Diskussion über Leckerkennungsschema im V2G-System von Elektrofahrzeugen

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Angesichts der rasanten Entwicklung von Elektrofahrzeugen wird das V2G-System immer wieder erwähnt. Seine Kernidee besteht darin, eine große Anzahl von Energiespeichern von Elektrofahrzeugen als Puffer für das Stromnetz und erneuerbare Energien zu nutzen. Wenn die Belastung des Stromnetzes zu hoch ist, speist der Energiespeicher von Elektrofahrzeugen das Stromnetz ein, und wenn die Belastung des Stromnetzes zu niedrig ist, wird er zur Speicherung der überschüssigen Stromerzeugung des Stromnetzes verwendet, um Verschwendung zu vermeiden. Mit der V2G-Technologie können Elektrofahrzeuge die Funktion des gegenseitigen Ladens mit dem Stromnetz realisieren. Auf diese Weise können Nutzer von Elektrofahrzeugen Fahrzeuge zu niedrigen Strompreisen aufladen und den Strom von Elektrofahrzeugen zu hohen Strompreisen an das Stromnetz verkaufen, um so Einnahmen zu erzielen. Für Stromnetzunternehmen kann es im Falle einer Stromknappheit den Stromdruck reduzieren und die Stromnetzlast ausgleichen, um so die Betriebseffizienz des Stromnetzes sicherzustellen.

Eine der Schlüsseltechnologien von V2G ist die Entwicklung bidirektionaler Hochleistungsladegeräte. Für Fahrzeughersteller erfordert das Bordladegerät ein geringes Volumen, geringes Gewicht, niedrige Kosten und eine gute Zuverlässigkeit. Derzeit besteht die Topologie des Mainstream-Ladegeräts aus einem dreiphasigen unsteuerbaren Gleichrichter und einem isolierten DC/DC-Wandler mit Hochfrequenztransformator. Dieses Ladegerät mit Trenntransformator hat ein großes Volumen, einen geringen Umwandlungswirkungsgrad und hohe Kosten. Daher ist die Verwendung nicht isolierter Ladegeräte derzeit die gängige Entwicklungsrichtung. Ein bidirektionales Hochleistungsladegerät verwendet eine neue Topologie, wie in der Abbildung unten Abb. 1 dargestellt.

Abb. 1 Topologie eines effizienten Ladegeräts mit hohem Leistungsfaktor

Es besteht aus einem dreiphasigen Spannungsquellen-PWM-Gleichrichter in der vorderen Stufe und einer stromumkehrbaren Zerhackerschaltung in der hinteren Stufe. Der Current Reversible Chopper DC/DC-Schaltkreis der späteren Stufe kann als zusammengesetzter Schaltkreis verstanden werden, der aus einem Boost-Schaltkreis und einem Buck-Schaltkreis besteht. Die Schaltung kann nicht nur den Vorwärtsfluss der Schaltung realisieren, sondern auch den Rückfluss des Stroms, um so den wechselseitigen Energiefluss des gesamten Ladegeräts zu realisieren.

Aufgrund der nicht isolierten DC/DC-Topologie entfällt der Hochfrequenztransformator, die Umwandlungseffizienz wird verbessert und die Systemkosten und -verluste werden reduziert. Eine Situation, die wir jedoch berücksichtigen müssen, ist das Leckageproblem des gesamten Systems. Da es sich um ein komplexes leistungselektronisches Gerät handelt, ist das Leckageproblem eines Zwei-Wege-Hochleistungsladegeräts schwer zu vermeiden. Es ist notwendig, die Leckage durch eine gute Kontrollstrategie im Design auf einen bestimmten Bereich zu begrenzen. Andernfalls bestehen Gefahren für das Stromnetz, das Gerät selbst oder die Sicherheit von Leben und Eigentum. Gleichzeitig ist es auch notwendig, grundlegende Schutzmaßnahmen zu ergreifen, um Schäden durch Leckagen zu verhindern, wenn die Leckage die Erwartungen übersteigt.

Abb. 2 Pilotschaltung für die Motoreingangssteuerung an Bord

Die obige Abb. 2 ist in QC/T 895-2011, einem leitfähigen Bordladegerät für Elektrofahrzeuge, abgefangen, das das allgemeine Modell der Verbindung zwischen dem Stromnetz und dem Ladegerät widerspiegelt. Das Bordladegerät versorgt das Bordladegerät von Elektrofahrzeugen über das Ladekabel mit Strom. Das Bordladegerät wandelt den angeschlossenen Wechselstrom in Gleichstrom um, um den Akku zu laden. Bei der Einspeisung in das Stromnetz wandelt die Batterie über das Bordladegerät Gleichstrom in Wechselstrom um und speist ihn über das Ladekabel wieder in das Stromnetz ein. Zum Schutz des gesamten Stromnetzes und des Energieaustauschprozesses von Elektrofahrzeugen ist im Inneren der Stromversorgungsanlage (Ladesäule) ein Leckstromschutz installiert. Der Leckstromschutz wird auch als Fehlerstromschutz (RCD) bezeichnet. RCD ist das grundlegende Schutzmittel, daher ist seine Zuverlässigkeit sehr wichtig.

Wie wir alle wissen, besteht das Stromversorgungssystem aus einem dreiphasigen Dreileitersystem und einem dreiphasigen Vierleitersystem. Die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) schreibt das TT-System, das TN-System und das IT-System vor. Bei Verwendung dieses Zwei-Wege-Hochleistungsladegeräts geht die Begrenzung des DC/DC-Trenntransformators verloren und die Batterie erhält als erstes Freiheit, die nicht mehr vom System isoliert ist. Daher wird bei langfristiger Verwendung der Batterie bei einem Isolationsfehler des DC-Busses die Leckage über die PE-Leitung zur Karosserieerdung auf die AC-Seite zurückgeführt. Am Beispiel der positiven Leckage des Batterie-Gleichstrombusses ist das Leckagemodell in Abb. 3 unten dargestellt.

Abb. 3 Leckagemodell des Pluskurzschlusses der Batterie nach Masse

Wie wir sehen können, wird der positive Leckstrom des Batterie-Gleichstrombusses zur Wechselstromseite zurückgeführt, um einen Stromkreis zu bilden. Dieser unerwartete Gleichstrom wirkt sich auf das gesamte System aus. Wenn wir die Ersatzschaltung simulieren, werden wir feststellen, dass der gesamte Ladestrom verzerrt ist, was zu einer Verringerung der Ladeeffizienz und sogar der Lebensdauer der Batterie führt. Noch schlimmer: Wenn die PE-Leitung getrennt wird und das Erdungskabel fehlt, kann dieser Teil des Stroms durch den menschlichen Körper fließen und dem menschlichen Körper schaden. Wenn der Gleichstrom in das Stromnetz gelangt, sind die Folgen unvorstellbar und schädigen das gesamte Verteilungsnetz. Wenn daher ein Gleichstromleck auftritt, muss der Stromkreis getrennt und das Gerät überprüft werden. Die Funktion der Erkennung von Leckströmen und der Trennung des Stromkreises wird natürlich durch den Fehlerstromschutz (RCD) vervollständigt.

In der IEC 61851-1-2017 sind die Schutzanforderungen für Fehlerstrom wie folgt: Jeder AC-Anschlusspunkt muss separat durch eine Fehlerstromschutzeinrichtung (RCD) geschützt sein. Der RCD, der jeden Anschlusspunkt schützt, muss mindestens die Anforderungen eines RCD vom Typ A erfüllen. und sein Nennreststrom darf 30 mA nicht überschreiten. Wenn der Ladepunkt für Elektrofahrzeuge über eine Steckdose oder einen Fahrzeugstecker gemäß IEC 62196 verfügt, müssen zusätzliche Schutzmaßnahmen für einen gleichmäßigen Gleichfehlerstrom ergriffen werden. Der Leckstromschutz sollte mindestens Typ B oder Typ A sein und kann abgetrennt werden, wenn ein Strom von mehr als 6 mA/DC erkannt wird.

Abb.4 Die alte Vision im Vergleich zur neuen Vision der IEC 61851-1

Um zu verstehen, warum glatte 6-mA-Gleichspannungen erkannt werden, müssen wir von Standard und Sicherheit ausgehen. Das Wesen des Leckstromschutzes der Ladesäule wird in der Norm IEC61851 eingeführt, nämlich „Schutz vor elektrischem Schlag“. Weder inländische noch ausländische Sicherheitsstandards legen einen glatten 6-mA-Gleichstrom als Schutzstrom für den menschlichen Körper fest, da ein so geringer Strom dem menschlichen Körper keinen Schaden zufügen würde. Der Grund für die Entdeckung ist ebenfalls sehr einfach. Das übermäßige Vorhandensein einer glatten Gleichstromkomponente führt zur frühen Sättigung des Magnetrings vom Typ A und schließlich zu einer ungenauen Erkennung von Wechselstromleckagen durch den Leckageschutz vom Typ A.

Widerstandsanforderungen verschiedener Leckschutzvorrichtungen zur Glättung von DC-Leckströmen in internationalen Spezifikationen:

1) Typ AC: Kann in Umgebungen mit gleichmäßigem Gleichstromleck nicht erkannt werden

2) Typ A: Es kann nur in einer Umgebung mit einem gleichmäßigen Gleichstromverlust von weniger als 6 mA betrieben werden

3) Typ F: Kann nur in Umgebungen mit gleichmäßigem Gleichstromverlust von weniger als 10 mA betrieben werden

4) Typ B: empfindlich gegenüber glattem DC-Leckstrom

Fazit: Der Zweck der Erkennung von glattem 6-mA-Gleichstrom besteht darin, die Genauigkeit des Leckageschutzes vom Typ A sicherzustellen.

Daher ist es sehr wichtig, den glatten 6-mA-Gleichstrom auf der Grundlage der theoretischen Prüfung von Typ A zu erkennen und zu schützen, da der Leckageschutz von Typ A nicht für den Einsatz in Wechselstrompfählen ausgelegt ist und übermäßige glatte Gleichstromkomponenten zur Blindheit führen können vom Typ A-Auslaufschutz. Daher ist es notwendig, diese Erkennung auf den Fehler zu beheben.

Bei Typ B handelt es sich bereits um eine umfassende Leckageschutzmaßnahme. Es reagiert empfindlich auf Gleichstromverluste und muss nicht gepatcht werden. Wenn es hinzugefügt wird, erhöht es die Fehlbedienungswahrscheinlichkeit des Leckageschutzes beim Laden von Elektrofahrzeugen, da der Schutzwert von glatten 6 mA Gleichstrom wirklich sehr gering ist.

Bei der Realisierung von V2G für Elektrofahrzeuge müssen wir darüber nachdenken, wie Integration und Miniaturisierung realisiert werden können, und auch alle Komponenten des Gesamtsystems berücksichtigen. Angesichts der aktuellen Situation und der zukünftigen Entwicklungsrichtung im Bereich der Elektrofahrzeuge müssen wir aus Sicht des Leckageschutzes dringend den aktuellen Fehlerstromschutz vom Typ A auf Typ B umrüsten, was eine verantwortungsvolle Praxis für die gesamte Branche darstellt.

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