Jste zde

Senzory svodového proudu pro nabíjecí stanice

Petr Roček, Codico GmbH, 7. Září 2021 - 7:43

S rozmachem elektromobility je stále více kladen důraz na bezpečnost elektroinstalací. Dodržení příslušných norem je klíčovou podmínkou pro bezpečný a efektivní nabíjecí systém, jak ve veřejném tak i soukromém sektoru. Senzor svodového proudu nám poskytne cenné informace, které lze využít pro inteligentní nabíjecí stanice.

Většina lidí s elektrotechnickými znalostmi zná proudový chránič, který je umístěn v rozvaděči každého domu či bytu. Bezpečnostní pojistky a jističe mají za úkol ochránit vedení před nadproudem. To znamená, že se jedná o protipožární ochranu. Proudový chránič RCD (Residual Current protective Device) naopak přímo chrání člověka před smrtelnými elektrickými účinky.

Princip proudového chrániče je jednoduchý. Proudový chránič detekuje unikající proud z obvodu. To znamená, že všechen proud, který vstupuje do spotřebiče, musí odcházet nulovým vodičem (N) nebo jinou fází zpět do zásuvky. Pokud proud teče vodičem PE nebo jinudy (do země, přes člověka, atd.), proudový chránič vyhodnotí tento stav jako poruchu. Pokud unikající proud překročí určitou mez (běžně 30 mA či 100 mA) proudový chránič odpojí chráněný obvod od elektrické energie. Střídavý síťový proud se stává potenciálně smrtelným pro lidi nad hodnotou 50mA.

K proudovému chrániči se připojují všechny pracovní vodiče (tedy všechny fáze a střední nulový vodič, tzv. „nulák“). Ochranný vodič PE se připojit nesmí a vodiče PE a N se za chráničem nesmí spojit. Chránič v síti TN-C lze použít, ale je nutné zapojit pouze fázové vodiče. Svorka „N“ třífázového chrániče zůstane nepřipojena (musí to ale chránič umožňovat). Za chráničem je vždycky síť TN-S.

Statistiky ukazují, jak důležitá je moderní elektrická instalace pro ochranu obyvatel. VDE zaznamenala v Německu v roce 1970 přes 250 smrtelných úrazů elektrickým proudem. Tento počet do roku 2018 klesl na pouhých 43 za rok. Zajímavostí je, že 34 ze 43 se stalo z nedbalosti a ne z poruchy elektrického zařízení. Byli to zejména muži, kteří si pohrávali s elektrickou instalací, ale evidentně jim chyběla potřebná opatrnost.

Bezpečnost při nabíjení elektromobilu

Zásadní změna v dopravní infrastruktuře je již na cestě. Osobní automobily se spalovacími motory budou nahrazeny auty s elektromotory (PEV - plug-in electric vehicles). Trh s dobíjecími stanicemi se podle toho vyvíjí a v některých městech se jejich výstavba značně zrychlila.

Poptávka po nabíjecích stanicích není jen ve veřejném sektoru, ale i v soukromém, kde jsou k dispozici tzv. dobíjecí boxy. Majitelé garáží chtějí pohodlně nabíjet své auto přes noc nebo na firemním parkovišti, aby měli k dispozici „plnou nádrž“ každé ráno doma nebo po odchodu z práce. Jelikož nabíjecí proud autobaterií se pohybuje v řadech desítek ampér, je nutné zajistit bezpečnost lidí i majetku. Chyby izolace mohou také způsobit svodové proudy v kabelech nebo v autě a je třeba proti nim chránit jak lidi, tak zvířata.

Tento problém byl v Evropě a některých dalších částech světa řešen pomocí normy IEC 62752: 2016 (Kabelové ovládací a ochranné zařízení pro nabíjení elektrických silničních vozidel v režimu 2 (IC-CPD - In-cable control and protection device for mode 2 charging of electric road vehicles). Standard pro nabíjení v režimu 2 nabíjecím kabelem nevyžaduje pouze detekci a vypnutí v případě svodových proudů větších než 30mA AC, ale také detekci svodového proudu větších než 6mA DC.

Integrované a do budoucna bezpečné řešení v souladu s normami

FG-R05-3A od společnosti KEMET je prvním senzorem, který vyhovuje normě IEC 62752 a nabízí integrované řešení na velmi malém prostoru. V lednu 2022 další standard bude upravovat nabíjení v režimu 3 pro nástěnné boxy - IEC 62955: 2018 Zařízení pro detekci zbytkového stejnosměrného proudu, které je použito pro nabíjení elektromobilů v režimu 3 (RDC-DD- Residual direct current detecting device).

Změny se budou týkat prahových hodnot pro vybavení (odpojení napájecího kabelu od sítě), protože maximální možný nabíjecí proud podle normy stoupne až nad 100A. Pokud jde o svodový proud DC, prahová hodnota zůstává na 6 mA, ale pro AC se zvyšuje na 60 mA. Odpovídající senzory v souladu s normou jsou ve společnosti KEMET již ve vývoji a budou včas k dispozici. Ty budou navrženy pro maximální proud 40A pro třífázové systémy a 80A pro jednofázové systémy, dosahující nabíjecího výkonu až 22 kW. Senzory budou plně kompatibilní s jejich verzemi Mode 2, mechanicky i elektricky. Proto již lze začít navrhovat nabíjecí boxy s aktuálně dostupnými senzory, a jakmile nová norma vstoupí v platnost, přechod na nové senzory bude jednoduchou záležitostí.

Struktura senzoru a jeho funkce

Senzor se skládá ze spojovací cívky a integrovaného obvodu ASIC, který obsahuje vyhodnocovací elektroniku. Senzor se připevňuje k desce plošných spojů jako THT součástka a nabíjecí kabel prochází otvorem v senzoru. Pokud detekovaný celkový proud není nulový, znamená to přítomnost svodového proudu, poukazující na izolační chybu nabíjecího kabelu nebo automobilu. Svodový proud v cívce rozladí oscilátor a elektronika měří čas výsledného výstupního signálu.

Takto lze určit nejen absolutní hodnotu svodového proudu, ale také jeho směr. To je velmi cenná informace pro diagnostiku chyb. Elektronický systém je napájen 5V a výstupní alarm má též logiku 5V. Pokud dojde k překročení prahové hodnoty svodového proudu AC nebo DC, odpovídající stykače odpojí nabíjecí kabel.

Kromě toho je k dispozici analogový výstup, který lineárně snímá svodový proud DC a 50 Hz svodový proud AC. To umožňuje regulátoru nabíjení sledovat svodové proudy. V důsledku toho je možné reagovat již před překročením prahové hodnoty stanovené v normách, např. aby byla spuštěna včasná údržba, než bude muset být nabíjecí box vyřazen z provozu. Tato funkce je přidanou hodnotou, kterou bychom neměli podceňovat a využít ji v návrhu celého nabíjecího systému.

Závěr

Proudové chrániče od společnosti KEMET umožní nejen splnit požadavky globálních standardů pro bezpečnost nabíjecích stanic pro e-mobilitu, ale také poskytnou kompaktní, integrované a bezpečné řešení. Díky inteligentní vyhodnocovací elektronice jsou k dispozici další cenné informace, které lze využít k vývoji efektivního a bezpečného nabíjecího systému.