浅谈电动汽车充电桩的防触电保护

王蒙蒙

安科瑞电气股份有限公司 上海嘉定201801

摘要：防触电保护是电器安稳设计首先要考虑的问题。介绍防触电保护的基本要求和方法，然后结合电动汽车充电设备的安稳标准，分析了这些方法如何合理运用，希望大家在安稳使用新能源技术的前提下，创造绿色、环保的明天。

关键词：防触电保护；直接触电的防护；间接触电的防护；附加防护

引言

    能源问题、环境保护问题日益成为国际社会关注的焦点，特别是在快速发展的中国不仅面临石油短缺的严峻挑战，而且随着汽油车保有量的飞速增长，日益严重的汽车尾气污染，已经成为它不能承受的后果。在北京、上海、广州等大城市，机动车已成为排放一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物等污染物的一大污染源。业内人士估计，10~15年之后我国的汽车保有量可能超过1亿辆。因此，治理汽车污染将是一项长期的、艰巨的、复杂的系统工程。

    电动汽车作为一种新型交通工具，用电池作驱动，实现了零排放。它在缓解能源危机，保护环境方面有着传统汽油车无可比拟的优势。由于电动汽车是靠电池驱动，当电动汽车电池的电能消耗到一定程度时，就需要依靠充电装置对电动汽车内的动力电池进行充电，从而满足电动汽车的循环使用。这样充电装置成为了电动汽车使用环节中的重要一环。由于充电装置相比其他的家用电器功率和电流都较大，大多数安装在公共场所，充电装置的使用安稳是所有电动汽车的生产厂家、物业和车主共同关心的话题。充电装置的使用安稳主要依靠充电装置的安稳设计，结合IEC标准及中国国内的一些标准，探讨充电装置设计中须要注意的一些特殊要求。

一、安稳标准简介

    现行有效的IEC有关充电桩安稳标准为：IEC61851—1（2010电动汽车传导充电系统*1部分通用标准）；IEC61851—21（2002电动汽车传导充电系统第21部分交流/直流电源传导连接的要求）；IEC61851—22（2002电动汽车传导充电系统第22部分交流电动汽车充电站）；IEC61851—23（2014电动汽车传导充电系统第23部分直流电动汽车充电站）。

    整个IEC61851的标准系统里面，它涵盖了防触电保护的要求，防止大能量电弧的要求，防止过热的要求，防止机械危险的要求等。在诸多防护要求中，防触电保护是较基本的，也是较重要的保护，因为潜在的电击风险又可以引起火灾及其它复合危险，看不到、闻不到，不能预先感知，所以IEC的标准要求充电设备在设计时就要考虑到这些风险，把这些风险发生的机率降到较小。着重讨论IEC61851系列和GB系列有关充电设备防触电保护的要求。

二、结合标准分析充电桩防触电保护的要求

    由于充电桩在工作状态时须要连接电动汽车，所以充电桩不仅要有自身的防触电保护措施，还需要检测电动汽车的安稳状况，一旦发现电动汽车绝缘破坏应立刻切断电源。所以充电桩的充电电缆和电动汽车的充电接口连在一起后，需要确认完全连接，并持续检测电动汽车的接地线是否和充电桩的接地保护线可靠地连接在一起。这里分别列举一个交流充电桩和一个直流充电桩的连接和充电过程来分析防触电保护措施的运用。

1、交流充电桩的连接

    从图5可知充电桩和电动汽车的连接点1，2是单相电源的L，N线的连接点，连接点3是接地保护连接点，连接点4是控制导引连接点，连接点5是位置检测连接点。图中R4，R5，R6，R7和开关S3组成位置检测的功能。当充电桩和电动汽车完全连接后，测试点1的电压由于充电桩连接器上的电阻R6并入位置检测电路而发生变化，这样检测电路根据电压的变化可判断充电桩和电动汽车是否已经完全连接好，只有完全连接后充电桩才会向电动汽车充电。S3的功能是防止充电桩和电动汽车的连接意外断开。S3是常闭开关，在正常连接时，R7是被短路的，当要断开连接时，由于S3和连接器的机械联锁组合在一起，需要要断开S3，这样R7就并联在位置检测电路上，测试点1的电压发生变化，检测电路根据电压的变化可判断充电桩是否要和电动汽车脱离连接，在充电桩的连接器和电动汽车的插座脱离前及时切断充电电流，防止电弧危险及危险带电体被触及。

2、直流充电桩的连接

    直流充电桩分为隔离直流充电机和非隔离直流充电机，所谓的隔离直流充电桩是指直流输出电路和电源交流侧至少是基本绝缘，目前电动汽车充电桩的安稳标准主要针对隔离直流充电桩。在直流充电桩的安规标准中强调了需要采用自动切断电源的保护措施，同时要求直流充电桩应和交流电源侧中的A型漏电保护器相兼容。在控制导引方面的防触电保护，除了交流充电桩的要求之外，还增加了在充电前的绝缘电阻的检测，要求绝缘电阻R：R≥100Ω/V*U （1）式中U为直流充电桩的额定输出电压。

    防电击保护，交流侧沿用了交流充电桩的基本要求，充电桩的金属外壳需要和保护接地相连，实现等电位和自动故障断电。直流侧见图6中的隔离变压器次级，直流+，-端和地之间跨接了绝缘监测器，它的目的在于监测直流输出端和地的绝缘情况。当直流电流由隔离变压器输出时，变压器次级的电路和地之间实际形成了IT系统，当直流端和地发生一次绝缘故障时，由于变压器的隔离作用，直流端对地不能形成回路，所以故障电流很小，不足以触发断路器或漏电保护器动作，如果不加以监测，那么这个故障就会作为一个隐患保留下来，潜在的风险很大。所以在正式充电前还要进行绝缘电阻的监测，绝缘电阻值不能小于式（1）计算出来的值，否则就不允许充电。

    当直流充电桩在充电过程中检测到充电桩或汽车的异常情况，须要通过紧急终止来保证安稳。异常情况包括检测到非正常的接地泄漏，过电流和绝缘失效。

图6直流充电控制导引电路

三、安科瑞充电桩运营管理平台

1、系统架构

    安科瑞Acrelcloud-充电桩收费运营云平台系统通过物联网技术对接入系统的充电桩站点和各个充电桩进行不间断地数据采集和监控，同时对各类故障如充电机过温保护、充电机输入输出过压、欠压、绝缘检测故障等一系列故障进行预警；用户通过微信小程序扫描二维码，进行支付后，系统发起充电请求，控制二维码对应的充电桩完成电动汽车的充电过程。

    充电桩可选配WIFI模块或GPRS模块接入互联网，配合加密技术和秘钥分发技术，基于TCP/IP的数据交互协议，与云端进行直连。云平台包含了充电收费和充电桩运营的所有功能，具体功能如下：

      资源管理：充电站档案管理，充电桩档案管理，用户档案管理，充电桩运行监测，充电桩异常交易监测。

      交易结算：充电价格策略管理，预收费管理，账单管理，营收和财务相关报表

      用户管理：用户注册，用户登录，用户帐户管理，消息管理

      充电服务：充电设施搜索，充电设施查看，地图寻址，在线自助支付充电，充电结算，导航等

      微信小程序：扫码充电，账单支付等功能

      数据服务：数据采集，短信提醒，数据存储和解析

      变压器监控：监控充电站变压器负荷，每个充电站配备一块ARCM300T无线表，超负荷时系统自动对充电桩的进行调度管理，即当负荷超过百分之五十时，系统会限制新增开始充电的充电桩的功率，降为百分之五十，当变压器负荷超过百分之八十时，系统将不允许新增充电桩开始充电，直到负荷下降为止。

2、平台功能

2.1平台登录

    在浏览器打开云平台链接、输入账户名和权限密码，进行登录，防止未授权人员浏览有关信息。

2.2平台首页

    平台首页总览每天的开户数、充值金额、充电金额、充电度数、充电次数、充电时长，累计的开户数、充值金额、充电金额、充电度数、充电次数、充电时长，以及相应的环比增长和同比增长以及桩、站分布地图导航、本月充电统计。

2.3实时监控

充电站监控

    充电站监控页面监视用户充电枪总数、正在充电的枪数、空闲枪数、插枪数量、故障枪数量等，汇总了用户拥有各桩的当日充电总次数、总电量、总时长，进行负荷限制、故障查询。

充电枪监控

    充电桩监控页面充电枪的基本信息、今日充电电量、今日充电次数、今日充电时长和累计充电电量、累计充电次数、累计充电时长等、充电电压电流等参数。

2.4微信小程序

搜索与使用

    微信小程序可以通过扫描二维码和微信文字搜索找到，点击后可以加入到小程序列表，如下图所示

授权登录界面

    用户通过搜索或者扫码等途径初次打开小程序时，会进入这个页面，需要用户授权登录才可以进入小程序主功能页面，如图所示：

主功能页

    初次进入主功能页时需要授权定位才可以使用地图相关功能，在地图上查看到当前所在区域的充电站，查看充电站信息，可以进行扫码充电操作，地图导航等。

充电

    扫描充电枪上的二维码，如果当前充电桩可用即可进入充电选择页面，可以查看到当前的充电站名称、充电枪名称，以及当前的账户余额，电价和预计可充电量等数据，还可以查看当前账户的历史充电记录。充电方式分为按时间充电、按金额充电、按电量充电这三种方式。充电结束可以进进行评价。

个人信息

    个人信息可以显示当前登录账号的昵称和余额，同时包括、充值、充值记录查询、账单查询、充电记录查询、设置支付密码等功能

3、硬件配置

3.1平台服务器：建议按照我方推荐配置购买，或者客户自己租用阿里云资源。

推荐硬件配置清单：（如申请阿里云可忽略）

若客户自己租用阿里云服务器，服务器配置根据充电枪点数的不同，分别如下：

3.2现场推荐硬件配置清单：

四、结束语

防触电保护只是安稳防护的一个方面，充电桩的安稳防护还包括过载防护、短路防护、浪涌保护、机械防护等。充电桩安稳标准上的所有要求都围绕着上述防护的要求而展开。需要强调的是，大部分充电桩都是固定安装形式且多是I类电器，所以仅靠产品上采取的措施往往并不能完全满足安稳的要求，还需要在电气装置的设计和安装上补充一些必要的安稳措施。产品设计和电气安装设计通常是协调配合，相辅相成。

参考文献：

[1]GB/T18487.1—2001，电动车辆传导充电系统一般要求［S］.

[2]陈伟康，郑豪.电动汽车充电桩的防触电保护

[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2020.06版

作者简介：

王蒙蒙，女，现任于安科瑞电气股份有限公司，主要从事电瓶车充电桩的研发和应用