כיצד להשתמש במנטרי זרם שיורי כדי להבטיח בטיחות חשמלית כשטוענים רכבים חשמליים

טעינה תכופה של סוללת מתח גבוה של רכבים חשמליים (EVs) מתורגמת לדרישות מאמץ מכני גבוה עבור כבלי טעינה ומחברים. אם הבידוד נפגע וחלקי מתכת חיים נחשפים, או מצדים (Shunts‏) נמצאים באלקטרוניקה שבתוך-הרכב, זרמים שיוריים מסכני חיים יכולים להתרחש בגופו של המשתמש ברכב חשמלי. בעייתיות במיוחד הן צורות זרם שיורי DC‏ שונות שלא ניתנות לגילוי על ידי התקני זרם שיורי (RCD‏) Type-A‏ רגישים ל-AC.

כדי למנוע תאונות מכת חשמל, יצרנים של ציוד הספקת-כוח לרכבים חשמליים (EVSE‏) חייבים לשלב התקני RCD‏ במוצרי אלקטרוניקת הספקת-הכוח שלהם הגורמים לניתוק תוך מספר מילי-שניות במקרה של זרמים שיוריים AC ו-DC של כמה מיליאמפר (mA‏).

מאמר זה מסביר את הצורות של זרמים שיוריים, כיצד למדוד אותם, והיכן להתקין את ה-RCD במעגל הטעינה. אחר כך הוא מציג מנטרי זרם שיורי (RCM‏) של Littelfuse שמתכנני מערכת יכולים להשתמש בהם כדי להוסיף הגנה מפני מכת חשמל DC בהתקני EVSE באופן יעיל וחסכוני בעלות ובזמן. המאמר גם מדגים עבור אלו אופני טעינת EV חיישני זרם אלה מתאימים וכיצד משתמשים בהם.

זרמים שיוריים במעגל טעינה של EV

טעינת רכבי EV‏ במתחים של עד 400 וולט AC‏ ו-1,000‏ וולט DC‏ דורשת אמצעי הגנה נרחבים עבור משתמשי ה-EV כאשר הם מטפלים בציוד הטעינה. בשל פולסי המיתוג האסימטריים ועתירי-ההרמוניות של עמדות טעינה ומטענים מובנים, כמו גם מספר מאות וולט של מתח DC Link‏, סוגים שונים של זרמים שיוריים AC ו-DC יכולים לעבור דרך מצדים (Shunts) בשל תופעות צימוד, פגמי בידוד ותקלות זליגה.

מעגלים אלקטרוניים להספקת-כוח כמו מיישרי זרם, ממירים ממותגים, מהפכי תדר, ביחד עם מערכות מהפך ובקרת זווית-פאזה, הם בעלי מגוון רחב של מאפייני זרם עומס. הזרמים השיוריים הפוטנציאליים המתקבלים מסווגים כסינוסואידאליים AC‏, פולסים DC‏ ו-DC ישיר. צורות זרם שיורי אלו הן מסוכנות לבני אדם. טבלה 1‏ מראה אותות זרם עומס אופייניים של טופולוגיות מעגל שונות וצורות הגל המתקבלות של הזרם השיורי. עמודות 1 עד 3 מקצות סוגי RCD המתאימים עבור גילוי.

טבלה 1‏: צורות זרם תקלה והגילוי שלהם לפי סוג ה-RCD המתאים ביותר (עמודות 1 עד 3). (מקור התמונה: Wikipedia)

הכרה טובה של צורות-גל זרם שיורי יכולה לעזור למוסכי תיקון EV וחשמלאים לאתר זרמים שיוריים באלקטרוניקה של EV,‏ EVSE או תחנות טעינה.

מאפייני ניתוק של סוגי RCD

באופן כללי, הגנה אישית מפני מכת חשמל בהתקנות חשמליות מוסדרת על ידי IEC 60479‏ ו-UL 943‏. שני התקנים מגדירים זרמים שיוריים משמעותיים AC‏ ו-DC‏ בתחום של‏ 6, 30‏, 100, 300‏, 500 ו-‏‎1000 mA, בזמני ניתוק מ-ms‏ 20‏ עד ‎500 ms‏. ספי ניתוק נפוצים במעגלי טעינת EV‏ הם DC‏ mA‏ 6‏ ו-AC‏ mA‏ 30‏.

מתכנני מערכת יכולים כעת לממש בקלות דרישות הגנה אישית מסוימות במעגל הטעינה על ידי בחירת סוג ה-RCD בתקן המתאים. טבלה 2 כוללת רשימה של צורות זרם שיורי וטולרנס ניתוק של התקני RCD שונים או סוגים של מנתקי מעגל בשל תקלת הארקה (GFCI).

טבלה 2‏: מאפייני ניתוק של סוגי GFCI‏ או RCD‏ שונים. (מקור הטבלה: abb.com)

התקנת RCDs‏ במעגלי טעינת EV‏

התקני RCD‏ Type-A‏ או Type-F‏ מגלים זרמים שיוריים AC וזרמי פולסים DC בלבד, וזה לא מספיק עבור הגנה על מעגל טעינת EV. יש לקחת בחשבון גם מגוון רחב של זרמים שיוריים DC‏ ישירים היכולים להיגרם במטען המשולב או במערכת ניהול הסוללה.

לפיכך, תקן IEC 62196‏ מגדיר שתי אפשרויות הגנה מזרם שיורי: השימוש ב-RCD‏ Type B‏ (או +Type B‏) הרגיש לכל סוגי הזרם, או RCD‏ Type A‏ ביחד עם מערכת ניטור DC‏ שיורי לפי IEC 62955‏ עם _Δn‏I‏ DC‏ ≥ mA‏ 6‏. ניתן לסדר את ניטור זרם התקלה DC בתיבת טעינה תלוית קיר, בהתקנת החשמל של הבניין, או בשני המקומות.

מאחר ו-RCD‏ Type-A‏ ו-Type-F‏ רגישים ל-AC קיימים בדרך כלל במערכות החשמל של בניינים, המתכננים יכולים להוסיף באופן יעיל וחסכוני ניטור DC שיורי של ‎6 mA לתיבות טעינה תלויות-קיר או תחנות טעינה Mode 3‏, כמו גם לתיבות בקרה בתוך-הכבל (ICCB‏) של כבלי טעינה Mode 2‏ (איור 1‏, מקרים 2 ו-3).

איור 1‏: התקני EVSE‏ חייבים להוסיף DC RCM במורד-הזרם של‏ RCD‏ Type-A‏ רגיש ל-AC‏ (מקרה 2‏), או לחבר DC RCMישירות לרשת AC‏ דרך RCD‏ Type-B‏ (מקרה 4‏). (מקור התמונה: goingelectric.de)

אופני טעינה עבור רכבי EV‏

סוללת ה-EV ניתנת לטעינה באופני טעינה שונים, בתלות בחיבור הספקת-הכוח הזמין באתר, תקע החיבור, כבל הטעינה וטכנולוגיית הטעינה המותקנת ברכב, כמו גם בתחנת הטעינה. באירופה, האנרגיה החשמלית ניתנת להזנה לתוך הרכב על ידי AC חד-פאזי‏ (230 וולט‏/3.6 קילו-ואט (kW‏), AC תלת-פאזי‏ (400 וולט/kW‏ 22‏), או באמצעות תחנות טעינה DC‏ במתח-גבוה (עד ‏1000‏ וולט DC‏/kW‏ 500‏). איור 2‏ מתאר את ארבעת אופני (Modes‏) הטעינה המוגדרים בתקן IEC 61851‏.

איור 2: איור של ארבעת אופני הטעינה המוגדרים בתקן IEC 61851. (מקור התמונה: bestchargers.eu‏)

Mode 1‏ (טעינת AC‏ חד-פאזית עד kW‏ 3.6‏; אופן ברירת-המחדל של הטעינה)

במקרה זה הרכב החשמלי או ההיברידי מחובר לשקע ביתי סטנדרטי של 230 וולט‏ תוך שימוש בכבל פסיבי פשוט וייטען תוך שימוש בהספק נמוך בקצב מקסימלי של‏ kW‏ 3.6‏ דרך המטען-שברכב. תרחיש טעינה זה לא מעניק למשתמש הגנה מספקת מפני DC שיורי. בדרך כלל, במערכת החשמל של בניינים מותקן רק RCD‏ Type-A‏ רגיש ל-AC‏.

Mode 2‏ (טעינת AC חד/תלת-פאזית עד kW‏ 22‏ דרך כבל טעינה ICCB‏)

כבל טעינה Mode 2‏ מצויד עם תקע Type 2‏ הכולל ‏ICCB‏ המבצע פונקציות בטיחות ותקשורת במהלך טעינת רכבי EV, תוך שימוש בשקעים ביתיים ותלת-פאזיים כדי למנוע עומס יתר עליהם.

את פונקציות ההגנה הבאות יש לשלב עם ה-ICCB:

• קביעת הקוטביות וניטור מוליך מגן (PC‏); רק מספר אוהמים של אימפדנס חוג מותרים בין קו האפס לבין ה-PC.
• בדיקת החיבור החשמלי בין ה-PC לבין גוף המתכת.
• מפסק זרם שיורי AC‏ ו-DC‏ המונע תאונות זרם.
• ניטור/כיבוי של תהליך הטעינה במקרה של אנומליות (לדוגמה, שינויי זרם עקב קורוזיה של מגעי התקע או פגיעה בכבל).
• ניטור הטמפרטורה בתוך ה-ICCB‏ ושני התקעים וביצוע כיבוי במידת הצורך.
• בקרת הספק הטעינה: נגדי Pull-Down‏ על חוט Control Pilot‏ (CP) כדי לציין את דירוג עומס זרם הכבל הן לתיבת הטעינה שעל הקיר והן ל-EV; אות אפנון רוחב פולס (PWM) על חוט Charging Control‏ (CC) המציין את יכולות הטעינה של תיבת הטעינה שעל הקיר ל-EV.

Mode 3‏ (טעינת AC חד/תלת-פאזית עד kW‏ 22‏ דרך תיבת טעינה על הקיר‏)

עבור טעינת רכבים חשמליים (EV), כבל Mode 3‏ פסיבי מחובר לתיבת טעינה על הקיר בבתי מגורים פרטיים או בתחנות טעינת AC ציבוריות בחניונים. בשני המקרים משולבות אותן פונקציות הגנה כמו ב-ICCB לעיל.

Mode 4‏ (טעינת DC מהירה ישירות לסוללה של עד kW‏ 500‏)

תחנות טעינה בהספק-גבוה DC‏ (DC/HPC‏) עבור רכבי EV‏ מספקות זרמי טעינה גבוהים משמעותית בהשוואה לאלו של Mode 2‏ ו-Mode 3‏. הגנה מפני מכת חשמל מזרמים שיוריים AC ו-DC מיושמת בסופר-מטען זה; כבלי הטעינה השונים מחוברים היטב תמיד.

מדידת זרמי תקלה AC ו-DC במעגל EVSE

מנטרי RCM סדרת RCM14‏ של .Littelfuse Inc‏ מגלים זרמים שיוריים DC‏ ו/או AC‏ במערכות AC‏ או DC‏ ומספקים אות יציאה לבקרת ניתוק חיצוני (ממסר ניתוק). לעומת זה, התקני RCD ומפסקי זרם שיורי (RCCBs) הם בעלי ממסר ניתוק משולב.

זרמים שיוריים AC‏ מתגלים על ידי שימוש בשנאי זרם (CT) אינדוקטיבי. למטרה זו מוליך הזרם הקדומני (I_L) ומוליך הזרם החוזר (I_N) מוזנים דרך ליבה טורואידאלית מגנטית רכה, הגורמת לשני וקטורי הזרם לקזז בדרך כלל אחד את השני ולהסתכם לאפס. אם זורם זרם תקלה (I_g) אל פוטנציאל ההארקה דרך גוף האדם במעגל אחרי הגלאי, הזרם הכולל RCM או GFCI שונה מאפס, ומפסק הזרם מנתק אותו (איור 3‏).

איור 3: אם זורם זרם תקלה (I_g) לתוך פוטנציאל ההארקה דרך גוף האדם, זרם GFCI הכולל שונה מאפס ומפסק הזרם מנתק אותו. (מקור התמונה: Littelfuse)

על ידי שילוב בחון מגנטומטר Fluxgate‏ בחריץ של הליבה הטורואידית וקיזוז השטף המגנטי לאפס באמצעות סליל קיזוז, ה-CT יכול לגלות גם DC דיפרנציאלי. שיטה זו, שהיא מדויקת יותר מחיישני אפקט Hall או נגדי מצד (Shunt‏), מגלה זרמי תקלה DC‏ קטנים מ-‎6 mA‏ בזרמי עומס DC כבד של עד 500 אמפר (A‏).

מנטרי RCM כוללים יציאת בקרה עבור מנתק זרם

סדרת RCM14 של Littelfuse‏ היא אידיאלית עבור שימוש בכבלי טעינה ICCB עבור רכבי EV‏ (Mode 2‏) ותחנות טעינה של רכבי EV‏ (Mode 3‏). הם זמינים בשלוש אפשרויות גילוי זרם שיורי בהתאם ל-IEC 62752‏ (Mode 2‏), IEC 62955‏ (Mode 3‏) ו-UL 2231‏.

לכל מנטר RCM יש LED‏ אחד פעולה ו-LED אחד תקלה. מחבר JST‏ בעל ארבעה פינים מפשט את ההתקנה: פינים 1 ו-2 הם עבור הספקת-כוח 12 וולט, פין 3 הוא עבור בדיקת פונקציה חיצונית ופין 4 הוא יציאה ממותגת מרזב פתוח (OD‏) לדחיפת מנתק זרם חיצוני כמו ממסר ניתוק של עד mA‏ 100‏ ו-24 וולט (מקסימום) (איור 4).

איור 4‏: למודולי סדרת RCM14 יש שתי נורות LED סטטוס והם ניתנים לחיבור בקלות באמצעות מחבר JST בעל ארבעה פינים. (מקור התמונה: Littelfuse)

מנטרי RCM אקטיביים אלה ניתנים גם לשימוש לגילוי זרמים שיוריים AC‏ ו/או DC‏ בהתקנות DC חד-פאזי או רב-פאזות. פעולה חד-פאזית מגבילה את זרם העומס ל-A‏ 100‏, בעוד שפעולה תלת-פאזית מגבילה ל-A‏ 40‏. הם יכולים לטפל בפולסי זרם עומס של עד A‏ 3,000‏.

RCM14-01‏: מודול DC RCM‏ mA‏ 6‏ בהתאם ל-IEC 62955, מיפתח (Aperture‏) של 14‏ מילימטר (mm)

ה-RCM14-01‏ הוא מנטר זרם שיורי המגלה זרמי תקלה DC‏ במערכות AC‏ Hz‏ 60‏/Hz‏ 50‏. הוא פותח עבור שימוש בתחנות טעינה Mode 3‏ עבור רכבי EV‏ (תקן IEC 62955) כדי לנתק את מעגל הטעינה של ה-EV במקרה של זרם תקלה DC‏ ≥ mA‏ 6‏. גלאי זה מוסיף פונקציית ניטור זרם שיורי DC להתקני RCD‏ Type-A‏ ו-Type-F‏ במערכות חשמל של בניינים באופן יעיל, חסכוני ופשוט (איור 5‏).

איור 5: ה-RCM14-01 מוסיף ניטור זרמים שיוריים DC‏ ≥ mA‏ 6‏ להתקני RCD‏ Type-A‏ רגישים ל-AC במערכות חשמל של בניינים. (מקור התמונה: Littelfuse,‏ Western Automation)

RCM14-03‏: מודול RCM‏ AC‏ mA‏ 30‏/mA‏ 6‏ בהתאם ל-IEC 62752, מיפתח (Aperture‏) של 14‏ מ"מ

ה-RCM14-03 מיועד לשימוש ב-ICCB‏ או התקני הגנה משולבים עבור רכבי EV‏ בטעינת Mode 2‏ כדי לנתק את הספקת-הכוח ל-EV במקרה של תקלת AC או DC.

RCM14-04‏: מודול RCM‏ AC‏ mA‏ 20‏/mA‏ 56‏ בהתאם ל-UL 2231-2, מיפתח (Aperture‏) של 14‏ מ"מ

מודול RCM14-04 מגלה זרמי תקלה AC או DC בהתקנות 60 הרץ (Hz) ‏AC. הוא מתוכנן עבור שימוש ביישומי תחנות טעינת EV‏ מסוג התקן ניתוק מעגל טעינה (CCID‏) שבהם הוא מנתק את הספקת-הכוח ל-EV במקרה של תנאי זרם שיורי AC ו/או DC.

RCM20-01‏: זהו מנטר זרם שיורי המיועד עבור גילוי זרמים שיוריים DC‏ בהתקנות AC‏ Hz‏ 60‏/Hz‏ 50‏. הוא מיועד עבור תחנות טעינת רכבים חשמליים Mode 3‏ כדי לנתק את הספקת-הכוח לרכבים חשמליים בתנאי תקלת זרם שיורי DC‏. המוצר תואם במלואו ל-IEC 62955.

RCM20-03‏: זהו מנטר זרם שיורי המיועד עבור גילוי זרמים שיוריים DC‏ ו-AC‏ בהתקנות AC‏ Hz‏ 60‏/Hz‏ 50‏. הוא מיועד עבור תחנות טעינת רכבים חשמליים Mode 2‏ כדי לנתק את הספקת-הכוח לרכבים חשמליים בתנאי תקלת זרם שיורי DC‏ ו-AC‏. המוצר תואם במלואו ל-IEC 62752, וניתן להשתמש בו גם עבור יישומי IEC 62955 שבהם נדרש גילוי תקלות AC‏ של mA‏ 30‏.

עבור אינטגרציה במעגל התקן גדול יותר, מודולי RCM המוצגים הבאים זמינים גם כן כמערכות מסגרת-פתוחה:

• RCM14-01_SYS_V‏, RCM14-01_SYS_H‏
• RCM14-03_SYS_V‏, RCM14-03_SYS_H‏
• RCM14-04_SYS

כל מערכת מורכבת מלוח מעגלים מודפסים ניתן-להלחמה עם חיישן ושנאי זרם נפרדים (איור 6‏).

איור 6: מודולי RCM14-04_SYS הם מערכות מסגרת-פתוחה המורכבות מלוח מעגלים מודפסים עם חיישן ושנאי זרם. (מקור התמונה: Littelfuse,‏ Western Automation‏)

סיכום

התקני RCD‏ Type-A‏ רגישים ל-AC הם סטנדרטיים ונפוצים בהתקנות של מערכות חשמל בבניינים, אך הם אינם יכולים להגן מפני סכנות זרם שיורי DC‏ במעגלי טעינת EV‏. כפי שתואר במאמר, סדרת RCM14 יכולה לבצע ניטור של זרם שיורי DC הדרוש בכבלי טעינה ICCB‏ (Mode 2‏) ותחנות טעינת רכבי EV‏ (Mode 3‏). מאחר וקיימים ארבעה פיני חיבור בלבד, מתכנני המערכת יכולים ליישם בקלות ובאופן יעיל וחסכוני את מודול RCM הקומפקטי או מערכת במסגרת-הפתוחה ב-EVSE‏ שלהם.