隨著電動汽車的飛速發(fā)展,V2G的概念被不斷提及,其核心思想就是利用大量電動汽車的儲能源作為電網(wǎng)和可再生能源充電樁的緩沖,當電網(wǎng)負荷過高時,由電動汽車儲能源向電網(wǎng)饋電,而當電網(wǎng)負荷過低時,用來存儲電網(wǎng)過剩的發(fā)電量,避免造成浪費。通過這種方式,電動汽車用戶可以在電價低時,從電網(wǎng)買電,在電價高時,向電網(wǎng)售電獲得收益。同時,在遇到突發(fā)事件如戰(zhàn)爭、自然災害的時候,大量的電動汽車還可以成為應急電站,意義重大。有專家核算過,北京2016年8月最大負荷2077萬千瓦,如果電動汽車輸出功率為7千瓦,300萬輛電動汽車可以實現(xiàn)全城保供電。

V2G的關鍵技術之一便是雙向大功率充電機的研制。對整車廠來說,車載充電機要求體積小,重量輕,成本低,可靠性好,目前主流充電機的拓撲結構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體積大,變換效率低,成本較高,所以采用非隔離的充電機是目前的主流發(fā)展方向。一種雙向大功率充電機采用新的拓撲結構如下圖所示。

圖1 一種高效高功率因數(shù)充電機拓撲結構

充電樁它由前級的三相電壓型PWM整流器和后級的電流可逆斬波電路組成。后級的電流可逆斬波DC/DC電路,可以理解為由一個Boost電路和一個Buck電路組成的復合電路,該電路不僅能實現(xiàn)電路的正向流動,還能夠實現(xiàn)電流的逆向流動,從而實現(xiàn)整個充電機能量的雙向流動。

由于采用了非隔離DC/DC拓撲結構,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情況就是整個系統(tǒng)的漏電問題。雙向大功率充電機作為一種復雜的電力電子裝置,漏電問題難以避免,需要在設計的時候通過良好的控制策略將漏電大小限制在一定范圍內,否則不管是對于電網(wǎng)還是器件本身或者是生命財產(chǎn)安全,都有風險。同時,也需要在漏電超出預期時,采用一個基本保護手段來防范漏電的危害。

圖2 車載電動機輸入控制導引電路

上圖是QC/T 895-2011《電動汽車用傳導式車載充電機》中截取的充電樁,反映了電網(wǎng)和充電機連接的一般模型,通過充電線纜向電動汽車車載充電機供電,車載充電機將接入的交流電轉換成直流電給蓄電池充電,在向電網(wǎng)饋電時,蓄電池通過車載充電機將直流電轉換成交流電通過充電線纜反饋到電網(wǎng)端。供電設備(充電樁)內部安裝漏電流保護器對整個電網(wǎng)和電動汽車的能量交換過程進行漏電保護,漏電流保護器又被稱為剩余電流保護器(RCD)。RCD就是那個基本保護手段,所以它的可靠性至關重要。

我們都知道,供電系統(tǒng)有三相三線制和三相四線制,國際電工委員會(IEC)規(guī)定為TT系統(tǒng)、TN系統(tǒng)、IT系統(tǒng)。我國基本采用TN系統(tǒng),電動汽車和電網(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時,失去了DC/DC隔離變壓器的限制,蓄電池率先獲得自由,它不再和這個系統(tǒng)隔離。于是,蓄電池在長時間使用過程中,直流母線若發(fā)生絕緣故障,漏電就會通過車身接地PE線反饋到交流側。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構成回路,這種意外的直流電會對整個系統(tǒng)造成影響,如果我們通過對等效電路進行仿真,就會發(fā)現(xiàn)整個充電電流發(fā)生畸變,導致充電效率降低,甚至減少蓄電池使用壽命。更嚴重的情況是,如果PE線斷開并且接地線缺失,這部分電流就有可能通過人體,對人體造成傷害。如果直流電流入電網(wǎng),后果更是不堪設想,會對整個配電網(wǎng)絡造成危害。因而當發(fā)生直流漏電時,必須斷開電路,對裝置進行檢查,檢測漏電并斷開電路的功能自然是交由剩余電流保護器(RCD)來完成。

根據(jù)GB/T 18487.1-2015的要求,充電樁內的剩余電流保護器宜采用B型或者A型。A型RCD對工頻交流剩余電流、脈動直流剩余電流以及脈動直流剩余電流疊加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)當發(fā)生直流漏電時,只有B型RCD才能進行保護。

然而受制于技術和成本,目前國內幾乎所有樁內的漏電保護器都是A型,無法對純直流漏電進行保護。實際上,V2G系統(tǒng)中的漏電成分是非常復雜的,不管是隔離還是非隔離的充電機,都存在著直流漏電的風險,本文著重考慮了在采用非隔離型充電機方案時,由蓄電池帶來的直流漏電危害。

在實現(xiàn)電動汽車V2G的進程中,我們需要去考慮如何實現(xiàn)集成化、小型化,同時也要兼顧到整個系統(tǒng)的各個元器件。觀察電動汽車領域的現(xiàn)狀和未來發(fā)展方向,從漏電保護這塊來看,我們急需將現(xiàn)在的A型剩余電流保護器升級到B型,這是對整個行業(yè)負責任的做法。

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