Einsatz von Fehlerstrommonitoren zur Gewährleistung der elektrischen Sicherheit beim Laden von Elektrofahrzeugen

Von Jens Wallmann, beigetragen von Digi-Key’s Deutschen Redakteuren

Zur Verfügung gestellt von Europäische Fachredakteure von DigiKey

Das häufige Laden der Hochspannungsbatterie von Elektrofahrzeugen (EVs) stellt hohe Anforderungen an die mechanische Beanspruchung der Ladekabel und Steckverbinder. Wenn die Isolierung bricht und stromführende Metallteile freigelegt werden oder Nebenschlüsse in der Bordelektronik auftreten, können im Körper des EV-Nutzers lebensgefährliche Fehlerströme auftreten. Besonders problematisch sind verschiedene Gleichstrom-Fehlerstromformen, die von den wechselstromsensitiven Fehlerstrom-Schutzkomponenten (FI-Schutzkomponente) des Typs A nicht erfasst werden können.

Um Unfälle durch Stromschlag zu vermeiden, müssen Hersteller von Stromversorgungsanlagen für Elektrofahrzeuge (EVSE) in ihre Leistungselektronikprodukte FI-Schutzschalter einbauen, die innerhalb weniger Millisekunden sowohl bei Wechsel- als auch bei Gleichstromfehlerströmen von einigen Milliampere (mA) auslösen.

In diesem Artikel wird erklärt, welche Formen von Fehlerströmen es gibt, wie man sie misst und wo die FI-Schutzkomponente im Ladestromkreis zu installieren ist. Anschließend werden Fehlerstrom-Überwachungskomponenten (RCMs) von Littelfuse vorgestellt, die verwendet werden können, um EVSE-Geräte kosten- und zeiteffizient vor Gleichstromschlägen zu schützen. Der Artikel zeigt auch, für welche EV-Lademodi diese Stromsensoren geeignet sind und wie sie eingesetzt werden.

Fehlerströme im EV-Ladestromkreis

Das Laden von E-Fahrzeugen mit Spannungen von bis zu 400 Volt Wechselspannung und 1000 Volt Gleichspannung erfordert umfangreiche Schutzmaßnahmen für die Nutzer von E-Fahrzeugen beim Umgang mit Ladegeräten. Aufgrund der oberwellenreichen und asymmetrischen Schaltimpulse von Ladestationen und Onboard-Ladegeräten sowie der Zwischenkreisgleichspannung von mehreren hundert Volt können über Nebenschlüsse, Kopplungseffekte, Isolationsfehler und Ableitfehler verschiedene Arten von AC- und DC-Fehlerströmen auftreten.

Leistungselektronische Schaltungen wie Gleichrichter, Schaltwandler, Frequenzumrichter sowie Wechselrichter- und Phasenanschnittsteuerungen weisen eine große Vielfalt an Laststromeigenschaften auf. Die sich daraus ergebenden potenziellen Fehlerströme werden in sinusförmige Wechselströme, gepulste Gleichströme und geradlinige Gleichströme eingeteilt. Diese Fehlerstromformen sind für den Menschen gefährlich. Tabelle 1 zeigt typische Laststromsignale verschiedener Schaltungstopologien und die daraus resultierenden Fehlerstromkurven. Die Spalten 1 bis 3 weisen die für die Erfassung geeigneten Typen der FI-Schutzkomponenten zu.

Tabelle der Fehlerstromformen und ihrer Erkennung (zum Vergrößern anklicken)Tabelle 1: Fehlerstromformen und ihre Erkennung je nach der am besten geeigneten FI-Schutzkomponente (Spalten 1 bis 3). (Bildquelle: Wikipedia)

Eine gute Kenntnis der Fehlerstromkurven kann EV-Werkstätten und Elektrikern helfen, Fehlerströme in der EV-Bordelektronik, EVSE oder Ladestationen aufzuspüren.

Auslösecharakteristik der FI-Schutzkomponenten

Der Schutz von Personen gegen elektrischen Schlag in elektrischen Anlagen wird im Allgemeinen durch IEC 60479 und UL 943 geregelt. Beide Normen definieren signifikante AC- und DC-Fehlerströme im Bereich von 6, 30, 100, 300, 500 und 1000 mA bei Auslösezeiten von 20 bis 500 ms. Übliche Auslöseschwellen im EV-Ladestromkreis sind 6 mA DC und 30 mA AC.

Systementwickler können nun auf einfache Weise spezifische Personenschutzanforderungen im Ladestromkreis umsetzen, indem sie eine FI-Schutzkomponente nach der entsprechenden Norm auswählen. In Tabelle 2 sind Fehlerstromformen und Auslösetoleranzen der verschiedenen FI-Schutzkomponenten oder Erdschluss-Schutzschalter (GFCI) aufgeführt.

Tabelle der Auslösecharakteristiken verschiedener GFCI- oder FI-Schutzkomponenten (zum Vergrößern anklicken)Tabelle 2: Auslösecharakteristiken der verschiedenen GFCI- oder FI-Schutzkomponenten. (Quelle der Tabelle: abb.com)

Installation von FI-Schutzkomponenten im EV-Ladestromkreis

FI-Schutzkomponenten vom Typ A oder F erkennen nur AC-Fehlerströme und pulsierenden Gleichstrom, was für den Schutz eines EV-Ladestromkreises unzureichend ist. Ein breites Spektrum von DC-Fehlerströmen, die im Ladegerät oder Batteriemanagementsystem auftreten können, muss ebenfalls berücksichtigt werden.

Die Norm IEC 62196 definiert daher zwei Möglichkeiten des Fehlerstromschutzes: die Verwendung einer allstromsensitiven FI-Schutzkomponente des Typs B (oder des Typs B+) oder einer FI-Schutzkomponente des Typs A in Verbindung mit einem Fehlerstrom-Monitorsystem nach IEC 62955 mit IΔn DC ≥ 6 mA. Die DC-Fehlerstromüberwachung kann in der Wanddose, in der Gebäudeelektroinstallation oder an beiden Orten angeordnet werden.

Da eine wechselstromsensitive FI-Schutzkomponente des Typs A oder F in der Regel in der Gebäudeelektrik vorhanden ist, können die Wanddosen für Modus-3-Ladevorgänge oder Ladestationen sowie die kabelinternen Kontrollboxen (ICCB) der Ladekabel des Modus 2 kostengünstig mit einer 6-mA-Reststromüberwachung ausgestattet werden (Abbildung 1, Fälle 2 und 3).

Abbildung: EVSE-Geräten muss ein DC-RCM nachgeschaltet werdenAbbildung 1: EVSE-Geräte müssen der AC-empfindlichen FI-Schutzkomponente vom Typ A ein DC-RCM nachschalten (Fall 2) oder über eine FI-Schutzkomponente vom Typ B direkt an das AC-Netz angeschlossen sein (Fall 4). (Bildquelle: goingelectric.de)

Lademodi für E-Fahrzeuge

Die Batterie des Elektrofahrzeugs kann über verschiedene Lademodi aufgeladen werden, abhängig von dem vor Ort verfügbaren Stromanschluss, dem Anschlussstecker, dem Ladekabel und der im Fahrzeug sowie in der Ladestation installierten Ladetechnik. In Europa kann die elektrische Energie über Einphasen-Wechselstrom (230 Volt/3,6 Kilowatt (kW)), Dreiphasen-Wechselstrom (400 Volt/22 kW) oder über Hochspannungs-Gleichstrom-Ladestationen (bis zu 1000 Volt DC/500 kW) in das Fahrzeug eingespeist werden. In Abbildung 2 sind die vier in der Norm IEC 61851 definierten Lademodi dargestellt.

Veranschaulichung der vier in der Norm IEC 61851 definierten LademodiAbbildung 2: Illustration der vier in der Norm IEC 61851 definierten Lademodi. (Bildquelle: bestchargers.eu)

Modus 1 (einphasiges AC-Laden bis zu 3,6 kW; Standard-Lademodus)

In diesem Fall wird das Elektro- oder Hybridfahrzeug über ein einfaches passives Kabel an eine haushaltsübliche 230-Volt-Steckdose angeschlossen und mit geringer Leistung von maximal 3,6 kW über das Onboard-Ladegerät geladen. Dieses Ladeszenario bietet dem Nutzer keinen ausreichenden Schutz vor DC-Fehlerströmen. In der Regel wird nur eine wechselstromsensitive FI-Schutzkomponente des Typs A in die elektrische Anlage des Gebäudes eingebaut.

Modus 2 (einphasiges/dreiphasiges AC-Laden bis zu 22 kW über ein ICCB-Ladekabel)

Ein Modus-2-Ladekabel, das mit einem Fahrzeugstecker des Typs 2 ausgestattet ist, enthält eine ICCB, die beim Laden von E-Fahrzeugen über Haushalts- und Drehstromsteckdosen Sicherheits- und Kommunikationsfunktionen wahrnimmt, um eine Überlastung zu verhindern.

Die folgenden Schutzfunktionen müssen in die ICCB integriert werden:

  • Bestimmung der Polarität und Überwachung des Schutzleiters (PC); zwischen Nullleiter und PC sind nur wenige Ohm Schleifenimpedanz zulässig.
  • Prüfung der elektrischen Verbindung zwischen dem PC und dem Metallgehäuse.
  • Ein AC- und DC-Fehlerstromschutzschalter verhindert Stromunfälle.
  • Überwachung/Abschaltung des Ladevorgangs bei Anomalien (z.B. Stromschwankungen durch korrodierte Steckkontakte oder Kabelbruch).
  • Überwachung der Temperatur im Inneren der ICCB und der beiden Stecker und ggf. Abschaltung.
  • Steuerung der Ladeleistung: Pull-Down-Widerstände auf der Steuerleitung (CP), um die Strombelastbarkeit des Kabels sowohl der Wanddose als auch dem EV zu signalisieren; das PWM-Signal (Pulsweitenmodulation) auf der Ladesteuerleitung (CC) signalisiert dem EV die Ladeleistung der Wanddose.

Modus 3 (einphasiges/dreiphasiges AC-Laden bis zu 22 kW über Wanddose)

Beim Laden von Elektrofahrzeugen wird ein passives Modus-3-Kabel an eine Wanddose in Privathaushalten oder an eine öffentliche AC-Ladestation auf Parkplätzen angeschlossen. Beide haben die gleichen Schutzfunktionen integriert wie die obige ICCB.

Modus 4 (direktes DC-Schnellladen der Batterie mit bis zu 500 kW)

DC-Hochleistungsladestationen (DC/HPC) für E-Fahrzeuge liefern im Vergleich zu Modus 2 und Modus 3 deutlich höhere Ladeströme. Dieses Superladegerät ist mit einem Stromschlagschutz gegen AC- und DC-Fehlerströme ausgestattet; die verschiedenen Ladekabel sind immer fest angeschlossen.

Messung von AC- und DC-Fehlerströmen im EVSE-Stromkreis

RCMs der Serie RCM14 von Littelfuse Inc. erkennen AC- und/oder DC-Fehlerströme in Wechsel- oder Gleichstromsystemen und liefern ein Ausgangssignal zur Steuerung eines externen Trennkreises (Trennrelais). Im Gegensatz dazu verfügen FI-Schutzkomponenten und FI-Schutzschalter (Englisch: RCCBs) über ein integriertes Abschaltrelais.

AC-Fehlerströme werden mit einem induktiven Stromwandler (CT) erfasst. Dazu werden der Stromvorlaufleiter (IL) und der Stromrücklaufleiter (IN) durch einen weichmagnetischen Ringkern geführt, so dass sich beide Stromvektoren normalerweise gegenseitig kompensieren und zu Null addieren. Wenn ein Fehlerstrom (Ig) über den menschlichen Körper im Stromkreis hinter dem Melder in das Erdpotential fließt, weicht der RCM- oder GFCI-Gesamtstrom von Null ab, und der Schutzschalter löst aus (Abbildung 3).

Diagramm des Fehlerstroms (Ig), der in das Erdpotential fließtAbbildung 3: Wenn ein Fehlerstrom (Ig) über den menschlichen Körper in das Erdpotential fließt, weicht der GFCI-Gesamtstrom von Null ab, und der Schutzschalter löst aus. (Bildquelle: Littelfuse)

Durch die Integration einer Fluxgate-Magnetometersonde in einen Schlitz des Ringkerns und die Kompensation des magnetischen Flusses auf Null mittels einer Kompensationsspule kann der CT auch differentiellen Gleichstrom erfassen. Diese Methode ist genauer als Hall-Effekt-Sensoren oder Shunt-Widerstände und erkennt winzige DC-Fehlerströme von 6 mA bei hohen DC-Lastströmen von bis zu 500 Ampere (A).

RCMs mit Steuerausgang für Trennschalter

Die RCM14-Serie von Littelfuse ist ideal für den Einsatz in ICCB-Ladekabeln für Elektrofahrzeuge (Modus 2) und Ladestationen für Elektrofahrzeuge (Modus 3). Sie sind in drei Fehlerstromerkennungsoptionen gemäß IEC 62752 (Modus 2), IEC 62955 (Modus 3) und UL 2231 erhältlich.

Jeder RCM verfügt über eine Betriebs-LED und eine Fehler-LED. Der vierpolige JST-Stecker vereinfacht die Installation: Die Pins 1 und 2 sind für die 12-Volt-Stromversorgung, Pin 3 ist für externe Funktionstests vorgesehen, und Pin 4 ist ein Open-Drain-Schaltausgang zur Ansteuerung eines externen Trennschalters, z. B. eines Abschaltrelais, mit bis zu 100 mA und maximal 24 Volt (Abbildung 4).

Bild der Modulserie RCM14 von LittelfuseAbbildung 4: Die Module der RCM14-Serie verfügen über zwei Status-LEDs und lassen sich einfach über den vierpoligen JST-Stecker anschließen. (Bildquelle: Littelfuse)

Diese aktiven RCMs können auch zur Erfassung von AC- und/oder DC-Fehlerströmen in einphasigen oder mehrphasigen DC-Installationen eingesetzt werden. Bei einphasigem Betrieb ist der Laststrom auf 100 A begrenzt, bei dreiphasigem Betrieb auf 40 A. Sie können Laststromimpulse bis zu 3000 A verarbeiten.

RCM14-01: 6 mA DC RCM-Modul nach IEC 62955, 14 Millimeter (mm) Öffnung

Der Fehlerstrommonitor RCM14-01 erfasst Gleichstromfehlerströme in 50Hz/60Hz-Wechselstromsystemen. Er wurde für den Einsatz in Modus-3-Ladestationen für E-Fahrzeuge (Norm IEC 62955) entwickelt, um den Ladestromkreis des E-Fahrzeugs im Falle eines Gleichstromfehlers ≥6 mA zu unterbrechen. Dieser Detektor erweitert die bestehenden FI-Schutzkomponenten vom Typ A und Typ F der elektrischen Anlage des Gebäudes auf kostengünstige und einfache Weise um die Funktion der DC-Fehlerstromüberwachung (Abbildung 5).

Diagramm: Der RCM14-01 von Littelfuse ergänzt die Überwachung von DC-Fehlerströmen ≥6 mAAbbildung 5: Der RCM14-01 ermöglicht die Überwachung von DC-Fehlerströmen ≥6 mA bei wechselstromsensitiven FI-Schutzkomponenten vom Typ A in elektrischen Anlagen von Gebäuden. (Bildquelle: Littelfuse, Western Automation)

RCM14-03: 6 mA DC/30 mA AC RCM-Modul nach IEC 62752, 14 mm Öffnung

Das RCM14-03 ist für den Einsatz in ICCBs oder integrierten Schutzvorrichtungen für E-Fahrzeuge im Lademodus 2 vorgesehen, um die Versorgung des E-Fahrzeugs im Falle eines AC- oder DC-Fehlers zu unterbrechen.

RCM14-03: 56 mA DC/20 mA AC RCM-Modul nach IEC 62752, 14 mm Öffnung

Das Modul RCM14-04 erfasst AC- und DC-Fehlerströme in 60Hz-Wechselstromanlagen. Es ist für den Einsatz in Ladestromkreis-Unterbrechungsvorrichtungen (CCID) in Ladestationen für Elektrofahrzeuge vorgesehen, wo es die Versorgung des Elektrofahrzeugs im Falle eines AC- und/oder DC-Fehlerstroms unterbricht.

RCM20-01: Der RCM20-01 ist ein Fehlerstrommonitor für die Erkennung von DC-Fehlerströmen in 50Hz/60Hz-Wechselstromanlagen. Er ist für Modus-3-Ladestationen für Elektrofahrzeuge vorgesehen, um die Versorgung des Elektrofahrzeugs bei DC-Fehlerstrombedingungen zu unterbrechen. Das Produkt entspricht vollständig der Norm IEC 62955.

RCM20-03: Der RCM20-03 ist ein Fehlerstrommonitor zur Erfassung von DC- und AC-Fehlerströmen in 50Hz/60Hz-Wechselstromanlagen. Er ist für Modus-2-Ladestationen für Elektrofahrzeuge vorgesehen, um die Versorgung des Elektrofahrzeugs im Falle von DC- und AC-Fehlerstrombedingungen zu unterbrechen. Das Produkt ist vollständig konform mit IEC 62752 und kann auch für IEC 62955-Anwendungen verwendet werden, bei denen eine 30-mA-AC-Fehlererkennung erforderlich ist.

Zur Integration in einen größeren Gerätekreis sind die nachfolgend vorgestellten RCM-Module auch als Open-Frame-Systeme erhältlich:

Jedes System besteht aus einem lötbaren Sensorboard und einem separaten Stromwandler (Abbildung 6).

Abbildung: RCM14-04_SYS-Module von Littelfuse sind Open-Frame-SystemeAbbildung 6: Die Module RCM14-04_SYS sind Open-Frame-Systeme, die aus einem Sensorboard und einem Stromwandler bestehen. (Bildquelle: Littelfuse, Western Automation)

Fazit

Wechselstromsensitive FI-Schutzkomponenten vom Typ A sind gängige Installationsstandards in elektrischen Anlagen von Gebäuden, können aber nicht gegen Gefahren durch DC-Fehlerströme in EV-Ladestromkreisen schützen. Wie gezeigt, kann die RCM14-Serie die in ICCB-Ladekabeln (Modus 2) und EV-Ladestationen (Modus 3) erforderliche DC-Fehlerstromüberwachung durchführen. Mit nur vier Anschlusspins kann das kompakte RCM-Modul oder das Open-Frame-System einfach und kostengünstig in ein EVSE implementiert werden.

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Über den Autor

Jens Wallmann

Jens Wallmann, beigetragen von Digi-Key’s Deutschen Redakteuren

Jens Wallmann is a freelancing editor and contributes to electronics publications, both print and online. As an electrical engineer (communications engineering) and a trained industrial electronic engineer he has more than 25 years in electronics development with a focus on measuring technology, automotive electronics, process industry and Radio Frequency.

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