Nástrahy při monitorování zbytkového proudu u střídavého nabíjení EV

…aneb od AC dobíjení v jednom směru k náročnému úkolu v podobě obousměrného přístupu či aplikací „Vehicle to Everything“

Trh s AC nabíječkami pro elektromobily (EV), tzv. wallboxy, rychle roste a související infrastruktura se proto může dále rozvíjet.

Kvůli rozmachu obousměrného nabíjení a také aplikací typu V2X (Vehicle to Everything) tím ale zároveň vznikají nové náročné úkoly, zejména pak v rámci EV. Díky zmíněným trendům se v oblasti nabíjení střídavým proudem dostává do popředí měření RCM (residual current monitoring).

V článku se proto zaměříme na současný trh, nově vznikající trendy a také význam zmiňovaného měření proudu, a to jak u wallboxů, tak i elektrovozidel. Smyslem je zajistit shodu s předpisy a bezpečnostními standardy, zatímco dále garantujeme též konkurenceschopnou dobu, potřebnou k uvedení systému na trh.

AC nabíjení: vyspělý trh, ale i nové trendy

Pokud jde o AC wallboxy či kabeláže, zaznamenali jsme na příslušných trzích výrazný vzestup, způsobený rostoucím výskytem elektrovozidel po celém světě. Trh se vyvinul docela rychle a budou pro něj příznačné jasně stanovené specifikace, ale i přísné standardy, které zajišťují bezpečnost a také účinnost při střídavém nabíjení EV. V rámci samotných elektrovozidel se nicméně objevily nové náročné úkoly.

Předně zde máme u AC nabíjení další obrovský trend v podobě palubních nabíječek OBC bez použití transformátorů. Automobilky zde totiž musí snižovat hmotnost či velikost řešení a stejně tak navyšovat i účinnost každého systému v EV, zatímco budou mít při sériové výrobě stále rovněž pod kontrolou vznikající náklady. Díky technickým požadavkům a samozřejmě též bezpečnostním otázkám z titulu vysokých napětí či proudů se důležitou součástí systému stále častěji stává právě RCM.

Za druhé zde musíme zmínit nové stupně složitosti, poplatně zavádění technologie „Vehicle to Everything“ (V2X). Energii, která je uložená v bateriích EV, lze díky přístupu V2X použít i pro další vozidla, domácnosti, spotřebiče, a dokonce i pro rozvodnou síť, takže se neomezujeme pouze na pohon daného vozu. Takováto změna ve způsobu obvyklého využívání energie má ovšem závažný dopad na koncepci a také provoz nabíjecí infrastruktury pro EV, stejně jako je tomu v případě obvodů či systémů palubního dobíjení. Základ V2X zde tvoří obousměrné systémy OBC, vyžadující pokročilá bezpečnostní řešení ochrany samotného uživatele EV a zamezující úrazu elektrickým proudem. Ve světě obousměrných palubních nabíječek se proto neobejdeme bez mimořádně spolehlivých a také přesných řešení RCM, která zvládnou jak AC, tak i DC proudy a vyhoví přitom nejnovějším směrnicím, jako je ISO5474.

Problém, který je nutné řešit

Při nabíjení EV máme v prvé řadě na starosti zajištění bezpečnosti obsluhy a předcházení úrazu elektrickým proudem. Klasická infrastruktura pro AC nabíjení počítá s robustními standardy a jasně danou specifikací. Přechod k obousměrným systémům OBC, navíc bez potřeby transformátorů, však v oblasti elektromobility znamená komplikace a vyžaduje vyšší standardy, pokud jde o detekci zbytkových proudů. Obzvláště senzory RCM zde musí být odolné vůči okolnímu poli, magnetickému i elektrickému, efektivně zvládat přetížení a zamezit falešnému spouštění, které nám jinak přeruší proces nabíjení.

Snímače RCM hrají při ochraně uživatelů před úrazem elektrickým proudem klíčovou roli, když detekují svodové proudy a spouští ochranné mechanismy. V oblasti nabíjení EV jsou takové požadavky obzvlášť přísné. Potřebujeme zde totiž zaznamenat jak AC, tak i DC svodové proudy a zajistit obrovskou robustnost, takže lze zamezit falešným reakcím, které mohou přerušit proces nabíjení.

Obr. 1

Nástup obousměrných systémů OBC, viz obr. 1, pak z pohledu složitosti vnáší další úroveň. Takové systémy musí vyhovět nové normě ISO5474, která přesně vymezuje požadavky na funkční bezpečnost, pokud jde o přenos AC výkonu v elektromobilech. Snímače RCM, použité u obousměrných systémů OBC, musí zmíněnému standardu vyhovět a je proto zapotřebí zaznamenat s vysokou přesností svodové AC i DC proudy, takže lze při provozu systémů V2X zajistit potřebnou bezpečnost.

V případě IEC 62752, UL2231, IEC62955 a nově též ISO5474 potřebujeme detekovat AC a také plynulé DC průtoky. Jak ale vyplývá z obr. 2, nelze použít jakékoli řešení RCM, protože prvky pro odhalení svodového proudu typu AC, A či F nemohou zaručit potřebnou míru bezpečnosti. To v našem případě při kombinovaném měření a detekci umožňuje pouze typ B.

Obr. 2

Řešení pro špičkové monitorování zbytkového proudu

Při detekci jak AC, tak i DC svodových proudů se výborně osvědčila technologie fluxgate, takže se u nabíjení EV stává též upřednostňovanou volbou při monitorování zbytkového proudu. RCM senzory firmy LEM řady CDSR a CDT zde těží z jedinečné firemní technologie fluxgate a umožňují přitom dosahovat mimořádné přesnosti a také šířky pásma.

Neméně důležité je rovněž zajistit, aby snímače RCM pracovaly správně, takže rodiny CDSR a CDT přichází s vlastním samotestováním a diagnostikou (jedná se o teplotu, detekci nadproudů, přepěťovou či podpěťovou ochranu apod.). Důraz, který firma LEM klade na kvalitu a inovace, stejně jako jejich závazek vyhovět mezinárodním standardům, vytváří ve zmíněném oboru srovnávací měřítko. Výsledná řešení jsou proto pro vývojáře z automobilového průmyslu, řešící nabíjení EV, ale i další aplikace, skutečně přitažlivá.

AC wallbox a nabíjecí kabely

Pokud jde o spouštění (tripping), musí ideální proudové snímače pro potřeby AC wallboxů splňovat mezinárodní standardy (IEC 62752 / 62955 / UL 2231) a vyhovět i celé řadě výstupních úrovní výkonu. Také se očekává, že budou podporovat architektury s jednou nebo též třemi fázemi, takže lze návrh opakovaně používat v systémech AC nabíjení s výkony od 3,3 kW až do 22 kW.

Technologie fluxgate, vyvinutá firmou LEM, je nejpřesnější technologií bezkontaktního měření, kterou dnes máme k dispozici a senzorům CDSR tak umožňuje dosahovat neobyčejné přesnosti při monitorování jak v AC, tak i DC oblasti, zatímco lze zaznamenat úniky proudu o velikosti jen 5 mA. Snímače jsou přitom k dispozici v provedení pro jednu nebo i tři fáze, takže se uplatní v různých systémech nabíjení. Díky svému kompaktnímu řešení a možnosti jednoduché integrace, stejně jako jejich vertikální podobě, je možné zefektivnit proces vývoje daného systému, kde se také senzory stávají skvělou volbou pro OEM či dodavatele „tier-one“, kteří hodlají zlepšit bezpečnost, ale i vlastnosti návrhů příslušných AC wallboxů.

Na trh nedávno uvedený snímač CDT staví rovněž na chráněné technologii fluxgate od firmy LEM, kde, poplatně nevídané přesnosti na úrovni ±0,5 mA @ 5 mA, a s nejlepší automobilovou klasifikací ve své třídě, vyniká jako řešení pro detekci svodů v nabíjecích kabelech. CDT zde v případě závady nabízí dynamické spouštění a také pokročilé diagnostické funkce, zatímco dále splňuje všechny důležité standardy a vývojářům tak zjednodušuje práci.

Senzory CDT jsou k dispozici v provedení pro jednu, ale i tři fáze, takže se z pohledu nabíjecího kabelu uplatní v různých konfiguracích. Díky pokročilým funkcím diagnostiky nebo též dynamickému spouštění při selhání mají vývojáři k dispozici drahocenné nástroje s nimiž lze optimalizovat vlastnosti, ale i bezpečnost konkrétních řešení, určených pro nabíjení.

Na cestě k obousměrným systémům OBC bez transformátorů

Posun k obousměrným systémům nabíjení OBC (On-Board Charging) umožňuje využívat baterie v EV coby zdroje napájení pro různé další aplikace (V2X). Zdůrazňuje zde rovněž potřebu senzorů RCM typu B, vhodných pro automobilový průmysl, které vyhovují z pohledu ISO 26262 (ASIL B), zatímco rovněž počítají s novou normou ISO5474. Snímače CDT-SF od firmy LEM vyhovují všem zmíněným požadavkům a nabízí dva kanály nezávislého měření, vlastní diagnostiku, průlomovou přesnost popisovanou výše nebo též detailní chybová hlášení cestou rozhraní SPI. Dva nezávislé měřicí kanály znamenají redundanci a zvyšují přitom spolehlivost, zatímco možnosti vlastní diagnostiky či podrobné informace o chybě zde zajistí optimální činnost systému, včetně bezpečnosti. V případě senzoru se rovněž nabízí zcela externí testovací vinutí pro bezpečnostní testy apod.

Funkce dynamického spouštění (tripping) vývojářům zase umožňuje definovat prahovou úroveň v závislosti na konkrétních požadavcích – místních, ale i těch normativních. S takovou flexibilitou se čidlo uplatní nejen v různých aplikacích či oblastech trhu, ale lze je rovněž použít k přizpůsobení systému a navyšování jeho účinnosti, budeme-li přecházet od nabíjení V2L (vehicle to load) k přístupu typu V2G (vehicle to grid).

Závěr

V překotně se rozvíjejícím světě AC nabíjení elektrovozidel zůstává firma LEM i nadále v čele se svými inovativními systémy RCM, viz také obr. 3. Reaguje i na jemné nuance, pokud jde o náročné úkoly, spojované s obousměrným provozem či aplikacemi V2X a zajišťuje přitom shodu s nejnovějšími předpisy. K vývojářům se tak dostávají spolehlivé a vysoce kvalitní senzory LEM, které zjednodušují proces návrhu a zvyšují též i bezpečnost. Trh se vyvíjí a LEM stále zůstává klíčovým hráčem, který iniciuje posun vpřed a nastavuje i příslušná měřítka, pokud jde o technologie pro elektrická měření.

Obr. 3

Díky neustávajícímu podílu elektromobility a také zvyšující se složitosti aplikací pro nabíjení střídavým proudem nebyla potřeba pokročilého monitorování zbytkového proudu a souvisejících řešení nikdy tak vysoká. Senzory CDSR a také CDT od firmy LEM představují pro vývojáře nezbytné nástroje s nimiž zajistí bezpečnost, ale i správnou činnost řešení pro nabíječky, přičemž snímače CDT-SF reagují na unikátní náročné úkoly, spojované s obousměrnými systémy OBC nebo též aplikacemi V2X. Celé odvětví se neustále vyvíjí a závazek společnosti LEM, pokud jde o inovace, ale i jejich silné stránky, bude i nadále zárukou, že zůstane v čele technologií pro elektrická měření, kde také poskytne spolehlivá a přesná řešení pro nabíjení elektrovozidel budoucnosti.