關于電動汽車直流充電樁接地連續(xù)性測試的分析

陳 卓，賀 春，朱洋洋，任高全，李二海

關于電動汽車直流充電樁接地連續(xù)性測試的分析

陳 卓，賀 春，朱洋洋，任高全，李二海

(許昌開普檢測研究院股份有限公司，河南 許昌 461670)

當充電過程中發(fā)生直流充電樁與電動汽車之間的接地連續(xù)性斷開故障時，會有觸點安全事故發(fā)生的可能性。然而當PE觸點斷開時，充電樁和電動汽車僅能夠通過檢測點1的電壓和檢測點2的電壓進行判斷，這兩個檢測點的電壓同時也肩負著表征充電連接的完好性的任務，因此，有必要對直流充電樁接地連續(xù)性的測試進行分析。特別分析了PE針斷線時充電樁檢測點1和檢測點2的電壓值變化，以說明充電樁無法檢測出PE針斷線。另外給出了關于充電過程中的接地連續(xù)性斷開檢測的檢測點分布。

電動汽車直流充電樁；控制導引；接地連續(xù)性；保護

0 標準要求

GB/T 18487.1中5.2.1.2節(jié)中規(guī)定：在失去保護接地導體電氣連續(xù)性的情況下，電動汽車供電設備應在100 ms內(nèi)切斷電源。

該項目規(guī)定了電動汽車供電設備在充電過程中對電氣安全性能應有的保護措施。

接地良好的優(yōu)點很多，但是最為關鍵的是如果兩個系統(tǒng)沒有共同接地而進行電氣傳輸時，直流電源系統(tǒng)的絕緣監(jiān)測功能將降低。比如在A系統(tǒng)和B系統(tǒng)之間進行電氣傳輸時，A系統(tǒng)在進行絕緣監(jiān)測，B系統(tǒng)發(fā)生了絕緣故障，一旦發(fā)生A系統(tǒng)和B系統(tǒng)之間的接地斷開，A系統(tǒng)將無法檢測出絕緣故障。而這些將會是一個非常嚴重的安全問題。

充電樁與電動汽車之間的保護接地導體連接在控制導引回路中的示意圖如圖1所示，紅色橢圓標注處斷開即為業(yè)內(nèi)比較關注的PE針斷開。

1 問題分析

該項標準是專為電動汽車供電設備而規(guī)定的，也就是說電動汽車供電設備需要在整個充電過程中都能監(jiān)測到該處是否有未連接的狀態(tài)。而根據(jù)圖1，電動汽車供電設備(即非車載充電機)僅能通過檢測點1的電位變化來偵測接口處是否有保護接地連續(xù)性丟失的情況，把等效電路摘出來，進行詳細分析，如圖2所示。

根據(jù)GB/T 18487.1中規(guī)定，1=2=4=1 kΩ，1=12 V，完全連接時，根據(jù)歐姆定律，檢測點1電壓為4 V。而當保護接地導體斷開(即圖2虛線處斷開)時，等效電路圖如圖3所示。

此時，根據(jù)基爾霍夫電流定律可得

根據(jù)基爾霍夫電壓定律可得

圖1 控制導引電路簡圖

圖2 接地斷開前等效電路圖

圖3 接地斷開后等效電路圖

GB/T 18487.1中規(guī)定，式中1、2、3、4、5均為1 kΩ，若由表示，上述三式可推算出：

從而檢測點1的電壓值為

GB/T 18487.1中規(guī)定，1為12 V，2推薦為12 V，但是可根據(jù)廠家自主定義其電壓值。這里為了測試電動汽車供電設備對于保護接地連續(xù)性斷開的偵測能力，需要考慮電動汽車出現(xiàn)的各種可能性。先計算出2=5 V的情況。

再計算2=12 V的情況

最后計算2=24 V的情況

然而，檢測點1的電壓值主要被電動汽車供電設備用來監(jiān)測CC1是否完全連接，其誤差范圍根據(jù)GB/T 18487.1中表B.1中規(guī)定：在完全連接時(狀態(tài)C)，其精度為3.2~4.8 V。也就是說，檢測點1電壓處于3.2~4.8 V時，電動汽車供電設備應處于正常工作狀態(tài)。

2 解決方案

根據(jù)式(4)，可以反向計算出能夠讓電動汽車供電設備偵測出保護導體接地連續(xù)性丟失的最低電壓值為

因此，2大于等于13.6 V時才可以使電動汽車供電設備根據(jù)檢測點1的電位判斷出保護導體接地連續(xù)性是否丟失。

根據(jù)以上分析，若使電動汽車供電設備具備偵測出保護導體接地連續(xù)性丟失的方法有以下幾種。

方案1：還是以檢測點1的電位來判斷，默認電動汽車充電控制裝置中2的電壓為12 V，取誤差極限(1=12.8 V，2=11.2 V)進行計算檢測點1的電壓值為

即檢測點1的電壓若是低于3.89 V，則判斷為保護導體接地連續(xù)性丟失。

此種方法的劣勢很明顯。首先，檢測點1用來判斷CC1接觸良好情況的誤差范圍最低到3.2 V，若是判斷3.89 V以下為保護導體接地連續(xù)性丟失，則需要舍棄3.2~3.89 V之間作為充電接口完全連接的誤差字段。其次，僅能判斷2為12 V的情況下保護導體接地連續(xù)性丟失的情況。

方案2：判斷方法為偵測檢測點1的電位跳動，若是在充電過程中檢測點1的電位有0.1 V以上的跳動，則判斷為接地連續(xù)性丟失(或連接斷開，因兩種故障都屬于嚴重故障，都需要在100 ms內(nèi)斷開輸出接觸器K1和K2，故可以放在一起進行判斷)。這種方法雖然完美解決了方法一中提到的誤判斷情況，但是對于啟動充電前就出現(xiàn)的接地連續(xù)性故障無法判斷，依然存在接地連續(xù)性丟失的安全隱患。

分析到這里，似乎已經(jīng)出現(xiàn)了不可調(diào)和的矛盾：標準要求充電樁應能夠檢測出接地連續(xù)性斷開，并進行保護；標準規(guī)定的控制導引電路在原理上又不能給出使充電樁檢測出接地連續(xù)性斷開的方法。因此只能更加開闊思路，去分析另外的可能性。

方案3：既然檢測點1的電壓在接地連續(xù)性斷開后受到2的影響，2系統(tǒng)連接電動汽車外殼，而充電樁系統(tǒng)也連接大地，是否如果僅僅是連接處PE針斷開這樣的故障并不影響電動汽車在充電過程中的充電安全呢？采用仿真的手段先去考察PE針斷開后，電動汽車的絕緣檢測功能是否失效。

當電動汽車內(nèi)部發(fā)生絕緣故障時，PE斷針對絕緣檢測不受任何影響，因為絕緣檢測的電路并未發(fā)生任何變動。

當充電樁處發(fā)生絕緣故障時，絕緣檢測電路原理如圖4所示。

圖4 絕緣故障模擬電路圖

圖中，紅色方框標注處為當處線上電流值，與標準規(guī)定的100 Ω/V誤差為3.37%，16935.1-2008中規(guī)定的絕緣檢測誤差為5%。因此當充電樁處發(fā)生絕緣故障后，電動汽車的絕緣檢測裝置依然能夠檢測出該絕緣故障。所以由以上的分析，PE針的斷開并不影響絕緣檢測的運行。

然后我們再去考察PE斷針后電動汽車和充電樁的電擊防護性能，當PE針未斷開的時候，車身地與充電樁接地有可靠的導線連接，而PE針斷開后，由控制導引電路圖可以看出，車身地與充電樁接地之間有2 kΩ的阻抗，無論是哪種防護級別，這個阻抗都過大了，不符合標準的要求。

方案4：

圖5 接地斷開后等效電路圖

既然矛盾無法解決，就需要讓矛盾轉(zhuǎn)移，可以看看如果PE斷針后檢測點2的電壓變化是多少。

由式(3)和式(4)可得PE針斷開后：

從而可得檢測點2的電壓為

本文通過分析控制導引電路中供電設備和電動汽車的連接檢測點的電位變化，對接地連續(xù)性的分工可以進行如下設定：以上圖中標注處為分界點，紅色區(qū)域由供電設備進行接地連續(xù)性的監(jiān)測。黃色標注處由電動汽車進行接地連續(xù)性的監(jiān)測。

在進行接地連續(xù)性斷開測試的時候，供電設備端需要斷開的點如圖7所示，車輛端測試接地連續(xù)性需要斷開的點如圖8所示。

圖6 控制導引電路簡圖

圖7 接地連續(xù)性斷開測試點示意圖(供電設備)

圖8 接地連續(xù)性斷開測試點示意圖(電動汽車)

3 結(jié)論

GB/T 18487.1—2015中5.2.1.2節(jié)中規(guī)定：在失去保護接地導體電氣連續(xù)性的情況下，電動汽車供電設備應在100 ms內(nèi)切斷電源。附錄B中規(guī)定：在充電過程中，車端應能檢測PE針斷線。只是標準并未清晰地說明接地連續(xù)性的偵測應該如何由供電設備和電動汽車分工。

[1] NB/T 33001-2010電動汽車非車載傳導式充電機技術條件.

[2] NB/T 33008.1-2013電動汽車充電設備檢驗試驗規(guī)范第1部分非車載充電機.

[3] GB/T 18487.1-2015 電動汽車傳導充電系統(tǒng)第1部分:通用要求.

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Analysis on the test of the earthing of continuity in electric vehicle DC charging pile

CHEN Zhuo, HE Chun, ZHU Yangyang, REN Gaoquan, LI Erhai

(Xuchang KETOP Testing Technology Co.,Ltd, Xuchang 461670)

There will be the possibility of contact safety accident in the case of the grounding continuity disconnected faults are occured between DC charging piles and electric vehicles during charging process. However, when the PE contact is open, electric vehicles and charging pile only can be judged by the voltage of CC1 and CC2 , which is also the characterization of charging connection integrity, therefore, it is necessary to analyze grounding continuity test for DC charging piles. In this paper, the change of voltage value of CC1 and CC2 of the charging pile is particularly analyzed to show that the PE needle broken can not be detected by the charging pile. In addition, the detection point of the grounding continuity detection in the charging process is also given.

electric vehicle DC charging pile; control pilot; grounding continuity; protection

2017-08-20

陳 卓(1978—),男，碩士研究生，研究方向為新能源電力系統(tǒng)；E-mail: chenzhuo@ketop.cn

賀 春(1973—),男，碩士研究生，研究方向為電力系統(tǒng)變電站自動化系統(tǒng)；E-mail: hechun @ketop.cn

朱洋洋(1987—)，男，本科，研究方向為直流充電樁充換電系統(tǒng)。E-mail: zhuyangyang@ketop.cn