Utiliser des moniteurs de courant résiduel pour garantir la sécurité électrique lors de la charge de véhicules électriques

La charge fréquente de la batterie haute tension des véhicules électriques (VE) se traduit par des exigences de contrainte mécanique élevées pour les câbles et les connecteurs de charge. Si l'isolant se rompt et que des pièces métalliques sous tension sont exposées, ou si des shunts apparaissent dans l'électronique embarquée, des courants résiduels potentiellement mortels peuvent se produire dans le corps de l'utilisateur du VE. Les diverses formes de courant résiduel CC qui ne peuvent pas être détectées par les disjoncteurs différentiels (RCD) de type A sensibles au courant alternatif sont particulièrement problématiques.

Pour éviter les accidents par choc électrique, les fabricants d'équipements d'alimentation pour véhicules électriques (EVSE) doivent intégrer dans leurs produits électroniques de puissance des RCD pouvant se déclencher en quelques millisecondes pour des courants résiduels CA et CC de quelques milliampères (mA).

Cet article explique les formes de courants résiduels, comment les mesurer et où installer le RCD dans le circuit de charge. Il présente ensuite des moniteurs de courant résiduel (RCM) de Littelfuse que les concepteurs de systèmes peuvent utiliser pour ajouter une protection contre les chocs électriques CC dans leurs dispositifs EVSE de manière efficace et rapide. L'article montre également pour quels modes de charge de VE ces capteurs de courant sont adaptés et comment ils sont utilisés.

Courants résiduels dans le circuit de charge de VE

Charger des véhicules électriques à des tensions jusqu'à 400 volts (V) CA et 1000 V CC requiert des mesures de protection étendues pour l'utilisateur du VE lors de la manipulation de l'équipement de charge. En raison des impulsions de commutation asymétriques et riches en harmoniques des bornes de charge et des chargeurs embarqués, ainsi que de plusieurs centaines de volts de tension de liaison CC, différents types de courants résiduels CA et CC peuvent se produire via des shunts, des effets de couplage, des défauts d'isolement et des défauts de fuite.

Les circuits électroniques de puissance tels que les redresseurs, les convertisseurs à découpage, les inverseurs de fréquence, ainsi que les systèmes de contrôle d'angle de phase et d'onduleur, présentent une grande variété de caractéristiques de courant de charge. Les courants résiduels potentiels résultants sont classés en courant alternatif sinusoïdal, courant continu pulsé et courant continu linéaire. Ces formes de courant résiduel sont dangereuses pour l'homme. Le Tableau 1 montre les signaux de courant de charge typiques de diverses topologies de circuits et les formes d'onde de courant résiduel qui en résultent. Les colonnes 1 à 3 indiquent les types de RCD adaptés à la détection.

Tableau 1 : Formes des courants de défaut et leur détection selon le type de RCD le mieux adapté (colonnes 1 à 3). (Source de l'image : Wikipédia)

Une bonne connaissance des formes d'onde de courant résiduel peut aider les techniciens des ateliers de réparation de VE et les électriciens à localiser les courants résiduels dans l'électronique des cartes de VE, les EVSE ou les bornes de charge.

Caractéristique de déclenchement des types de RCD

En général, la protection individuelle contre les chocs électriques sur les installations électriques est réglementée par les normes CEI 60479 et UL 943. Les deux normes définissent des courants résiduels CA et CC significatifs dans la plage de 6, 30, 100, 300, 500 et 1000 mA, avec des temps de déclenchement s'étendant de 20 ms à 500 ms. Les seuils de déclenchement courants dans les circuits de charge de VE sont de 6 mA CC et 30 mA CA.

Les concepteurs de systèmes peuvent désormais facilement mettre en œuvre des exigences spécifiques en matière de protection individuelle dans le circuit de charge en sélectionnant un type de RCD répondant à la norme appropriée. Le Tableau 2 répertorie les formes de courant résiduel et la tolérance de déclenchement des différents types de RCD ou de disjoncteur différentiel de fuite à la terre (GFCI ou DDFT).

Tableau 2 : Caractéristiques de déclenchement des différents types de GFCI ou RCD. (Source du tableau : abb.com)

Installation de RCD dans le circuit de charge de VE

Les RCD de type A ou de type F détectent uniquement le courant résiduel CA et le courant pulsé CC, ce qui est insuffisant pour protéger un circuit de charge de VE. Il faut également tenir compte d'une large gamme de courants résiduels CC linéaires pouvant se produire dans le chargeur embarqué ou dans le système de gestion de batterie.

La norme CEI 62196 définit donc deux options de protection contre les courants résiduels : l'utilisation d'un RCD sensible à tous les courants de type B (ou type B+), ou un RCD de type A en conjonction avec un système de surveillance de courant continu résiduel conformément à la norme CEI 62955 avec I_Δn CC ≥ 6 mA. La surveillance du courant de défaut CC peut être mise en place dans le boîtier mural, dans l'installation électrique du bâtiment ou aux deux endroits.

Étant donné qu'un RCD de type A ou de type F sensible au courant alternatif est généralement présent dans les systèmes électriques des bâtiments, les concepteurs peuvent ajouter à moindre coût une surveillance de courant continu résiduel de 6 mA aux boîtiers muraux ou aux bornes de charge de mode 3, ainsi qu'aux boîtiers de contrôle intégrés au câble (ICCB) des câbles de charge de mode 2 (Figure 1, cas 2 et 3).

Figure 1 : Les dispositifs EVSE doivent ajouter un RCM CC en aval du RCD de type A sensible au courant alternatif (cas 2), ou en avoir un connecté au secteur CA directement via un RCD de type B (cas 4). (Source de l'image : goingelectric.de)

Modes de charge pour VE

La batterie d'un VE peut être chargée via différents modes de charge, en fonction du raccordement électrique disponible sur place, de la fiche de connexion, du câble de charge et de la technologie de charge installée dans le véhicule ainsi que dans la borne de charge. En Europe, l'énergie électrique peut être injectée dans le véhicule via un courant alternatif monophasé (230 V/3,6 kilowatts (kW), un courant alternatif triphasé (400 V/22 kW) ou via des bornes de charge CC haute tension (jusqu'à 1000 VCC/500 kW). La Figure 2 illustre les quatre modes de charge définis dans la norme CEI 61851.

Figure 2 : Illustration des quatre modes de charge définis dans la norme CEI 61851. (Source de l'image : bestchargers.eu)

Mode 1 (charge CA monophasée jusqu'à 3,6 kW ; mode de charge par défaut)

Dans ce cas, le véhicule électrique ou hybride est connecté à une prise domestique standard de 230 V à l'aide d'un simple câble passif et sera chargé avec une faible puissance à un maximum de 3,6 kW via le chargeur embarqué. Ce scénario de charge n'offre pas une protection suffisante contre le courant continu résiduel pour l'utilisateur. Habituellement, seul un RCD de type A sensible au courant alternatif est installé dans le système électrique des bâtiments.

Mode 2 (charge CA monophasée/triphasée jusqu'à 22 kW via un câble de charge ICCB)

Un câble de charge de mode 2 équipé d'une fiche de véhicule de type 2 contient un ICCB qui exécute des fonctions de sécurité et de communication lors de la charge de VE à l'aide de prises domestiques et triphasées afin d'éviter leur surcharge.

Les fonctions de protection suivantes doivent être intégrées à l'ICCB :

• Détermination de la polarité et surveillance du conducteur de protection (PC) ; seuls quelques ohms d'impédance de boucle sont autorisés entre le neutre et le conducteur de protection.
• Test de la connexion électrique entre le conducteur de protection et le corps métallique.
• Un disjoncteur différentiel CA et CC évite les accidents de courant.
• Surveillance/arrêt du processus de charge en cas d'anomalies (par exemple fluctuations de courant dues à des contacts de fiche corrodés ou à une rupture de câble).
• Surveillance de la température à l'intérieur de l'ICCB et des deux fiches et déclenchement d'un arrêt si nécessaire.
• Contrôle de la puissance de charge : résistances d'excursion basse sur le fil pilote de contrôle (CP) pour signaler la charge nominale du câble au boîtier mural et au VE. Le signal de modulation de largeur d'impulsion (PWM) sur le fil de contrôle de charge (CC) signale la tenue en puissance de charge du boîtier mural au VE.

Mode 3 (charge CA monophasée/triphasée jusqu'à 22 kW via boîtier mural)

Pour la charge de VE, un câble passif de mode 3 est connecté à un boîtier mural chez les particuliers ou à une borne de charge CA publique dans les parkings. Les deux intègrent les mêmes fonctions de protection que l'ICCB ci-dessus.

Mode 4 (charge rapide CC directe de la batterie jusqu'à 500 kW)

Les bornes de charge CC haute puissance (CC/HPC) pour VE fournissent des courants de charge considérablement plus élevés que les modes 2 et 3. Une protection contre les chocs de courant alternatif et de courant continu résiduels est mise en œuvre dans ce superchargeur ; les différents câbles de charge sont toujours solidement attachés.

Mesurer les courants de défaut CA et CC dans le circuit EVSE

Les RCM de la série RCM14 de Littelfuse Inc. détectent les courants résiduels CC et/ou CA dans les systèmes CA ou CC et délivrent un signal de sortie pour contrôler une déconnexion externe (relais de coupure). En revanche, les RCD et les disjoncteurs différentiels résiduels (RCCB) disposent d'un relais de coupure intégré.

Les courants résiduels CA sont détectés à l'aide d'un transformateur de courant (CT) inductif. À cet effet, le conducteur de courant dans le sens direct (I_L) et le conducteur de retour de courant (I_N) sont alimentés via un noyau toroïdal magnétique doux, de sorte que les deux vecteurs de courant se compensent normalement et s'additionnent pour atteindre zéro. Si un courant de défaut (I_g) circule dans le potentiel de masse via le corps humain dans le circuit derrière le détecteur, le courant total RCM ou GFCI diffère de zéro et le disjoncteur se déclenche (Figure 3).

Figure 3 : Si un courant de défaut (I_g) circule dans le potentiel de masse via le corps humain, le courant total du GFCI diffère de zéro et le disjoncteur se déclenche. (Source de l'image : Littelfuse)

En intégrant une sonde de magnétomètre fluxgate dans une fente du noyau toroïdal et en compensant le flux magnétique à zéro au moyen d'une bobine de compensation, le transformateur de courant peut également détecter le courant continu différentiel. Plus précise que les capteurs à effet Hall ou les résistances shunt, cette méthode détecte de minuscules courants de défaut CC à partir de 6 mA à des courants de charge CC élevés jusqu'à 500 ampères (A).

RCM dotés d'une sortie de contrôle pour sectionneur

La série RCM14 de Littelfuse est idéale pour une utilisation dans les câbles de charge ICCB pour VE (mode 2) et les bornes de charge pour VE (mode 3). Elle est disponible en trois options de détection de courant résiduel conformément aux normes CEI 62752 (mode 2), CEI 62955 (mode 3) et UL 2231.

Chaque RCM est équipé d'une LED de fonctionnement et une LED de défaut. Le connecteur JST à quatre broches simplifie l'installation : les broches 1 et 2 sont destinées à l'alimentation 12 V, la broche 3 est destinée aux tests de fonctions externes et la broche 4 est une sortie de commutation à drain ouvert pour commander un sectionneur externe, tel qu'un relais de coupure, jusqu'à 100 mA et 24 V (maximum) (Figure 4).

Figure 4 : Les modules de la série RCM14 sont équipés de deux LED d'état et sont faciles à connecter via le connecteur JST à quatre broches. (Source de l'image : Littelfuse)

Ces RCM actifs peuvent également être utilisés pour détecter les courants résiduels CA et/ou CC dans les installations CC monophasées ou multiphasées. Le fonctionnement monophasé limite le courant de charge à 100 A, tandis que le fonctionnement triphasé est à 40 A. Ils peuvent gérer des impulsions de courant de charge jusqu'à 3000 A.

RCM14-01 : module RCM 6 mA CC conforme à la norme CEI 62955, ouverture de 14 millimètres (mm)

Le moniteur de courant résiduel RCM14-01 détecte les courants de défaut CC dans les systèmes CA de 50 Hz/60 Hz. Il est développé pour être utilisé dans les bornes de charge de VE de mode 3 (norme CEI 62955) afin d'interrompre le circuit de charge du VE en cas de courant de défaut CC ≥ 6 mA. Ce détecteur ajoute une fonction de surveillance du courant résiduel CC aux RCD de type A et de type F existants du système électrique du bâtiment de manière simple et rentable (Figure 5).

Figure 5 : Le RCM14-01 ajoute la surveillance des courants résiduels CC ≥ 6 mA aux RCD de type A sensibles au courant alternatif dans les systèmes électriques des bâtiments. (Source de l'image : Littelfuse, Western Automation)

RCM14-03 : module RCM 6 mA CC/30 mA CA conforme à la norme CEI 62752, ouverture de 14 mm

Le RCM14-03 est destiné à être utilisé dans les ICCB ou dans les dispositifs de protection intégrés pour les VE en mode de charge 2 afin d'interrompre l'alimentation du VE en cas de défaut CA ou CC.

RCM14-04 : module RCM 56 mA CC/20 mA CA conforme à la norme UL 2231-2, ouverture de 14 mm

Le module RCM14-04 détecte les courants de défaut CA et CC dans les installations CA de 60 Hz. Il est conçu pour être utilisé dans les applications de borne de charge de VE avec dispositif de coupure de circuit de charge (CCID) où il interrompt l'alimentation du VE en condition de courant résiduel CA et/ou CC.

RCM20-01 : le RCM20-01 est un moniteur de courant résiduel destiné à la détection des courants résiduels CC dans les installations CA de 50 Hz/60 Hz. Il est principalement destiné aux bornes de charge de véhicules électriques de mode 3, afin de déconnecter l'alimentation du véhicule électrique en condition de courant de défaut résiduel CC. Le produit est entièrement conforme à la norme CEI 62955.

RCM20-03 : le RCM20-03 est un moniteur de courant résiduel destiné à la détection des courants résiduels CC et CA dans les installations CA de 50 Hz/60 Hz. Il est destiné aux bornes de charge de véhicules électriques de mode 2, afin de déconnecter l'alimentation du véhicule électrique en condition de courants de défaut résiduels CC et CA. Le produit est entièrement conforme à la norme CEI 62752, et il peut également être utilisé pour les applications CEI 62955 où une détection de défaut CA de 30 mA est requise.

Pour l'intégration dans un circuit de dispositif plus grand, les modules RCM présentés suivants sont également disponibles en tant que systèmes à cadre ouvert :

• RCM14-01_SYS_V, RCM14-01_SYS_H
• RCM14-03_SYS_V, RCM14-03_SYS_H
• RCM14-04_SYS

Chaque système se compose d'une carte à circuit imprimé de capteur soudable et d'un transformateur de courant séparé (Figure 6).

Figure 6 : Les modules RCM14-04_SYS sont des systèmes à cadre ouvert constitués d'un circuit imprimé de capteur et d'un transformateur de courant. (Source de l'image : Littelfuse, Western Automation)

Conclusion

Les RCD de type A sensibles au courant alternatif sont des normes d'installation courantes dans les systèmes électriques des bâtiments, mais ils ne protègent pas contre les dangers de courant résiduel CC dans les circuits de charge de véhicules électriques. Comme illustré, la série RCM14 peut effectuer la surveillance du courant résiduel CC requise dans les câbles de charge ICCB (mode 2) et les bornes de charge de VE (mode 3). Grâce au connecteur à seulement quatre broches de connexion, les concepteurs de systèmes peuvent facilement et à moindre coût implémenter le module RCM compact ou le système à cadre ouvert dans leur équipement EVSE.