功能
3)在标准GB/T 34657.1-2017,《电动汽车传导充电互操作性测试规范 第1部分:供电设备》中对保护接地导体连续性丢失测试的方法步骤以及评判标准做了如下规定:
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4)在标准 NB/T 33001-2018、《电动汽车非车载传导式充电机技术条件》中对充电机的接地有如下要求:
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5) 在标准GBT 20234.1-2015 、《电动汽车传导充电用连接装置 第1部分 通用要求》中对接地措施有如下要求:
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绝缘电阻


直流充电系统的核心部件是充电模块。充电模块的输入是交流,输出是直流,输入和输出之间通过变压器隔离。交流侧安全属于I类设备,依靠基本绝缘、保护接地及RCD来确保安全; 直流侧安全通过充电枪头和枪线的加强绝缘、双重绝缘,以及充电过程中绝缘检测来保证。 
绝缘电阻是施加于绝缘体上两个导体之间的直流电压与流过绝缘体的泄露电流之比。一个绝缘体在施加直流电压之后,通过的电流随着时间由大到小变化。开始时含有的电流成分很多,除了泄露电流之外,还有充电电流、极化电流以及净化电流等等,这些电流都是随着时间而减小的,最后达到一个稳定的电流,这个稳定的电流,就是表征电介质本征电导的泄露电流。


介电强度


绝缘是相对的,所有绝缘材料都只能在一定的电场强度以下保持其绝缘特性,当电场强度超过一定限度时,绝缘材料便会瞬间失去绝缘特性,使整个设备破坏。介电强度是最基本的绝缘特性参数,是指材料能够承受而不至遭到破坏的最高电场场强。
介电强度试验分为两种类型,即击穿试验和耐电压试验。击穿试验是在一定试验条件下,升高电压直到试样发生击穿为止,测得击穿场强或击穿电压。耐电压试验是在一定试验条件下,对试样施加一定电压,经历一定时间,若在此时间内试样不发生击穿,即认为试样是合格的。


泄露电流、漏电流、接触电流、保护导体电流、剩余电流


泄露电流在关于绝缘电阻测量的书籍上有明确表述。漏电流是“打耐压"测量中常常提到的。两者是不是一个意思?  剩余电流是不是就是漏电流?还有接触电流、保护导体电流的实质又是什么呢?有的是口语,有的是标准上的用语?
泄露电流一般可以理解为在外电源电压的作用下,在正常工作状态或单一故障状态下产生的并流经电器绝缘部分到达金属外壳(地)的电流。相对于电器的工作电流而言,这是一种漏网电流,逃逸电流、散失电流、无定形电流。显然工作电流是电器正常运行所必须的,是沿着一定线路运行流动的电流,是有益电流,而泄露电流则并非电器正常运行所必须的,是伴随家用电器工作电流的存在而客观存在,并可能给人体带来危害的一种电流。
根据IEC60990:1999《接触电流和保护导体电流的测量方法》的定义,接触电流是当人体或动物接触一个或多个装置或设备的可触及零部件时,流过他们身体的电流。由此可看出“接触电流"定义的关键在于“接触"两字,也就是仅在人体(动物)或人体模型形成电流通路时才存在接触电流,不通过人体(动物)或人体模型形成的电流则不能称为接触电流。
国际电工委员会(IEC)根据“泄漏电流"测量方法的不同,定义了两种电流:接触电流和保护导体电流。正因为“泄露电流"已变成一种统称,用于表达若干不同的概念,如接触电流、保护导体电流、绝缘特性(绝缘漏电流)等等,所以在IEC60990:1999中“泄露电流"这一术语已不再使用。
因此从严格意义上来讲,“泄露电流"与“接触电流"不是简单的等同关系,“接触电流"术语是包含在“泄露电流"术语定义范围内的。"接触电流"是“泄露电流",而“泄露电流"不一定是“接触电流"
在标准GB 4943.1-2011《信息技术设备 第1部分:通用要求》中对接触电流保护导体电流的定义如下:
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在标准GB/T 12113-2003《接触电流和保护导体电流测量方法》中对接触电流保护导体电流的定义如下:
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剩余电流是指供电系统中导线流出的电流,有一部分没有经过导线返回,而流入大地,经大地返回到变压器低压侧中性点,称这个漏入大地的电流为剩余电流,就是我们通常所讲的漏电电流,漏电电流的取样元件均采用零序电流互感器。
在标准GB/T 6829-2017《剩余电流动作保护器(RCD)的一般要求》中对剩余电流又做了如下分类:
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绝缘漏电流指在电器产品通电时,流过不同电位导体之间绝缘材料中的电流。这个也就是我们在检测电器产品绝缘性能时提到的“漏电流"。


二、  绝缘电阻的测量方法


绝缘电阻的测量方法有多种,包括直接法、比较法、自放电法。
直接法就是直接测量施加在绝缘电阻两端的直流电压U和流过绝缘电阻的电流I,根据R=U/I计算得出。根据测量仪器的类型分为欧姆表、检流计、高阻计。
比较法是指与已知标准电阻比较,常用有电桥法和电流比较法。电桥法是在直流充电桩中常用的方法。
自放电法是让通过绝缘电阻的泄露电流对标准电容充电,测出充电一定时间和标准电容两端的电压和电荷。自放电法和信号注入法类似。
电桥法实现原理
引用参考文献3的介绍。原理图如图3所示,图中CM+、CM-为正负母线。U+、U-为正、负母线电压。Jk1、Jk2为继电开关,R为精密电阻。R+、R-为正、负母线发生绝缘故障时的对地电阻。Dt1、Dt2为高精度霍尔电流传感器,其输出电压与通过环孔的电流差成正比,并且成线性关系,所以,利用采样电流传感器输出的电压,经过换算成电流,再利用欧姆定律获得正、负母线电压U+、U-,则电源电压U=U+-U-。
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图3  电桥法绝缘检测原理
在直流系统正常工作情况下,电子继电开关Jkl、Jk2保 持闭合。R+、R- 一般趋近无穷大,此时, U+≠-U-。当发生绝缘接地故障时,则R+或R-为有限值,此时 U+≠-U-,当R+≤ R-时,则有 U+≤U-,反之亦然。如果发生R+=R-都为有限值时,即正负母线绝缘电阻同等下降,此时 U+=-U-,则需要进一步进行检测,检测步骤如下:
1)断开继电开关Jk2,保持Jkl闭合,测得正、负母线电压对地分别记为:U+1 ,U-1 ;
2)断开继电开关Jkl,保持Jk2闭合,测得正、负母线电压对地分别记为:U+2,U-2;
从而可计算获得R+、R-。
小信号注入法
RC 低频信号注入法的绝缘检测原理图如图 4 所示 ,R+ , R-分别是电动汽车的正极绝缘电阻与负极绝缘电阻 ,Battery 为电动汽车的直流电源 ,GND 为电动汽车系统底盘 。图中虚线框外即为此电动汽车系统整体模型。如果在电路中加交流电源 ,电路中内阻很小的直流电流源可视为短路 ,内阻很大的电流源可视为开路 。通常来说 ,蓄电池的内阻为 m Ω 级别 ,当电压上升后 ,电动汽车内蓄电池的内阻依然很小,依据此原则 ,当信号发生器 Gen 发出交流信号后 ,可以认为直流电压源短路 ,即有如图 5所示。
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图4  低频信号法原理
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图5  低频信号法简化电路
由于直流电压源可视为短路,正极绝缘电阻 R+与负极绝缘电阻 R- 形成一个总的并联电阻(图中为 R′)。在检测过程中 ,信号发生器发出低频方波信号后 ,可以把这个过程分为2个阶段 ,第 1 阶段发出 + 5V电压时 ,电容C为充电过程 ,第2阶段信号发生器送出0V信号 ,相当于信号发生器短路,电容 C 开始放电过程。在电容C充电时间内 ,检测电阻R′与电阻R形成分压,其中电阻R′上的对地电压为V1,电阻R上的对地电压为V2,且 V1+V2=5V,A点所采集到的电压信号如图3所示。
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图6   方波信号和A点采集信号
在图 6 中 ,选取R=1MΩ,C=0.1μF进行实验,上方信号为方波信号,下方信号为A点采集信号 ,在一个方波周期内 ,图3可分为2个区域和2个时刻 ,第1时刻如1所示 ,称作放电分压时刻 ,第2部分区域为RC放电区,第3时刻如3所示 ,其为充电分压时刻,第4部分区域为充电分压区 。   A点对地的电压信号被单片机的A/D采样模块采集,在检测中选取的就是充电分压区的跳变电压u的大小 ,再将得到的数据通过运算可以得出绝缘电阻的大小。
如图 4 所示 ,并联绝缘电阻R′两端的电压为V1,标准电阻R两端的电压为V2。
V1/V2=R'/R
V1+V2=5V
在充电的过程中 ,跳变电压u的值为V1,即
u=V1
因此:
R′/R=V1/(5-V1)
并联电阻R′ 的值可以由下面的公式计算得出:
R′=V1*R/(5-V1)


三、  直流充电桩和电动汽车之间的电气连接


国标定义的充电枪有15根电缆,和电动汽车之间通过“9孔"连接,但是和安全相关、超过人体安全电压的信号只有3个:DC+、DC-、PE。如GB/T 18487.1附录B中的直流充电控制引导电路图,车辆接口通过充电枪完成物理连接后,充电模块的输出经过K1/K2接触器、K3/K4接触器和动力电池连接,构成输出高压直流回路; 设备地和车身地连接,并连接到保护导体,并应连接到“大地"。  如前所述,变压器T实现了AC和DC的绝缘,AC侧交流高压的保护通过基本绝缘、RCD和PE实现,DC侧直流高压的保护将通过在线绝缘检测实现。在GB/T 27930定义的充电过程六个阶段(物理连接完成、低压辅助上电、充电握手阶段、充电参数配置阶段、充电阶段和充电结束阶段)中,在充电握手阶段将由充电桩完成绝缘检测,此时K5/K6没有闭合,桩端绝缘检测针对的只是充电模块的输出端子到K5/K6的外侧接线端子这段电气回路,检测充电枪线的DC+和DC-两根电缆对PE的绝缘电阻。
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图7  直流充电控制引导电路图

四、  充电桩标准中关于“绝缘检测"的说明
在GB/T18487.1-2015、《电动汽车传导充电系统第1部分:通用要求》的附录B中,对绝缘检测有如下相关几段文本:
B. 3.3  非车载充电机自检
在车辆接口*连接后,闭合K3和K4,使低压辅助供电回路导通;闭合K1和K2,进行绝缘检测,绝缘检测时的输出电压应为车辆通信握手报文内的最高允许充电总电压和供电设备额定电压中的较小值;绝缘检测完成后,将IMD(绝缘检测)以物理的方式从强电回路中分离,并投切泄放回路对充电输出进行泄放,非车载充电机完成自检后断开K1和K2。
B.4.1 在充电机端和车辆端均设置IMD电路,供电接口连接后到K5、K6合闸充电之前,由充电机负责充电机内部(含充电线缆)的绝缘检查;充电机端的IMD回路通过开关从供电回路断开,且K5、K6合闸之后的充电过程期间,由电动车负载整个系统的绝缘检查。充电直流回路DC+、PE之间的绝缘电阻,与DC-、PE之间的绝缘电阻(两者取最小值R),当R>500Ω/V视为安全;100Ω/V<R≤500Ω/V时,宜进行绝缘异常报警,但仍可正常充电;R≤100Ω/V视为绝缘故障,应停止充电。
B.4.2 充电机进行IMD检测后,应及时对充电输出电压进行泄放,避免在充电阶段对电池负载产生电压冲击。充电结束后,充电机应及时对充电输出电压进行泄放,避免对操作人员造成电击伤害。泄放回路的参数选择应保证在充电连接器断开后1s内将供电接口电压降到60VDC以下。
在该标准的图B.2 直流充电连接控制时序图和表B.2 直流充电控制时序表中,对绝缘检测的相关时序和波形都有严格定义。
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在NB/T 33001-2018《电动汽车非车载传导式充电机技术条件》中,对绝缘检测的相关描述:
6.3 绝缘检测功能
充电机应具备对直流输出回路进行绝缘检测的功能,并且充电机的绝缘检测功能应与车辆绝缘检测
功能相配合。充电机的绝缘检测功能应符合GB/T18487.1-2015中B.4.1和B.4.2的规定。充电机在进行绝缘检测前应检测直流输出接触器(K1、K2)的外侧电压,当此电压超过±10V时应停止绝缘检测流程并发出告警信息。
在GB/T 27930-2015 《电动汽车非车载传导式充电机与电池管理系统之间的通信协议》中,图A.6给出了时序流程图:
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五、    “绝缘检测"功能试验及自测方法


在标准 NB/T 33008.1-2018 《电动汽车充电设备检验试验规范 第1部分:非车载充电机》中,对绝缘检测功能试验
5.3.3绝缘检测功能试验
将充电机连接试验系统,按照以下步骤进行试验:
a)在绝缘检测前,模拟K1和K2外侧电压绝对值大于10V,检查充电机应停止绝缘检测过程,并发出告警提示;
b)检查充电机端应设置绝缘检测电路,且在车辆接口连接后到车辆充电回路接触器K5和K6闭合前,充电机应能闭合直流输出回路接触器K1和K2对其内部(含充电电缆)进行绝缘检测,绝缘检测电压应符合GB/T18487.12015中B.3.3的规定;
按照GB/T34657.1-2017中6.3.4.5规定的方法进行模拟绝缘故障和绝缘异常,按照图2所示,充电机绝缘检测误差不应超过士5%,选择绝缘电阻测试点,测试电压为充电机额定输出电压值,测试结果应符合GB/T18487.1一2015中B.4.1和B.4.2的规定。
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在第三方检测机构)进行型式试验时,试验方法为:
1.在启动充电前在DC+、PE之间并联上10K电阻,然后启动充电,在绝缘检测结束后,充电机应停止充电流程并上报绝缘故障;
2.在启动充电前在DC-、PE之间并联上10K电阻,然后启动充电,在绝缘检测结束后,充电机应停止充电流程并上报绝缘故障;
以上第三方试验方法主要为检查充电机是否具备绝缘故障检测功能。
在产品自测时,会根据充电机绝缘检测电压和绝缘检测的3种结果状态进行模拟组合测试,以绝缘检测电压450Vdc和750Vdc为例,进行如下测试:


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六、   绝缘检测的硬件实现


在实际产品中,我们采用的绝缘检测电路原理图如图8所示。该电路包括了两个继电器的控制电路,电流采样的放大电路。将这个电路简化成原理图框形式,如图9。
图略
图8  NIO20000 G1 绝缘检测电路原理图
控制K+和K-的两个继电器的原边和MCU的GND共地。对Rs的电压采样经TLP7820隔离并放大8.2倍后再经过差分放大器LM2904进行了1.5V偏置后送到MCU的ADC口。
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图9   G1绝缘检测的原理框图
DC+和PE之间的等效电阻Rx,DC-和 地之间的等效电阻Ry。在图9等效电路中,DC+和DC-之间的电压是已知的,是充电模块的输出电压,是车辆通信握手报文内的最高允许充电总电压和供电设备额定电压中的较小值; Rs两端的电压由模数转换器获得 ,VADC=Vs*8.2+1.5V。;  R1和R2是已知的。
K+闭合,Rs两端电压为Vs1,VAD1为K+闭合AD采样电压,充电模块输出电压为Vout,可得关系式
Vs1 /Rs* (R1+Rs) + [Vs1 /Rs*(R1+Rs) / Rx + Vs1 /Rs ] * Ry= Vout    (1)
K-闭合,Rs两端电压为Vs2,VAD2为AD采样电压,可得关系式:
Vs2 /Rs* (R2+Rs) + [Vs2 /Rs*(R2+Rs) / Ry + Vs2 /Rs ] * Rx= -Vout        (2)  
R1=R2                   (3)
由(1)(2)(3) 可得:Vs1/Vs2-=-Rx/Ry      (4)
把(4)代入(1)(2)可得:
Rx=-[8.2*Rs*Vout+(R1+Rs)*(VAD2-VAD1)]/(VAD2-1.5 )             (5)
Ry=[8.2*Rs*Vout+(R1+Rs)*(VAD2-VAD1)]/(VAD1-1.5)             (6)
其中Rs=0.1,R1=500代入(5)(6)
Rx=-[0.82*Vout+500.1(VAD2-VAD1)]/(VAD2-1.5)
Ry=[0.82*Vout+500.1(VAD2-VAD1)]/(VAD1-1.5)


七、  绝缘检测的软件实现


在18487.1的附录B和27930中已规定了绝缘检测的严格时序,但在具体的工程实现上有一些值得说明的细节。
(1) 对绝缘阻值结果影响较大的就是ADC采样值。如果采样电阻阻值与总阻值的比值越大,ADC采样值的浮动则对最终的阻值影响越小;反之,如果采样电阻阻值与总阻值的比值越小,ADC采样值的浮动则对最终的阻值影响越大。在基于图9的硬件电路基础上ADC的采样值即使浮动±0.01也会让阻值有很大的误差。ADC的采样滤波在软件实现上有平均值滤波,中位值滤波和一阶低通滤波等多种算法。一阶低通滤波后的采样值,能够使绝缘阻值结果稳定,且与实际阻值误差最小。
(2)为防止绝缘检测过程,因某个条件不满足导致充电流程停滞在绝缘检测阶段,需在绝缘检测过程增加超时判断(1分钟以内),例如:绝缘检测第一个过程需要检测接触器外侧电压小于10V才能继续往下执行,若该条件不满足,且无判断超时,充电流程将一直停滞在该阶段无法继续执行后面的充电流程,最终将导致充电桩一直无反应。
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八、  绝缘检测过程的实测波形


目前,直流充电机在绝缘检测控制时有2种时序:
(1)在标准GB/T 18487.1-2015《电动汽车传导充电系统 第1部分:通用要求》附录B.5 充电连接控制时序中,对绝缘检测的时序要求为,充电机先输出绝缘检测电压,然后闭合K1/K2,进行绝缘检测。
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实测波形如下,充电机模块先输出绝缘检测电压(CH1),电压到达要求的检测值后,K1K2闭合(CH3),充电机通过继电器投切分别对DC+/PE、DC-/PE进行绝缘检测,检测完成后,K1K2断开,并对输出电压进行泄放。
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CH1:K1K2前端电压      CH2:K1K2后端电压      CH3:输出接触器驱动电压
(2) 在实际应用中,由于部分车辆直流充电口处带有电容,当充电机模块先输出电压然后再闭合K1/K2时会产生很大的冲击电流,会造成直流接触器K1K2主触点粘连故障。为解决这个问题,在绝缘检测时会将直流接触器的闭合时间前移至模块绝缘检测电压上升前,即先闭合K1/K2,再使能模块输出电压进行绝缘检测。
实测波形如下,K1/K2先闭合(CH4),充电机模块输出绝缘检测电压(CH1),电压到达要求的检测值后,充电机通过继电器投切分别对DC+/PE、DC-/PE进行绝缘检测,检测完成后,K1/K2断开,并对输出电压进行泄放。
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CH1:K1K2前端电压     CH2:K1K2后端电压        CH4:输出接触器驱动电压
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