電動(dòng)汽車V2G系統(tǒng)漏電解決方案

隨著電動(dòng)汽車的飛速發(fā)展，V2G的概念被不斷提及，其核心思想就是利用大量電動(dòng)汽車的儲(chǔ)能源作為電網(wǎng)和可再生能源的緩沖，當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷過(guò)高時(shí)，由電動(dòng)汽車儲(chǔ)能源向電網(wǎng)饋電，而當(dāng)電網(wǎng)負(fù)荷過(guò)低時(shí)，用來(lái)存儲(chǔ)電網(wǎng)過(guò)剩的發(fā)電量，避免造成浪費(fèi)。通過(guò)這種方式，電動(dòng)汽車用戶可以在電價(jià)低時(shí)，從電網(wǎng)買電，在電價(jià)高時(shí)，向電網(wǎng)售電獲得收益。同時(shí)，在遇到突發(fā)事件如戰(zhàn)爭(zhēng)、自然災(zāi)害的時(shí)候，大量的電動(dòng)汽車還可以成為應(yīng)急電站，意義重大。有專家核算過(guò)，北京2016年8月最大負(fù)荷2077萬(wàn)千瓦，如果電動(dòng)汽車輸出功率為7千瓦，300萬(wàn)輛電動(dòng)汽車可以實(shí)現(xiàn)全城保供電。

V2G的關(guān)鍵技術(shù)之一便是雙向大功率充電機(jī)的研制。對(duì)整車廠來(lái)說(shuō)，車載充電機(jī)要求體積小，重量輕，成本低，可靠性好，目前主流充電機(jī)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由三相不可控整流器和高頻變壓器隔離DC/DC變換器組成，這種帶隔離變壓器的充電機(jī)體積大，變換效率低，成本較高，所以采用非隔離的充電機(jī)是目前的主流發(fā)展方向。一種雙向大功率充電機(jī)采用新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如下圖所示。

圖1 一種高效高功率因數(shù)充電機(jī)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

它由前級(jí)的三相電壓型PWM整流器和后級(jí)的電流可逆斬波電路組成。后級(jí)的電流可逆斬波DC/DC電路，可以理解為由一個(gè)Boost電路和一個(gè)Buck電路組成的復(fù)合電路，該電路不僅能實(shí)現(xiàn)電路的正向流動(dòng)，還能夠?qū)崿F(xiàn)電流的逆向流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)充電機(jī)能量的雙向流動(dòng)。

由于采用了非隔離DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，去掉了高頻變壓器，提高了變換效率，降低了系統(tǒng)成本和損耗，但我們不得不去考慮的一個(gè)情況就是整個(gè)系統(tǒng)的漏電問(wèn)題。雙向大功率充電機(jī)作為一種復(fù)雜的電力電子裝置，漏電問(wèn)題難以避免，需要在設(shè)計(jì)的時(shí)候通過(guò)良好的控制策略將漏電大小限制在一定范圍內(nèi)，否則不管是對(duì)于電網(wǎng)還是器件本身或者是生命財(cái)產(chǎn)安全，都有風(fēng)險(xiǎn)。同時(shí)，也需要在漏電超出預(yù)期時(shí)，采用一個(gè)基本保護(hù)手段來(lái)防范漏電的危害。

圖2 車載電動(dòng)機(jī)輸入控制導(dǎo)引電路

上圖是QC/T 895-2011《電動(dòng)汽車用傳導(dǎo)式車載充電機(jī)》中截取的，反映了電網(wǎng)和充電機(jī)連接的一般模型，通過(guò)充電線纜向電動(dòng)汽車車載充電機(jī)供電，車載充電機(jī)將接入的交流電轉(zhuǎn)換成直流電給蓄電池充電，在向電網(wǎng)饋電時(shí)，蓄電池通過(guò)車載充電機(jī)將直流電轉(zhuǎn)換成交流電通過(guò)充電線纜反饋到電網(wǎng)端。供電設(shè)備（充電樁）內(nèi)部安裝漏電流保護(hù)器對(duì)整個(gè)電網(wǎng)和電動(dòng)汽車的能量交換過(guò)程進(jìn)行漏電保護(hù)，漏電流保護(hù)器又被稱為剩余電流保護(hù)器（RCD）。RCD就是那個(gè)基本保護(hù)手段，所以它的可靠性至關(guān)重要。

我們都知道，供電系統(tǒng)有三相三線制和三相四線制，國(guó)際電工委員會(huì)（IEC）規(guī)定為TT系統(tǒng)、TN系統(tǒng)、IT系統(tǒng)。我國(guó)基本采用TN系統(tǒng)，電動(dòng)汽車和電網(wǎng)的連接也是采用這種系統(tǒng)。在使用這種雙向大功率充電機(jī)時(shí)，失去了DC/DC隔離變壓器的限制，蓄電池率先獲得自由，它不再和這個(gè)系統(tǒng)隔離。于是，蓄電池在長(zhǎng)時(shí)間使用過(guò)程中，直流母線若發(fā)生絕緣故障，漏電就會(huì)通過(guò)車身接地PE線反饋到交流側(cè)。以蓄電池直流母線正極漏電為例，漏電模型如下圖所示。

圖3 蓄電池正極對(duì)地短路漏電模型

可以看到，蓄電池直流母線正極漏電反饋到交流側(cè)構(gòu)成回路，這種意外的直流電會(huì)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)造成影響，如果我們通過(guò)對(duì)等效電路進(jìn)行仿真，就會(huì)發(fā)現(xiàn)整個(gè)充電電流發(fā)生畸變，導(dǎo)致充電效率降低，甚至減少蓄電池使用壽命。更嚴(yán)重的情況是，如果PE線斷開并且接地線缺失，這部分電流就有可能通過(guò)人體，對(duì)人體造成傷害。如果直流電流入電網(wǎng)，后果更是不堪設(shè)想，會(huì)對(duì)整個(gè)配電網(wǎng)絡(luò)造成危害。因而當(dāng)發(fā)生直流漏電時(shí)，必須斷開電路，對(duì)裝置進(jìn)行檢查，檢測(cè)漏電并斷開電路的功能自然是交由剩余電流保護(hù)器（RCD）來(lái)完成。

根據(jù)GB/T 18487.1-2015的要求，充電樁內(nèi)的剩余電流保護(hù)器宜采用B型或者A型。A型RCD對(duì)工頻交流剩余電流、脈動(dòng)直流剩余電流以及脈動(dòng)直流剩余電流疊加6mA平滑直流剩余電流確保脫扣；B型RCD包含A型的特性，此外，還能對(duì)1000Hz及以下的正弦交流剩余電流、交流剩余電流疊加平滑直流剩余電流、脈動(dòng)直流剩余電流疊加平滑剩余電流、兩相或多相整流電路產(chǎn)生的脈動(dòng)直流剩余電流、平滑直流剩余電流確保脫扣?？梢园l(fā)現(xiàn)當(dāng)發(fā)生直流漏電時(shí)，只有B型RCD才能進(jìn)行保護(hù)。

然而受制于技術(shù)和成本，目前國(guó)內(nèi)幾乎所有樁內(nèi)的漏電保護(hù)器都是A型，無(wú)法對(duì)純直流漏電進(jìn)行保護(hù)。實(shí)際上，V2G系統(tǒng)中的漏電成分是非常復(fù)雜的，不管是隔離還是非隔離的充電機(jī)，都存在著直流漏電的風(fēng)險(xiǎn)，本文著重考慮了在采用非隔離型充電機(jī)方案時(shí)，由蓄電池帶來(lái)的直流漏電危害。

在實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車V2G的進(jìn)程中，我們需要去考慮如何實(shí)現(xiàn)集成化、小型化，同時(shí)也要兼顧到整個(gè)系統(tǒng)的各個(gè)元器件。觀察電動(dòng)汽車領(lǐng)域的現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展方向，從漏電保護(hù)這塊來(lái)看，我們急需將現(xiàn)在的A型剩余電流保護(hù)器升級(jí)到B型，這是對(duì)整個(gè)行業(yè)負(fù)責(zé)任的做法。

Magtron基于iFluxgate技術(shù)的SoC芯片整體方案，為B型漏電保護(hù)進(jìn)行了數(shù)字化集成，為RCCB從傳統(tǒng)的AC型/A型向B型的技術(shù)升級(jí)，提供了一套高性價(jià)比的B型漏電解決方案，為電動(dòng)汽車充放電安全提供可靠保障。