Wyzwania monitorowania prądów resztkowych w ładowaniu EV prądem zmiennym

Autor: Clément Amilien, dyrektor ds. globalnego zarządzania produktami motoryzacyjnymi w firmie LEM

Infrastruktura dla pojazdów elektrycznych (EV) ewoluuje, a rynek ładowarek naściennych prądu zmiennego szybko rośnie. Jednocześnie pojawiają się nowe wyzwania, szczególnie w pojazdach elektrycznych, związane z rozwojem ładowania dwukierunkowego i zastosowań typu pojazd-wszystko (V2X). Trendy te oznaczają, że monitorowanie prądów resztkowych (RCM) zajmuje centralne miejsce w zastosowaniach ładowania prądem zmiennym.

W niniejszym artykule omówiono obecny rynek, nowe trendy oraz znaczenie monitorowania prądów resztkowych zarówno w ładowarkach naściennych, jak i w pojazdach elektrycznych, w celu zapewnienia zgodności z przepisami i normami bezpieczeństwa, a jednocześnie zapewnienia konkurencyjności w czasie wprowadzania produktu na rynek.

Dojrzałość rynku i nowe trendy ładowania prądem zmiennym

Rynki ładowarek naściennych i kabli prądu zmiennego odnotowały znaczny wzrost, napędzany przez coraz większą popularność pojazdów elektrycznych na całym świecie. Rynki te szybko się rozwinęły i charakteryzują się dobrze zdefiniowanymi specyfikacjami oraz rygorystycznymi normami, które zapewniają bezpieczeństwo i sprawność ładowania pojazdów elektrycznych prądem zmiennym.

Jednak nowe wyzwania pojawiają się w samych pojazdach elektrycznych.

Po pierwsze, kolejnym ważnym trendem ładowania prądem zmiennym jest beztransformatorowa ładowarka wbudowana (OBC), ponieważ producenci samochodów stają przed wyzwaniem redukcji wagi i objętości, a także poprawy sprawności każdego układu w pojeździe elektrycznym, a jednocześnie kontroli kosztów przy produkcji wielkoseryjnej. Te wymagania dotyczące parametrów działania i wyzwania związane z bezpieczeństwem ze względu na wysokie napięcia i prądy oznaczają, że monitorowanie prądów resztkowych (RCM) staje się coraz ważniejszą częścią systemu.

Drugim wyzwaniem są nowe poziomy złożoności wynikające z wprowadzenia technologii pojazd-wszystko (V2X). Dzięki technologii pojazd-wszystko (V2X) energia zmagazynowana w bateriach pojazdów elektrycznych może zasilać inne pojazdy, domy, urządzenia AGD, a nawet sieć, a nie tylko pojazd. Ta zmiana paradygmatu ma istotne implikacje dla projektowania i działania infrastruktury ładowania pojazdów elektrycznych, a także wewnętrznych obwodów i systemów ładowania. Dwukierunkowe systemy ładowarek wbudowanych (OBC) są niezbędne do realizacji funkcji pojazd-wszystko (V2X), a systemy te wymagają zaawansowanych rozwiązań bezpieczeństwa, aby chronić użytkowników końcowych pojazdów elektrycznych przed porażeniem prądem elektrycznym. Dwukierunkowe ładowarki wbudowane (OBC) wymagają wyjątkowo niezawodnych i dokładnych rozwiązań do monitorowania prądów resztkowych (RCM), które będą w stanie obsługiwać zarówno prądy zmienne, jak i stałe, a jednocześnie będą zgodne z najnowszymi przepisami, takimi jak ISO5474.

Problem biznesowy

Podstawową kwestią w ładowaniu pojazdów elektrycznych jest zapewnienie bezpieczeństwa użytkowników przed porażeniem prądem elektrycznym. Tradycyjna infrastruktura ładowania prądem zmiennym charakteryzuje się solidnymi normami i jasnymi specyfikacjami. W pojazdach elektrycznych przejście na beztransformatorowe i dwukierunkowe systemy ładowarek wbudowanych (OBC) wiąże się jednak z komplikacjami, które wymagają wyższych norm wykrywania prądów resztkowych. W szczególności czujniki do monitorowania prądów resztkowych (RCM) muszą być odporne na pola magnetyczne i elektryczne otoczenia, skutecznie radzić sobie z przeciążeniami i unikać fałszywych wyzwoleń zakłócających proces ładowania.

Kluczową rolę w ochronie użytkowników przed porażeniem prądem elektrycznym odgrywają czujniki do monitorowania prądów resztkowych (RCM), wykrywając prądy upływowe i wyzwalając mechanizmy ochronne. W zastosowaniach związanych z ładowaniem pojazdów elektrycznych wymagania są szczególnie rygorystyczne. Wspomniane urządzenia muszą wykrywać prądy upływu prądu zmiennego i stałego oraz być bardzo wytrzymałe, aby uniknąć fałszywych alarmów, które mogą przerwać proces ładowania.

Pojawienie się dwukierunkowych systemów ładowarek wbudowanych (OBC) dodaje kolejną warstwę złożoności. Omawiane systemy muszą być zgodne z nową normą ISO5474, która określa wymagania bezpieczeństwa funkcjonalnego dla przenoszenia mocy prądu zmiennego w pojazdach elektrycznych. Czujniki do monitorowania prądów resztkowych (RCM) stosowane w dwukierunkowych systemach ładowarek wbudowanych (OBC) muszą być zgodne z tą normą, która nakazuje wykrywanie prądów upływu prądu stałego i zmiennego z wysoką dokładnością w celu zapewnienia bezpieczeństwa podczas operacji pojazd-wszystko (V2X).

Normy IEC 62752, UL2231, IEC62955 oraz nowa norma ISO5474 wymagają wykrywania prądów upływu prądu zmiennego i wygładzonego prądu stałego. Jak pokazano na ilustracji 2, nie można zastosować żadnego rozwiązania do monitorowania prądów resztkowych (RCM), ponieważ komponenty wykrywające prądy upływowe typu AC, A i F nie mogą zapewnić odpowiedniego poziomu bezpieczeństwa. Tylko typ B może mierzyć i wykrywać prąd zmienny i wygładzony prąd stały. 

Najnowocześniejsze rozwiązania do monitorowania prądów resztkowych

Technologia fluxgate zapewnia znakomite parametry wykrywania prądów resztkowych prądu zmiennego i stałego, dzięki czemu jest preferowanym wyborem do monitorowania prądów resztkowych w zastosowaniach ładowania pojazdów elektrycznych. Czujniki do monitorowania prądów resztkowych (RCM) z serii CDSR i CDT firmy LEM wykorzystują unikalną technologię fluxgate, która zapewnia wyjątkową dokładność i szerokość pasma.

Ważne jest również upewnienie się, że czujniki do monitorowania prądów resztkowych (RCM) działają prawidłowo, dlatego grupy produktów CDSR i CDT oferują wbudowany autotest i diagnostykę (temperatura, wykrywanie nadmiernego prądu, zabezpieczenie nadnapięciowe i podnapięciowe itp.). Zaangażowanie firmy LEM w jakość i innowacje, a także w zapewnienie zgodności z międzynarodowymi normami wyznacza standardy w branży i sprawia, że jej rozwiązania są atrakcyjne dla inżynierów z branży motoryzacyjnej w zakresie m.in. ładowania pojazdów elektrycznych (EV).

Ładowarki naścienne prądu zmiennego i kable ładujące

Idealne czujniki prądu do ładowarek naściennych prądu zmiennego muszą być zgodne z międzynarodowymi normami wyzwalania (IEC 62752/62955/UL 2231) i nadawać się do szerokiego zakresu poziomów mocy wyjściowej, a także obsługiwać architektury jednofazowe i trójfazowe, aby umożliwić ponowne wykorzystanie projektów w systemach ładowania prądem zmiennym o mocy od 3,3 kW do 22 kW.

Opracowana przez firmę LEM technologia fluxgate jest najdokładniejszą dostępną obecnie bezkontaktową technologią pomiarową, która pozwala czujnikom CDSR oferować wyjątkową dokładność monitorowania zarówno prądu zmiennego, jak i stałego, a także umożliwia wykrywanie prądu upływu o natężeniu zaledwie 5 mA. Czujniki są dostępne w wersjach jednofazowych i trójfazowych, dzięki czemu nadają się do różnych systemów ładowania. Kompaktowa konstrukcja i łatwa integracja, a także pionowy kształt usprawniają proces projektowania dla inżynierów systemowych i sprawiają, że są one idealnym wyborem dla producentów oryginalnego sprzętu (OEM) oraz głównych dostawców, którzy chcą zwiększyć bezpieczeństwo i poprawić parametry działania swoich ładowarek naściennych prądu zmiennego.

Niedawno wprowadzony na rynek czujnik CDT również bazuje na opatentowanej przez firmę LEM technologii fluxgate i wyróżnia się jako rozwiązanie do wykrywania prądu upływu w kablach ładujących dzięki niespotykanej dotąd dokładności ±0,5 mA przy natężeniu 5 mA i najlepszej w swojej kategorii klasie motoryzacyjnej. Urządzenia CDT oferują dynamiczne wyłączanie zwarciowe i zaawansowane funkcje diagnostyczne, spełniając jednocześnie wszystkie stosowne normy, co ułatwia inżynierom systemów proces projektowania.

Czujniki CDT są dostępne w wersji jednofazowej i trójfazowej, dzięki czemu mogą być używane z kablami ładującymi o różnych konfiguracjach. Zaawansowane funkcje diagnostyczne i dynamiczne wyłączanie zwarciowe dostarczają inżynierom systemów cennych narzędzi do optymalizacji parametrów działania i zapewnienia bezpieczeństwa rozwiązań ładowania.

Przejście na beztransformatorowe i dwukierunkowe systemy ładowarek wbudowanych (OBC)

Ewolucja w kierunku dwukierunkowych ładowarek wbudowanych (OBC), umożliwiających wykorzystanie baterii pojazdów elektrycznych (EV) jako źródeł zasilania w różnych zastosowaniach (V2X), podkreśla potrzebę stosowania czujników do monitorowania prądów resztkowych (RCM) klasy motoryzacyjnej typu B, zgodnych z normą ISO 26262 ASIL B oraz nową normą ISO5474. Czujnik CDT-SF firmy LEM spełnia wszystkie te wymagania i oferuje dwa niezależne kanały pomiarowe, możliwości autodiagnostyki, opisany powyżej przełomowy poziom dokładności oraz szczegółowe raportowanie błędów za pośrednictwem szeregowego interfejsu urządzeń peryferyjnych (SPI). Dwa niezależne kanały pomiarowe zapewniają redundancję i zwiększają niezawodność, a funkcje autodiagnostyki i szczegółowego raportowania błędów zapewniają optymalne parametry działania i bezpieczeństwo. Omawiany czujnik pozwala również na zastosowanie w pełni zewnętrznego uzwojenia probierczego do prób bezpieczeństwa i nie tylko.

Funkcja dynamicznego wyzwalania pozwala inżynierom systemów na ustawienie wartości progowej wyzwalania zgodnie z określonymi wymaganiami regionalnymi i normatywnymi. Elastyczność ta sprawia, że czujnik ten może być używany w różnych branżach i zastosowaniach, a także do adaptacji systemu i poprawy sprawności podczas przełączania z ładowania z pojazdu do odbiornika (V2L) na ładowanie z pojazdu do sieci (V2G).

Podsumowanie

W szybko ewoluującym świecie ładowania pojazdów elektrycznych (EV) prądem zmiennym firma LEM nadal jest liderem dzięki innowacyjnym rozwiązaniom do monitorowania prądów resztkowych (RCM) (ilustracja 3). Odpowiadając na najdrobniejsze wyzwania zastosowań dwukierunkowych i technologii pojazd-wszytko (V2X) oraz zapewniając zgodność z najnowszymi normami, firma LEM dostarcza inżynierom systemów niezawodne, wysokiej jakości czujniki, które upraszczają procesy projektowania i zwiększają bezpieczeństwo. Wraz z rozwojem rynku firma LEM pozostaje kluczowym graczem, stymulującym postęp i wyznaczającym standardy w technologii pomiarów elektrycznych.

Wraz z upowszechnieniem się pojazdów elektrycznych i zwiększaniem się złożoności zastosowań ładowania prądem zmiennym, rośnie zapotrzebowanie na zaawansowane rozwiązania w zakresie monitorowania prądów resztkowych, które nigdy nie było większe. Czujniki CDSR i CDT firmy LEM zapewniają inżynierom systemów narzędzia potrzebne do zapewnienia bezpieczeństwa i parametrów działania rozwiązań ładowania, podczas gdy czujnik CDT-SF jest odpowiedzią na unikalne wyzwania dwukierunkowych systemów ładowarek wbudowanych (OBC) i zastosowań pojazd-wszystko (V2X). Wraz z rozwojem branży, firma LEM stawia na innowacyjność i doskonałość, aby utrzymać pozycję lidera w dziedzinie technologii pomiarów elektrycznych, dostarczając niezawodnych i dokładnych rozwiązań przyszłości w dziedzinie ładowania pojazdów elektrycznych (EV).