電動汽車充電樁的防觸電保護

陳偉康，鄭 豪

（萊茵技術（上海）有限公司，上海 200072）

0 引言

能源問題、環境保護問題日益成為國際社會關注的焦點，特別是在快速發展的中國不僅面臨石油短缺的嚴峻挑戰，而且隨著汽油車保有量的飛速增長，日益嚴重的汽車尾氣污染，已經成為它不能承受的后果。在北京、上海、廣州等大城市，機動車已成為排放一氧化碳、氮氧化物、碳氫化合物等污染物的第一大污染源。業內人士估計，10～15 年之后我國的汽車保有量可能超過1 億輛。因此，治理汽車污染將是一項長期的、艱巨的、復雜的系統工程。

電動汽車作為一種新型交通工具，用電池作驅動，實現了零排放。它在緩解能源危機，保護環境方面有著傳統汽油車無可比擬的優勢。由于電動汽車是靠電池驅動，當電動汽車電池的電能消耗到一定程度時，就必須依靠充電裝置對電動汽車內的動力電池進行充電，從而滿足電動汽車的循環使用。這樣充電裝置成為了電動汽車使用環節中的重要一環。由于充電裝置相比其他的家用電器功率和電流都較大，大多數安裝在公共場所，充電裝置的使用安全是所有電動汽車的生產廠家、物業和車主共同關心的話題。充電裝置的使用安全主要依靠充電裝置的安全設計，結合IEC 標準及中國國內的一些標準，探討充電裝置設計中須要注意的一些特殊要求。

1 安全標準簡介

現行有效的IEC 有關充電樁安全標準為：IEC 61851—1（2010 電動汽車傳導充電系統 第1 部分 通用標準）；IEC 61851—21（2002 電動汽車傳導充電系統 第21 部分 交流/直流電源傳導連接的要求）；IEC 61851—22（2002 電動汽車傳導充電系統 第22 部分 交流電動汽車充電站）；IEC 61851—23（2014電動汽車傳導充電系統 第23 部分 直流電動汽車充電站）。

整個IEC 61851 的標準系統里面，它涵蓋了防觸電保護的要求，防止大能量電弧的要求，防止過熱的要求，防止機械危險的要求等。在諸多防護要求中，防觸電保護是最基本的，也是最重要的保護，因為潛在的電擊風險又可以引起火災及其它復合危險，看不到、聞不到，不能預先感知，所以IEC 的標準要求充電設備在設計時就要考慮到這些風險，把這些風險發生的機率降到最小。著重討論IEC 61851 系列和GB 系列有關充電設備防觸電保護的要求。

2 防觸電保護的要求

根據IEC 61851 針對電動汽車充電設備防觸電保護的要求，充電設備分為三重保護：防止直接觸電的保護、防止間接觸電擊保護及附加保護。

2.1 直接觸電的防護要求

直接觸電是指直接接觸危險帶電體，根據ISO 6469—3《電動汽車安全規范——人體觸電的保護》內的定義，交流電壓>30 V或直流電壓>60 V 的帶電體定義為危險帶電體。直接觸電的防護就是要有效地防止和危險帶電體接觸，電動汽車充電設備主要包含以下措施：基本絕緣，遮擋物或外殼防護，特低電壓，低接觸電流和電荷等。

（1）基本絕緣：危險帶電體的絕緣，它起到直接電擊防護的作用。基本絕緣的要求是帶電體要被絕緣全覆蓋，絕緣只有在被破壞的情況下才能去除。

（2）遮擋物或外殼防護：用來阻止和帶電體的接觸。帶電體應在外殼內部或在遮擋物背后，防護等級要求達到IPXXB 或IP2X。遮擋物應牢固加以固定，并能長期保持有效，外殼和遮擋物只能用工具或危險帶電體斷電后才能打開或移除。

（3）特低電壓：特低電壓的電壓范圍為交流<30 V，直流不超過<60 V。

（4）接觸電流和電荷的限定：當用保護阻抗作為防觸電保護的措施，要求通過模擬人體的漏電流，交流<0.5 mA，直流<2 mA。同時2 個可同時接觸到的金屬導體之間的儲存電荷<50 μC。

根據IEC 61851 的防觸電保護的要求，充電設備不能有外露可觸及人體的危險帶電體，并且所有不需要工具即可去除的部件要全部去除再考核。

當充電設備和電動汽車斷開或和電源斷開，可接觸的金屬導體之間或可接觸的金屬導體和地之間的電壓<30 V，直流<60 V，同時儲存能量E<20 J，如果大于以上數值，必須有警告標志在相應的地方。主要針對在充電設備和電動汽車斷開或和電源斷開后可觸及的金屬部件，如電源插頭插針，充電連接器的插針等。

式中 E——能量，J

C——電容量，μF

U——電壓，V

2.2 間接觸電的防護要求

電防護的基本原則是電氣設備在正常條件下或在一個故障條件下使用時，危險帶電體不能被觸及，可觸及的導電體不能成為帶電體。正常條件下防觸電保護稱為基本保護，即直接電擊的防護，具體要求在2.1 節已經介紹，在一個故障條件下的防觸電保護，稱為故障保護，即間接觸電的防護。

根據IEC 61851 的要求，間接觸電的防護要求包含以下一個或幾個措施：附加或加強絕緣，保護等電位連接，保護屏蔽，自動切斷電源，簡單隔離等。

（1）附加絕緣：除基本絕緣以外的獨立的絕緣，起到故障保護的作用，即基本絕緣一旦失效，附加絕緣作為防觸電的絕緣保護。

（2）加強絕緣：危險帶電體的絕緣，它提供和雙重絕緣（基本絕緣+附加絕緣）同等效果的防觸電保護。

（3）保護等電位連接：出于安全的原因，等電位的連接，使各個可接觸的金屬部件處于同一電位上（圖1）。

（4）簡單隔離：電路之間或電路和接地之間通過基本絕緣的方式隔離。

（5）保護屏蔽：和危險帶電體的隔離通過插入一個導電屏蔽物，它連接外部保護接地線。

（6）自動切斷電源：當TN 系統或TT 系統電氣裝置內某一點發生接地故障時，該點的電源應由一防護電器自動及時切斷，使電氣裝置內由此引起的危險接觸電壓不持續存在。由于IT系統對地呈高阻抗，通常第一次接地故障并不要求切斷電源，當第二次發生異相接地故障后，才要求切斷電源（圖2～圖4）。

圖1 等電位連接示意

2.3 附加防護

為了避免直接防護或間接防護失效的情況，或使用者操作不當的情況，引起間接觸電，充電樁要求有附加防護，漏電保護器RCD（IΔn≤30 mA）應作為電動汽車傳導供電設備接地系統的一部分，RCD 的漏電脫扣特性至少Type A，并且符合 IEC 60364—4—41 的要求（5 IΔn 動作時間不超過40 ms）。

圖2 TN 系統接地故障示意

圖3 TT 系統接地故障示意

2.4 防觸電保護措施設計的基本原則

防觸電保護的要求是充電樁在正常使用時或在一個故障的情況下，危險帶電體不能觸及，并且可觸及的導電體不能成為危險帶電體。這就要求防觸電保護系統至少須要2 個獨立的互不影響的保護措施（加強絕緣除外），所謂互不影響是指2 個獨立的保護措施不太可能同時失效，所以2 個措施同時失效的情況一般無需考慮，安全可靠地建立在其中一個措施始終有效的基礎上。充電樁一般都設計為I 類電器。

圖4 IT 系統接地故障示意

I 類電器的防觸電保護不僅僅依靠基本絕緣，把導電的可接觸部分連到固定布線的保護接地線，以防萬一基本絕緣失效，導電可接觸部分也不會帶電。

I 類電器的防觸電保護須要電器的結構和電氣安裝方式結合起來，協調配合。在TN 系統或TT 系統中，如果發生基本絕緣失效，帶電體碰到外殼，由于金屬外殼通過PE 線和建筑電氣布線的接地排連接，而接地排又已經和樓面地面的金屬結構件作了等電位連接，所以外殼的故障電壓被限制在了相對較低的電壓值，同時相線，電器外殼，連接電器外殼的PE 線，建筑電氣布線的PE 線，PEN 線及變壓器的中心點形成回路，這樣故障電流流經回路中的保護電器如過流保護器或剩余電流保護器，電流一旦達到或超過保護電器的動作電流值，保護電器立刻切斷電源，這就是標準上定義的附加保護措施。

3 結合標準分析充電樁防觸電保護的要求

由于充電樁在工作狀態時須要連接電動汽車，所以充電樁不僅要有自身的防觸電保護措施，還需要檢測電動汽車的安全狀況，一旦發現電動汽車絕緣破壞應立刻切斷電源。所以充電樁的充電電纜和電動汽車的充電接口連在一起后，必須確認完全連接，并持續檢測電動汽車的接地線是否和充電樁的接地保護線可靠地連接在一起。這里分別列舉一個交流充電樁和一個直流充電樁的連接和充電過程來分析防觸電保護措施的運用。

3.1 交流充電樁的連接

從圖5 可知充電樁和電動汽車的連接點1，2 是單相電源的L，N 線的連接點，連接點3 是接地保護連接點，連接點4 是控制導引連接點，連接點5 是位置檢測連接點。圖中R4，R5，R6，R7和開關S3 組成位置檢測的功能。當充電樁和電動汽車完全連接后，測試點1 的電壓由于充電樁連接器上的電阻R6 并入位置檢測電路而發生變化，這樣檢測電路根據電壓的變化可判斷充電樁和電動汽車是否已經完全連接好，只有完全連接后充電樁才會向電動汽車充電。S3 的功能是防止充電樁和電動汽車的連接意外斷開。S3 是常閉開關，在正常連接時，R7 是被短路的，當要斷開連接時，由于S3 和連接器的機械聯鎖組合在一起，必須要斷開S3，這樣R7 就并聯在位置檢測電路上，測試點1 的電壓發生變化，檢測電路根據電壓的變化可判斷充電樁是否要和電動汽車脫離連接，在充電樁的連接器和電動汽車的插座脫離前及時切斷充電電流，防止電弧危險及危險帶電體被觸及（參見2.1）。

圖5 是一個典型的I 類充電樁，連接方式C，充電模式3 的電氣線路。I 類充電樁采用了基本絕緣加接地保護（室內建筑物內，可以認為是等電位連接）的防電擊保護措施，所以對于固定安裝的充電樁（充電模式3），室內的固定安裝布線和充電樁本身的絕緣要求同樣重要。

同樣在弱電線路（控制導引電路12 V）和 強電線路（充電線路220 V）的絕緣要求上，標準要求控制導引線路必須是安全特低電壓供電，這樣就基本上排除了控制電路絕緣失效，引發觸電危險的可能性。

在充電的過程中，充電樁的標準不僅考慮到充電樁的電擊防護，還要考慮到汽車的電擊防護，控制導引電路在安全方面起到了至關重要的作用。除了上述的連接確認之外，在充電過程中它還須要持續監控接地連續性。當接地線斷開，標準要求充電樁在100 ms 內切斷電源。標準之所以關注接地連續性，原因是如果失去了接地連續性，電動汽車就失去了等電位連接的效果，一旦電動汽車內部的電氣絕緣失效，故障電壓就會全部反應到金屬車架上，同時也失去了自動切斷電源的回路，使用者將直面電擊的危險。

圖5 交流充電的典型控制導引電路

圖6 直流充電控制導引電路

針對交流充電樁，標準上特別規定必須配備漏電保護器，這是因為充電連接線路為供電裝置-固定布線-交流充電樁-充電電纜組件-電動汽車已經構成了故障電流的回路，給漏電保護器的檢測創造了條件，這樣如果一旦充電樁或電動汽車絕緣失效，金屬外殼的故障電流就會通過接地線流回電源，漏電保護器便能檢測到漏電流的大小，當超過規定的要求如30mA，漏電保護器就會自動切斷電源。這樣在還沒有引發電擊事故前，故障電源就已經切斷了，這就是標準上提到的所謂的附加保護措施，即自動斷電措施。

3.2 直流充電樁的連接

直流充電樁分為隔離直流充電機和非隔離直流充電機，所謂的隔離直流充電樁是指直流輸出電路和電源交流側至少是基本絕緣，目前電動汽車充電樁的安全標準主要針對隔離直流充電樁。在直流充電樁的安規標準中強調了必須采用自動切斷電源的保護措施，同時要求直流充電樁應和交流電源側中的A 型漏電保護器相兼容。在控制導引方面的防觸電保護，除了交流充電樁的要求之外，還增加了在充電前的絕緣電阻的檢測，要求絕緣電阻R：

式中U 為直流充電樁的額定輸出電壓。

圖6 是采用B 系統的直流充電樁，國標目前就采用這個系統。從圖可知直流充電樁由非車載充電機控制器，R1，R2，R3，R4 和R5，開關S，交流供電電路，接觸器K0，隔離變壓器T，AC/DC 逆變器，直流供電回路接觸器K1 和K2，低壓輔助供電回路接觸器K3 和K4，充電回路接觸器K5 和K6 以及車輛控制裝置組成。當連接器插入汽車的插座，位置檢測的功能將被激活，即檢測點2 的電壓由12 V 變成6 V，電動汽車確認充電連接器的插入。當操作人員對非車載充電機進行充電設置后，非車載充電機控制裝置通過測量檢測點1的電壓值判斷連接器與車輛插座是否已完全連接，如檢測點1電壓值為4 V，則判斷車輛接口完全連接。只有在充電樁和電動汽車的控制器均確認連接后，電動汽車的控制器才能啟動下一階段的充電程序，這樣防止在充電連接的過程中出現電擊。

防電擊保護，交流側沿用了交流充電樁的基本要求，充電樁的金屬外殼必須和保護接地相連，實現等電位和自動故障斷電。直流側見圖6 中的隔離變壓器次級，直流+，-端和地之間跨接了絕緣監測器，它的目的在于監測直流輸出端和地的絕緣情況。當直流電流由隔離變壓器輸出時，變壓器次級的電路和地之間實際形成了IT 系統，當直流端和地發生第一次絕緣故障時，由于變壓器的隔離作用，直流端對地不能形成回路，所以故障電流很小，不足以觸發斷路器或漏電保護器動作，如果不加以監測，那么這個故障就會作為一個隱患保留下來，潛在的風險很大。所以在正式充電前還要進行絕緣電阻的監測，絕緣電阻值不能小于式（1）計算出來的值，否則就不允許充電。

當直流充電樁在充電過程中檢測到充電樁或汽車的異常情況，須要通過緊急終止來保證安全。異常情況包括檢測到非正常的接地泄漏，過電流和絕緣失效。

4 結語

防觸電保護只是安全防護的一個方面，充電樁的安全防護還包括過載防護、短路防護、浪涌保護、機械防護等。充電樁安全標準上的所有要求都圍繞著上述防護的要求而展開。需要強調的是，大部分充電樁都是固定安裝形式且多是I 類電器，所以僅靠產品上采取的措施往往并不能完全滿足安全的要求，還需要在電氣裝置的設計和安裝上補充一些必要的安全措施。產品設計和電氣安裝設計通常是協調配合，相輔相成。