一、引言

在全球氣候變化和能源問題日漸突出的背景下，電動汽車由于能夠在節(jié)能減排方面做出突出貢獻而受到世界各國的大力支持。我國也正處于電動汽車快速成長的關(guān)鍵時期，充電設(shè)施行業(yè)也在進行快速擴張。截止2020年末，全國預(yù)計新增集中式充/換電站1.2萬座，分散式充電樁480萬個。在現(xiàn)有充電模式下，電路均含有直流環(huán)節(jié)，當(dāng)漏電發(fā)生時，需要采用剩余電流保護器對充電樁進行保護。傳統(tǒng)的AC/A型剩余電流保護器無法動作，而B型剩余電流保護器不僅能夠?qū)ゎl交流和脈動直流剩余電流提供保護，而且能夠?qū)?000Hz及以下的正弦交流、平滑直流和復(fù)合剩余電流提供保護，因此，用于充電樁的剩余電流保護器宜采用B型。

目前B型剩余電流保護器相關(guān)技術(shù)長期被國外壟斷，根據(jù)發(fā)表的相關(guān)技術(shù)論文可知，其研制的220V用戶側(cè)剩余電流保護器售價與10kV斷路器相當(dāng)，增加了充電樁建設(shè)的成本，對充電樁的普及造成了較大的阻礙。因此，開展B型剩余電流保護器的研發(fā)具有重要意義。B型剩余電流保護器設(shè)計的關(guān)鍵在于復(fù)合電流的檢測和磁芯材料的選擇。在檢測機制方面，

本文提出了用于充電的B型剩余電流保護器的設(shè)計方案。首先，闡述了含有充電樁的供電系統(tǒng)剩余電流的產(chǎn)生機理，對剩余電流的波形和B型剩余電流保護器的選用原因及安裝位置進行了分析；其次，對B型剩余電流保護器的工作原理進行研究，包括各磁芯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及波形檢測的分工，重點介紹了直流電流的檢測方法；再次，根據(jù)對應(yīng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的分工，選擇滿足波形檢測要求的磁芯材料，進而采用磁調(diào)制技術(shù)，利用選擇磁芯的磁飽和特性對直流電流的檢測進行仿真，檢驗設(shè)計的合理性。

1充電系統(tǒng)漏電的相關(guān)分析

充電樁由電網(wǎng)供電的同時對電動汽車進行充電，整體構(gòu)成一個充電系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生的剩余電流特征可能會隨漏電地點的不同而改變。下文將對剩余電流的波形和B型剩余電流保護器的選用原因及安裝位置進行具體分析。

1.1剩余電流產(chǎn)生的機理

根據(jù)充電樁的不同，充電系統(tǒng)的構(gòu)成可分為兩種形式，如圖1所示，公共電網(wǎng)采用TT或者TN接線形式，它們的中性點均接地。充電樁分為交流充電樁與直流充電樁，它們的主要區(qū)別在于輸出電壓的形式以及充電機的位置。交流充電樁輸出交流電壓，充電功率較小，可以通過電動汽車自帶的車載充電機進行整流充電；直流充電樁直接輸出直流電壓，充電功率較大，因此充電機安裝于直流充電樁中。

圖1充電系統(tǒng)的構(gòu)成

充電樁產(chǎn)生剩余電流的情況一般有兩種：一種是汽車絕緣擊穿，充電系統(tǒng)通過汽車、人體以及大地形成回路，產(chǎn)生剩余電流；另一種是充電樁絕緣擊穿網(wǎng)通過充電樁、人體、大地以及中性線形成回路，公共電，產(chǎn)生剩余電流。人體對直流和工頻交流的耐受值為30mA，隨著交流頻率的增加，人體對電流的耐受值有所提升，但是值仍然較小，故需要安裝剩余電流保護器切斷回路以保證人員安全。

1.2剩余電流的特征與保護的安裝

情況如圖交流充電樁充電時某相線路將充電樁絕緣擊穿的2所示，此時通過人體的剩余電流沒有經(jīng)過有源濾波器，是含有大量的（6k±1）次諧波分量的復(fù)雜電流，而其余兩相電流經(jīng)過了有源濾波器濾波。無論剩余電流保護器放在充電系統(tǒng)的任何位置，通過其磁芯的電流相量之和不為零，可表示為：（1）式（1）中分別為三相電流，為剩余電流。

圖2某相電壓將充電樁絕緣擊穿的情況

通過磁芯的磁通量也不為零，同理可表示為：?a+?b+?c=?p（2）式（2）中，?a、?b、?c分別為通過三相的磁通量，?p為剩余磁通量。

由于通過磁芯的剩余磁通量不為零且不斷變化，磁芯上的二次側(cè)將感應(yīng)出電動勢，使操作機構(gòu)執(zhí)行跳閘，但正常情況下由于穿過磁芯的磁通量恒為零，操作機構(gòu)不會動作。

當(dāng)交流充電樁的絕緣被擊穿時，通過人體的剩余電流為含有基頻分量疊加高頻諧波分量的復(fù)合電流；當(dāng)直流充電樁的絕緣被擊穿時，通過人體的剩余電流為直流；當(dāng)汽車的絕緣被擊穿時，無論是直流充電樁還是交流充電樁，通過人體的剩余電流均為直流。對于上述剩余電流，傳統(tǒng)AC/A型剩余電流保護器都無法正確動作，因此，選擇能檢測復(fù)合剩余電流與直流剩余電流的B型剩余電流保護器。

B型剩余電流保護器應(yīng)安裝在充電樁處，而不是在充電電纜或者車載充電機處，這樣在充電樁以及其后方的位置發(fā)生人員觸電時，剩余電流保護器均能夠及時動作；反之如果B型剩余電流保護器安裝在充電樁后的位置，則該位置之前發(fā)生人員觸電的情況，保護將不會動作。

2 B型剩余電流保護器的工作原理

2.1直流波形檢測技術(shù)

采用磁調(diào)制的方法檢測直流波形，利用磁芯在飽和區(qū)的特性，通過高頻方波激勵源讓磁芯反復(fù)飽和，將原邊的直流剩余電流反映到副邊，磁調(diào)制技術(shù)的工作原理如圖3所示。每當(dāng)采樣電阻兩端電壓的絕對值達(dá)到設(shè)定閾值時，容易得出，滯回比較器輸出電壓將突變至相反值，其值為：（3）式（3）中，Vr是設(shè)定閾值，Uexc是滯回比較器輸出電壓，稱作“激磁電壓"，顯然激磁電壓是方波。

圖3磁調(diào)制的工作原理

為了實現(xiàn)檢測直流的效果，當(dāng)采樣電阻兩端電壓達(dá)到Vr時，對應(yīng)通過的電流早已使磁芯進入飽和狀態(tài)，不妨設(shè)此時的電流為±IH。

為了簡化分析，認(rèn)為磁滯曲線是正切曲線，為了便于描述電流與磁通密度之間的關(guān)系，在電流與磁場強度成正比的前提下，繪制電流與磁通密度之間的曲線，如圖4所示。在曲線開始變得平緩時，可以認(rèn)為磁芯已經(jīng)進入飽和狀態(tài)，記此時對應(yīng)的磁通密度與電流分別為±Bs、±Is。

圖4電流與磁通密度之間的關(guān)系

當(dāng)原邊有直流剩余電流通過時，可以用圖5描述原副邊之間的關(guān)系。設(shè)原邊電流為ip，該電流使得磁芯的磁通密度有一個偏置，不妨認(rèn)為該偏置是副邊造成的，將原邊電流等效到副邊，記副邊等效電流為Ip。

圖5原副邊之間的等效電路

原副邊電流產(chǎn)生的磁勢相同，而原邊匝數(shù)為1，故副邊等效電流為Ip=ip/N2根據(jù)基爾霍夫電壓定律，建立副邊激磁回路方程如式（4）。（4）式（4）中，i（t）是副邊的激磁電流。設(shè)開始時刻t0磁芯恰好達(dá)到負(fù)向磁飽和狀態(tài)，由磁勢方程中電流與磁場強度之間的關(guān)系，可以得到：（5）式（5）中，Hs是磁芯剛進入飽和時對應(yīng)的磁場強度，i(t0)是副邊激磁電流的初始值。

取激磁電流的一個周期進行分析，由于進入飽和區(qū)后曲線平緩，故經(jīng)過可以忽略的極短時間后，采樣電阻電壓達(dá)到閾值，激磁電壓開始反向，設(shè)磁芯下一次達(dá)到飽和的時間為t1，再次達(dá)到反向飽和的時間為t1+t2。同理，t1時刻，有：（6）聯(lián)立方程式（4）-式（6），解得激磁電流在1個周期內(nèi)的表達(dá)式為：

i(t)=（7）式（7）中，τ為時間常數(shù)，t1、t2分別為式（8）。（8）認(rèn)為Ip<Is?IH，現(xiàn)對1個周期內(nèi)i（t）的直流分量進行求解，則：（9）式（9）中，d0為每個周期內(nèi)i（t）的直流分量。

可以得到，副邊激磁電流的直流分量與原邊直流等效到副邊電流的相反數(shù)相同。

2.2.B型剩余電流保護器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

B型剩余電流保護器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖6所示，上磁芯對應(yīng)電路能夠?qū)γ}動直流及1000Hz以下正弦交流剩余電流做出反應(yīng)并正確動作。對于原邊的脈動直流剩余電流，不通過特殊手段，其直流部分是無法反映到副邊的，因此實際上副邊電流得到的波形僅為脈動的。對于1000Hz以下的正弦交流剩余電流，隨著交流頻率的增加，由于磁滯損耗、渦流損耗、執(zhí)行機構(gòu)動作所需磁力的增長以及濾波器作用，執(zhí)行機構(gòu)的動作電流會相應(yīng)上升［23-27］，增加了整定的復(fù)雜性。

圖6B型剩余電流保護器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

考慮到上磁芯檢測到的波形較為復(fù)雜，且存在剩余電流是脈動直流與1000Hz以下交流的復(fù)合電流的情況，實時識別波形類型的難度大出一種基于整流器的檢測動作機制。

3 磁芯的材料

原邊直流、脈動剩余直流和副邊高頻激磁電流對磁芯材料提出了較高的要求，磁芯材料的選擇將直接影響B(tài)型剩余電流保護器的性能。根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對應(yīng)檢測的剩余電流特征不同，磁芯的材料將有所區(qū)別。

3.1上磁芯的材料

上磁芯能夠?qū)γ}動直流和1000Hz以下交流剩余電流做出反應(yīng)，即使原邊電流含有直流成分，和脈動直流的脈動部分也能正確反映到副邊正弦交流，因此上磁芯材料是抗直流的。當(dāng)原邊電流含有直流成分時，磁芯的磁通密度與原邊電流關(guān)系曲線如圖7所示。在t0時刻，電流從0瞬間變到I0，磁芯的磁通密度由于此直流部分的偏置，從-Br直接變?yōu)?/span>B0，脫離了線性區(qū)；t0到t1時間內(nèi)，電流從I0增加到Imax，對應(yīng)的磁通密度從非線性區(qū)的B0直接進入飽和區(qū)的Bmax，脈動部分電流反映到副邊的波形會明顯失真。

圖7磁芯的磁通密度與原邊電流關(guān)系曲線

為了避免上述情況的發(fā)生，對于上磁芯材料的選擇，首先，磁芯材料的磁滯回線扁平，在原邊剩余電流含有直流成分時，磁芯材料仍能保持在線性區(qū)，便于原邊疊加的交流剩余電流成分能完整地反映到副邊；其次，磁芯材料要同時保持高磁導(dǎo)率，由于直流成分的偏置，對交流剩余電流成分，磁通密度的變化較沒有偏置時小，副邊驅(qū)動能力變?nèi)?，故要選擇高磁導(dǎo)率的材料來維持驅(qū)動能力。

3.2下磁芯的材料

B型剩余電流保護器的下磁芯材料需選用納米晶或非晶材料，它們均具有極低的磁滯、渦流損耗和較高的磁導(dǎo)率，常用于高頻變壓器中。由于副邊激磁電流頻率很高，故主要研究在高頻條件下不同非晶與納米晶材料的特性。

在外磁場的作用下，非晶與納米晶材料在特定條件下磁致伸縮現(xiàn)象明顯，其長度尺寸及體積大小均要發(fā)生變化，此現(xiàn)象發(fā)生時會進一步引發(fā)鐵磁共振現(xiàn)象，這是由磁芯材料和幾何力學(xué)相互之間復(fù)雜作用的結(jié)果，具體表現(xiàn)為隨著激磁電流頻率的增加，磁芯材料的磁滯回線出現(xiàn)不對稱、變形扭曲與磁滯、渦流損耗極不穩(wěn)定的波動等反常現(xiàn)象。由于磁調(diào)制檢測直流的機理是建立在磁滯回線正常的條件下，故選擇下磁芯的材料時要盡可能抑制磁致伸縮現(xiàn)象的產(chǎn)生。大量實驗表明，非晶與納米晶材料在磁滯回線拐點處之后磁致伸縮現(xiàn)象較為明顯，而一般磁滯回線拐點處距離剩磁Br較近，故可以認(rèn)為在超過剩磁之后磁致伸縮現(xiàn)象不可忽略。當(dāng)剩磁處距離磁飽和區(qū)域高點較近，即剩磁較高時，實際在高頻下發(fā)生磁致伸縮現(xiàn)象的范圍極其有限，從而這種材料的磁滯回線能夠應(yīng)用于磁調(diào)制原理當(dāng)中；同時在高頻下高剩磁的材料磁芯損耗密度比低剩磁的材料要低，故下磁芯宜選擇具有高剩磁的非晶或者納米晶材料。

4仿真分析

由于上磁芯及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要大量實驗進行重疊區(qū)的整定，且原邊波形種類復(fù)雜，不便于進行仿真，這里僅對下磁芯及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的直流波形檢測做仿真分析。選取具有高剩磁的非晶材料日立Matglas-2605S3A，并做如下簡化：

1）非晶材料的磁滯回線選擇頻率為10kHz、大磁通密度為0.65T，用反正切函數(shù)做近似，用小二乘法擬合，得到簡化磁滯回線表達(dá)式為B=0.4138arctan（0.0135H）。

與仿真相關(guān)的具體參數(shù)如表1所示。

在Multisim平臺上進行仿真，磁芯用可編輯磁滯回線的非線性變壓器代替，當(dāng)原邊沒有剩余電流通過與原邊出現(xiàn)0.5A的直流剩余電流時，激磁電流的波形分別如圖8、圖9所示。

圖8沒有剩余電流時激磁電流的波形圖

圖9有0.5A剩余直流時激磁電流的波形圖

當(dāng)原邊沒有剩余電流產(chǎn)生時，激磁電流波形在每個周期內(nèi)大于零與小于零的時間相同，故直流分量為0；當(dāng)原邊出現(xiàn)剩余電流時，激磁電流在每個周期內(nèi)大于零的時間少于小于零的時間，整體電流波形較原邊沒有剩余電流時有明顯下傾趨勢，說明直流分量小于0，與原邊直流符號相反，符合磁調(diào)制的結(jié)果?，F(xiàn)進一步對該波形的直流分量進行計算，由于采樣點是離散的，可用離散點表示的復(fù)化梯形公式計算積分。

當(dāng)原邊沒有剩余電流產(chǎn)生時，激磁電流波形在每個周期內(nèi)大于零與小于零的時間相同，故直流分量為0；當(dāng)原邊出現(xiàn)剩余電流時，激磁電流在每個周期內(nèi)大于零的時間少于小于零的時間，整體電流波形較原邊沒有剩余電流時有明顯下傾趨勢，說明直流分量小于0，與原邊直流符號相反，符合磁調(diào)制的結(jié)果。現(xiàn)進一步對該波形的直流分量進行計算。由于采樣點是離散的，可用離散點表示的復(fù)化梯形公式計算積分。

（10）式（10）中，i（t）是激磁電流在t時刻對應(yīng)電流大小，T是每次進行計算采用的時間間隔，h是采樣間隔，xk是采樣的時刻，它與時間間隔的關(guān)系為xk=kh。

這種計算方法的計算誤差與采樣間隔的平方成正比，故誤差很小。時間間隔取2.5ms，采樣間隔為1μs，對所有采樣點進行計算，得到激磁電流的周期分量d0=-4.98mA，其值與原邊剩余直流轉(zhuǎn)化到副邊值Ip=5.0mA的相反數(shù)相近，說明基于磁調(diào)制的直流檢測技術(shù)能正確反映原邊的剩余直流。對激磁電流的頻率進行分析，無論原邊是否有剩余電流，激磁電流的頻率都在4kHz左右，故下磁芯在該頻率下具有較小的磁滯、渦流損耗，選擇高剩磁的非晶與納米晶材料剛好符合此要求。

二、解決方案

圖1平臺結(jié)構(gòu)圖

充電運營管理平臺是基于物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的充電設(shè)施管理系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對充電樁的監(jiān)控、調(diào)度和管理，提高充電樁的利用率和充電效率，提升用戶的充電體驗和服務(wù)質(zhì)量。用戶可以通過APP或小程序提前預(yù)約充電，避免在充電站排隊等待的情況，同時也能為充電站提供更準(zhǔn)確的充電需求數(shù)據(jù)，方便后續(xù)的調(diào)度和管理。通過平臺可對充電樁的功率、電壓、電流等參數(shù)進行實時監(jiān)控，及時發(fā)現(xiàn)和處理充電樁故障和異常情況對充電樁的功率進行控制和管理，確保充電樁在合理的功率范圍內(nèi)充電，避免對電網(wǎng)造成過大的負(fù)荷。

三、安科瑞充電樁云平臺具體的功能

平臺除了對充電樁的監(jiān)控外，還對充電站的光伏發(fā)電系統(tǒng)、儲能系統(tǒng)以及供電系統(tǒng)進行集中監(jiān)控和統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，提高充電站的運行可靠性，降低運營成本，平臺系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖2充電樁運營管理平臺系統(tǒng)架構(gòu)

大屏顯示：展示充電站設(shè)備統(tǒng)計、使用率排行、運營統(tǒng)計圖表、節(jié)碳量統(tǒng)計等數(shù)據(jù)。

圖3大屏展示界面

站點監(jiān)控：顯示設(shè)備實時狀態(tài)、設(shè)備列表、設(shè)備日志、設(shè)備狀態(tài)統(tǒng)計等功能。

圖4站點監(jiān)控界面

設(shè)備監(jiān)控：顯示設(shè)備實時信息、配套設(shè)備狀態(tài)、設(shè)備實時曲線、關(guān)聯(lián)訂單信息、充電功率曲線等。

圖5設(shè)備監(jiān)控界面

運營趨勢統(tǒng)計：顯示運營信息查詢、站點對比曲線、日月年報表、站點對比列表等功能。

圖6運營趨勢界面

收益查詢：提供收益匯總、實際收益報表、收益變化曲線、支付方式占比等功能。

圖7收益查詢界面

故障分析：提供故障匯總、故障狀態(tài)餅圖、故障趨勢分析、故障類型餅圖等功能。

圖8故障分析界面

訂單記錄：提供實時/歷史訂單查詢、訂單終止、訂單詳情、訂單導(dǎo)出、運營商應(yīng)收信息、充電明細(xì)、交易流水查詢、充值余額明細(xì)等功能。

圖9訂單查詢界面

三、產(chǎn)品選型

    安科瑞為廣大用戶提供慢充和快充兩種充電方式，便攜式、壁掛式、落地式等多種類型的充電樁，包含智能7kw/21kw交流充電樁，30kw直流充電樁，60kw/80kw/120kw/180kw直流一體式充電樁來滿足新能源汽車行業(yè)快速、經(jīng)濟、智能運營管理的市場需求。實現(xiàn)對動力電池快速、高效、安全、合理的電量補給，同時為提高公共充電樁的效率和實用性，具有有智能監(jiān)測：充電樁智能控制器對充電樁具備測量、控制與保護的功能；智能計量：輸出配置智能電能表，進行充電計量，具備完善的通信功能；云平臺：具備連接云平臺的功能，可以實現(xiàn)實時監(jiān)控，財務(wù)報表分析等等；遠(yuǎn)程升級：具備完善的通訊功能，可遠(yuǎn)程對設(shè)備軟件進行升級；保護功能：具備防雷保護、過載保護、短路保護，漏電保護和接地保護等功能；適配車型：滿足國標(biāo)充電接口，適配所有符合國標(biāo)的電動汽車，適應(yīng)不同車型的不同功率。下面是具體產(chǎn)品的型號和技術(shù)參數(shù)。

四、現(xiàn)場圖片

五、結(jié)論

本文給出了用于汽車充電樁的B型剩余電流保護器的一種設(shè)計方案，對其原理與磁芯材料進行了分析，結(jié)合仿真結(jié)果，得到了以下結(jié)論：

1）B型剩余電流保護器是雙磁芯結(jié)構(gòu)，上磁芯及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)僅對1000Hz以下正弦交流剩余電流、脈動直流剩余電流的脈動部分以及它們的復(fù)合電流作出反應(yīng)，磁芯在原邊剩余電流有直流成分時不能飽和，宜選擇磁滯回線扁平、高磁導(dǎo)率的材料；下磁芯及其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)僅對直流剩余電流作出反應(yīng)，磁芯宜選擇具有高剩磁的非晶或納米晶材料，它們發(fā)出的脫扣命令之間是“或"的邏輯關(guān)系。

2）對于反映具有復(fù)雜波形的剩余電流，采用整流的方法，避免了對波形的實時識別，通過判斷整流后的電流是否在重疊區(qū)內(nèi)，確定是否發(fā)出脫扣信號。

3）直流剩余電流的檢測采用磁調(diào)制技術(shù)，將原邊的直流以直流分量的形式反映到副邊激磁電流當(dāng)中。仿真結(jié)果表明，采用高剩磁的非晶磁芯材料，能正確檢測原邊直流剩余電流，提取激磁電流的直流分量與原邊電流換算到副邊的相反數(shù)數(shù)值相近。

綜上所述，用于汽車充電樁的B型剩余電流保護器的設(shè)計就現(xiàn)有技術(shù)手段可以實現(xiàn)，但是由于我國在材料研究上稍落后于國際水平，加之部分材料限制對我國的出口，相應(yīng)的磁芯材料的獲取成為B型剩余電流保護器國產(chǎn)自主化的瓶頸；其次，對磁芯的布線與磁屏蔽方案對B型剩余電流保護器性能的影響也待進一步探究。

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