电动汽车充电桩漏电保护需求与技术

随着传统能源的枯竭与环境污染问题的加剧，电动汽车受到了越来越多的关注。国内电动汽车充电站的发展迅速，2021年，中央财经委员会第九次会议对推动碳达峰、碳中和作出了系统部署，为电动汽车充电桩的发展带来了新的机遇。截止2022年3月，充电桩量达123.2万辆，新能源汽车保有量达891.5万辆，其中纯电动汽车保有量达724.5万辆。由此计算，我国车桩比例近乎6:1,远低于规划中的1:1。据有关专家评估，充电桩的数量最好应是电动汽车数量的4倍以上，这样才能稍微缓解目前电动汽车充电困难的情况。如何保障充电桩充电安全，提高漏电保护性能，成为当下新能源车主以及潜在用户关注的焦点。

一、充电桩充电类型

电动汽车的充电桩应提供不同的充电方式和充电接口，以满足不同类型的电动汽车的充电需求。按照充电方式的不同，可以将电动汽车分为交流充电桩、直流充电桩。交流充电桩充电的速度较慢，但占地面积小，布点灵活等，能够应用在企事业单位、居民小区等场所。直流充电桩充电速度较快，输出的功率较大，可以建设在购物中心、游览区等区域。

中国充电联盟公布2022年3月全国电动汽车充换电基础设施运行情况。2022年3月比2022年2月公共充电桩增加1.9万台，3月同比增长44.8%。截至2022年3月，联盟内成员单位总计上报公共类充电桩123.2万台，其中直流充电桩50.2万台、交流充电桩72.9万台、交直流一体充电桩485台。从2021年4月到2022年3月，月均新增公共类充电桩约3.2万台。

图1：公共类电动汽车充电桩交直流占比

由图1可以看出，交流充电桩占据着较大的市场份额，因此交流充电桩仍然是目前市场上主流的充电方式。其中交流充电，功率较小，所需的充电时间较长，但对电池的损耗较小，与之相反的则是直流充电桩，其充电功率大，充电快，但是对电池的损耗也较大。

交流充电桩

交流充电桩是通过传导方式，按照一定的充电模式，将交流电源调整为校准的电压或电流，为电动汽车动力电池等储能装置提供电能。充电流程如图2所示，其中车载充电机能够根据电池管理系统提供的数据，动态调节输出电压和电流，确保充电过程安全地进行。车载充电机在交流充电桩和蓄电池之间起着连接纽带的作用，将交流充电桩提供的低压交流整流为高压直流后输出至蓄电池的正负极，最终转换成电动汽车所需的直流动能。其中漏电流保护器可以保证车桩之间的电气安全（图3），能够通过车辆接口和电缆插口与新能源汽车内车载充电机进行连接，提供了车载充电机所需的稳定交流电源。

二、交流充电桩漏电保护原理及其必要性

在电动汽车充电时，会存在大量交直流变换（整流/逆变）电路，这些AC-DC转换电路中不仅有工频的AC正弦波剩余电流，电路中还存在两相/三相整流滤波产生的直流剩余电流、平滑直流剩余电流等，以及一些电容对地产生的剩余电流等，这就要求必须采用B型漏电保护器，因为B型漏电保护不仅能够检测交流成分交流电，还能检测直流成分。常见的漏电保护器类型有A型、B型、AC型，分类的依据是检测故障电流的特性不同。A型的漏电保护器可检测剩余正弦交流电流及脉动直流电流，B型漏电保护器可检测剩余正弦交流电流和直流，AC型漏电保护器可检测正弦交流电流。

图4：常见的漏电保护器类型

部分B型漏电流波形图如下：

对于交流充电桩内漏电流保护器，国外IEC相关标准,必须采用B型漏电流保护装置对充电桩进行可靠保护。

国内GB/T18487.1中明确要求：交流供电设备的漏电流保护器宜采用B型，来保证专用充电桩及车辆之间的电气安全和导引检测。

上海地标DB31/T 1296，针对充电桩的适用场景、安全要求和智能化要求制定的技术标准，要求交流供电设备的漏电流保护器宜采用B型。

根据电动汽车充电桩GB51348相关标准规定：交流充电桩的保护应符合下列规定：

多项标准规定交流充电桩内需设置漏电流保护器，可见漏电保护的重要性。人体是可以承受轻微电流流过的，比如我们在做医疗护理中，人体可以承受1mA的弱电流流过，但是人体不能承受较大的电流流过。试验证明，超过5mA的电流流过我们的身体，就会对我们的健康造成损害。

国家标准GB/T 13870.1—2008 《电流对人和家畜的效应》规定了15～100Hz正弦交流电流通过人体时，有以下几个主要的效应阈值：

（1）感知阈——通过人体能引起任何感觉的最小电流值；

（2）反应阈——通过人体能引起肌肉不自觉收缩的最小电流值，反应阈的通用值为0.5 mA；

（3）摆脱阈——手握电极的人能自行摆脱电极的最大电流值，摆脱阈的平均值为10 mA；

（4）心室纤维性颤动阈值——通过人体能引起心室纤维性颤动的最小电流，是电击致死的主要原因，此阈值随通电时间的增大而减小。15～100Hz正弦交流电流过人体时的电流/时间效应分区见图5和表1。

图5：15Hz～100Hz 交流电流过人体时的电流-时间效应分区

人体漏电分析

漏电保护器是除地线之外的供电线的电流矢量和。正常工作且不漏电时，进入漏电保护器的电流矢量和为0。发生漏电时，漏电流从漏电支路流走（可以是产品接地线，也可以是经人体流入大地），导致流入和流出漏电保护器的电流矢量和不为0。当漏电流超过设定的阈值时，漏电保护器动作切断供电电源，保证安全。

例如：（1）在地线正常连接的情况下，若相线绝缘损和车身钣金接触，因为存在连接车身的地线，有较大电流经过与车身连接的地线流入大地，这时流入和流出漏电传感器的电流矢量和远大于其额定漏电流动作值IΔN，漏电保护器在很短的时间内动作（一般≤40 ms），切断给车辆充电的供电电源，车身不再带电，人员接触车身就没有触电危险了，如图6所示；（2）在地线故障情况下，车身没有接地，若发生相线绝缘损伤接触车身钣金，因为车身与大地之间有较大的绝缘电阻，所以车身与大地之间会有AC 220V的压差，此时漏电传感器的漏电流小， 不会保护。人员接触车辆时形成触电回路，在安装了漏电保护器的情况下，在流过人体的触电电流达到漏电保护器的动作值时，漏电保护器在规定的时间内动作，切断危险的故障电源，人员脱离触电危险。

图6：接地线正常下触电示意图