Come utilizzare i monitor di corrente residua per garantire la sicurezza elettrica durante la ricarica dei veicoli elettrici

La frequente ricarica delle batterie ad alta tensione dei veicoli elettrici (EV) porta con sé sollecitazioni meccaniche sui cavi e sui connettori di ricarica. Se l'isolamento si rompe e le parti metalliche sotto tensione sono esposte o se appaiono shunt nell'elettronica di bordo, possono verificarsi correnti residue pericolose all'utilizzatore del mezzo. Particolarmente problematiche sono le varie forme di corrente residua in c.c. che non possono essere rilevate dagli interruttori differenziali (RCD) di tipo A sensibili alla corrente alternata.

Per prevenire gli incidenti dovuti a scosse elettriche, i produttori di apparecchiature di alimentazione per veicoli elettrici (EVSE) devono incorporare nei loro prodotti elettronici di potenza interruttori differenziali che intervengano entro pochi millisecondi per correnti residue sia in c.a. che in c.c. di pochi milliampere.

Questo articolo spiega le forme di correnti residue, come misurarle e dove installare l'RCD nel circuito di carica. Presenta quindi i monitor di corrente residua (RCM) di Littelfuse che i progettisti di sistemi possono utilizzare per aggiungere la protezione contro il contatto elettrico in c.c. nei loro dispositivi EVSE, in modo economico e veloce. L'articolo mostra anche per quali modalità di ricarica EV sono adatti questi sensori di corrente e come utilizzarli.

Correnti residue nel circuito di ricarica EV

La ricarica dei veicoli elettrici con tensioni fino a 400 V c.a. e 1000 V c.c. richiede ampie misure di protezione per l'utente del veicolo quando maneggia l'apparecchiatura di ricarica. A causa degli impulsi di commutazione asimmetrici e ricchi di armoniche delle stazioni di ricarica e dei caricabatterie di bordo, nonché di diverse centinaia di volt di tensione di collegamento in c.c., possono verificarsi vari tipi di correnti residue in c.a. e c.c. tramite shunt, effetti di accoppiamento, guasti dell'isolamento e guasti di dispersione.

I circuiti elettronici di potenza, come i raddrizzatori, i convertitori a commutazione, gli inverter di frequenza e i sistemi di controllo dell'inverter e dell'angolo di fase, presentano un'ampia varietà di caratteristiche della corrente di carico. Le correnti residue potenziali risultanti sono classificate come c.a. sinusoidale, c.c. pulsata e c.c. diretta. Queste forme di corrente residua sono pericolose per l'uomo. La tabella 1 mostra i segnali di corrente di carico tipici di varie topologie di circuito e le forme d'onda di corrente residua risultanti. Le colonne da 1 a 3 assegnano i tipi di RCD adatti al rilevamento.

Tabella 1: Forme di corrente di guasto e loro rilevamento in base al tipo di RCD più adatto (colonne da 1 a 3). (Immagine per gentile concessione di Wikipedia)

Una buona conoscenza delle forme d'onda delle correnti residue può aiutare le officine di riparazione di EV e gli elettricisti a risalire alle correnti residue nelle schede elettroniche dei veicoli elettrici, negli EVSE o nelle stazioni di ricarica.

Caratteristiche di intervento dei tipi di RCD

In generale, la protezione personale contro il contatto elettrico nelle installazioni elettriche è regolata dalle norme IEC 60479 e UL 943. Entrambi gli standard definiscono correnti residue significative in c.a e c.c. nell'intervallo di 6, 30, 100, 300, 500 e 1000 mA, con tempi di intervento che vanno da 20 a 500 ms. Le soglie di intervento più comuni nel circuito di ricarica EV sono 6 mA c.c. e 30 mA c.a.

I progettisti di sistemi possono ora implementare facilmente requisiti specifici di protezione personale nel circuito di carica, selezionando un tipo di RCD dello standard appropriato. La tabella 2 elenca le forme di corrente residua e la tolleranza di intervento dei diversi tipi di RCD o di interruttori differenziali (GFCI).

Tabella 2: Caratteristiche di intervento di diversi tipi di GFCI o RCD. (Tabella per gentile concessione di abb.com)

Installazione di interruttori differenziali nel circuito di ricarica EV

Gli RCD di tipo A o di tipo F rilevano solo la corrente residua c.a. e la corrente pulsante c.c., il che è insufficiente per proteggere un circuito di ricarica EV. Occorre inoltre considerare un'ampia gamma di correnti residue c.c. dirette che possono verificarsi nel caricabatterie di bordo o nel sistema di gestione della batteria.

La norma IEC 62196 definisce pertanto due opzioni di protezione dalle correnti residue: l'uso di un RCD sensibile a tutte le correnti di tipo B (o tipo B+), oppure un RCD di tipo A in combinazione con un sistema di monitoraggio della corrente continua residua secondo la norma IEC 62955 con I_Δn c.c. ≥6 mA. Il monitoraggio della corrente di guasto c.c. può essere installato nella scatola a parete, nell'impianto elettrico dell'edificio o in entrambe le posizioni.

Poiché negli impianti elettrici degli edifici è solitamente presente un RCD di tipo A o di tipo F sensibile alla corrente alternata, i progettisti possono aggiungere in modo economico un monitoraggio della corrente continua residua di 6 mA alle scatole a parete Modo 3 o alle stazioni di ricarica, nonché alle scatole di controllo in-cable (ICCB) dei cavi di ricarica Modo 2 (Figura 1, casi 2 e 3).

Figura 1: I dispositivi EVSE devono aggiungere un RCM c.c. a valle dell'RCD di tipo A sensibile alla corrente alternata (caso 2) oppure devono essere collegati direttamente alla rete c.a. tramite un RCD di tipo B (caso 4). (Immagine per gentile concessione di goingelectric.de)

Modi di ricarica dei veicoli elettrici

La batteria dei veicoli elettrici può essere caricata in diversi modi, a seconda della connessione elettrica disponibile in loco, della spina di collegamento, del cavo di ricarica e della tecnologia di ricarica installata nel veicolo e nella stazione di ricarica. In Europa, l'energia elettrica può essere immessa nel veicolo tramite corrente alternata monofase (230 V/3,6 kW, corrente alternata trifase (400 V/22 kW) o tramite stazioni di ricarica c.c. ad alta tensione (fino a 1000 V c.c./500 kW). La Figura 2 illustra le quattro modalità di ricarica definite dallo standard IEC 61851.

Figura 2: Illustrazione delle quattro modalità di ricarica definite dallo standard IEC 61851. (Immagine per gentile concessione di bestchargers.eu)

Modo 1 (ricarica in c.a. monofase fino a 3,6 kW; modalità predefinita)

In questo caso, il veicolo elettrico o ibrido viene collegato a una presa domestica standard da 230 V tramite un semplice cavo passivo per la ricarica a bassa potenza, fino a un massimo di 3,6 kW, tramite il caricatore di bordo. Questo scenario di ricarica non fornisce all'utente una protezione sufficiente contro la corrente continua residua. Di solito, nell'impianto elettrico dell'edificio viene installato solo un interruttore differenziale di tipo A sensibile alla corrente alternata.

Modo 2 (ricarica in c.a. mono/trifase fino a 22 kW tramite un cavo di ricarica ICCB)

Un cavo di ricarica Modo 2 dotato di una spina per veicoli di tipo 2 contiene un ICCB che svolge funzioni di sicurezza e di comunicazione durante la ricarica di EV che utilizzano prese domestiche e trifase per evitare di sovraccaricarle.

Le seguenti funzioni di protezione devono essere integrate con l'ICCB:

• Determinazione della polarità e monitoraggio del conduttore di protezione (PC); tra il neutro e il PC sono ammessi solo pochi ohm di impedenza dell'anello.
• Verifica del collegamento elettrico tra il PC e il corpo metallico.
• Un interruttore differenziale c.a. e c.c. previene gli incidenti di corrente.
• Monitoraggio/arresto del processo di ricarica in caso di anomalie (es., fluttuazioni di corrente dovute a contatti corrosi della spina o alla rottura del cavo).
• Monitoraggio della temperatura all'interno dell'ICCB e di entrambi gli spinotti e spegnimento se necessario.
• Controllo della potenza di ricarica: resistori di pull-down sul filo di controllo pilota (CP) per segnalare il carico nominale di corrente del cavo sia alla scatola a parete sia all'EV; il segnale di modulazione della larghezza di impulso (PWM) sul filo di controllo della carica (c.c.) segnala la capacità di ricarica della scatola a parete all'EV.

Modo 3 (ricarica in c.a. monofase/trifase fino a 22 kW tramite scatola a parete)

Per la ricarica EV, un cavo passivo Modo 3 viene collegato a una scatola a parete di abitazioni private o a una stazione di ricarica pubblica in c.a. nei parcheggi. Entrambi integrano le stesse funzioni di protezione dell'ICCB di cui sopra.

Modo 4 (ricarica rapida in c.c. diretta della batteria fino a 500 kW)

Le stazioni di ricarica c.c. ad alta potenza (DC/HPC) per i veicoli elettrici erogano correnti di ricarica significativamente più elevate rispetto ai modi 2 e 3. Il supercaricatore è dotato di una protezione dalle scosse elettriche derivanti da residui di c.a. e c.c.; i diversi cavi di ricarica sono sempre fissati saldamente.

Misurare le correnti di guasto c.a. e c.c. nel circuito dell'EVSE

Gli RCM serie RCM14 di Littelfuse Inc. rilevano le correnti residue c.c. e/o c.a. in sistemi c.a. o c.c. e forniscono un segnale di uscita per controllare un sezionatore esterno (relè di interruzione). Per contro, gli RCD e gli interruttori differenziali (RCCB) hanno un relè di disattivazione integrato.

Le correnti residue c.a. vengono rilevate mediante un trasformatore di corrente (CT) induttivo. A questo scopo, il conduttore di andata (I_L) e il conduttore di ritorno (I_N) della corrente sono alimentati attraverso un nucleo toroidale magnetico dolce, facendo sì che entrambi i vettori di corrente si compensino normalmente e si sommino a zero. Se una corrente di guasto (I_g) scorre nel potenziale di terra attraverso il corpo umano nel circuito dietro il rilevatore, la corrente totale RCM o GFCI differisce da zero e l'interruttore automatico interviene (Figura 3).

Figura 3: Se una corrente di guasto (I_g) scorre nel potenziale di terra attraverso il corpo umano, la corrente totale del GFCI differisce da zero e l'interruttore automatico interviene. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse)

Integrando una sonda magnetometrica fluxgate in una fessura del nucleo toroidale e compensando il flusso magnetico a zero mediante una bobina di compensazione, il CT può anche rilevare la c.c. differenziale. Più preciso dei sensori a effetto Hall o dei resistori di shunt, questo metodo rileva minime correnti di guasto c.c. da 6 mA a correnti di carico c.c. fino a 500 A.

RCM con uscita di controllo per il sezionatore

La serie RCM14 di Littelfuse è ideale per l'utilizzo nei cavi di ricarica ICCB di veicoli elettrici (Modo 2) e stazioni di ricarica EV (Modo 3). Sono disponibili in tre opzioni di rilevamento della corrente residua in conformità alle norme IEC 62752 (Modo 2), IEC 62955 (Modo 3) e UL 2231.

Ogni RCM dispone di un LED di funzionamento e di un LED di guasto. Il connettore JST a quattro pin semplifica l'installazione: i pin 1 e 2 servono per l'alimentazione a 12 V, il pin 3 è per il test di funzionamento esterno e il pin 4 è un'uscita di commutazione a drain aperto per pilotare un sezionatore esterno come un relè di interruzione, fino a 100 mA e 24 V massimo (Figura 4).

Figura 4: I moduli serie RCM14 presentano due LED di stato e sono facili da collegare tramite il connettore JST a quattro pin. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse)

Questi RCM attivi possono essere utilizzati anche per rilevare correnti residue c.a. e/o c.c. in installazioni c.c. monofase o multifase. Il funzionamento monofase limita la corrente di carico a 100 A, mentre il funzionamento trifase la limita a 40 A. Inoltre, possono gestire impulsi di corrente di carico fino a 3000 A.

RCM14-01: modulo RCM c.c. 6 mA secondo IEC 62955, apertura 14 mm

Il monitor di corrente residua RCM14-01 rileva le correnti di guasto c.c. nei sistemi c.a. a 50 Hz/60 Hz. È stato sviluppato per l'uso nelle stazioni di ricarica EV Modo 3 (standard IEC 62955) per interrompere il circuito di ricarica del veicolo in caso di corrente di guasto c.c. ≥6 mA. Questo rilevatore aggiunge, in modo semplice ed economico, la funzione di monitoraggio della corrente residua c.c. agli RCD di tipo A e di tipo F esistenti nell'impianto elettrico dell'edificio (Figura 5).

Figura 5: RCM14-01 aggiunge il monitoraggio delle correnti residue c.c. ≥6 mA agli interruttori differenziali di tipo A sensibili alla corrente alternata negli impianti elettrici degli edifici. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse, Western Automation)

RCM14-03: modulo RCM c.c. 6 mA/c.a. 30 mA secondo IEC 62752, apertura 14 mm

RCM14-03 è destinato all'uso in dispositivi di protezione integrati o ICCB per EV Modo 2 per interrompere l'alimentazione del veicolo in caso di guasto c.a. o c.c.

RCM14-04: modulo RCM c.c. 56 mA/c.a. 20 mA secondo UL 2231-2, apertura 14 mm

Il modulo RCM14-04 rileva le correnti di guasto c.a. e c.c. nelle installazioni c.a. a 60 Hz. È progettato per l'uso in applicazioni di stazioni di ricarica EV con dispositivo di interruzione del circuito di carica (CCID), dove interrompe l'alimentazione del veicolo in caso di condizioni di corrente residua c.a. e/o c.c.

RCM20-01: questo dispositivo è un monitor di corrente residua destinato al rilevamento di correnti c.c. residue in installazioni c.a. a 50 Hz/60 Hz. È destinato all'uso nelle stazioni di ricarica per veicoli elettrici Modo 3, per scollegare l'alimentazione del veicolo elettrico in condizioni di corrente di guasto c.c. residua. È totalmente conforme allo standard IEC 62955.

RCM20-03: questo dispositivo è un monitor di corrente residua destinato al rilevamento di correnti c.a. e c.c. residue in installazioni c.a. a 50 Hz/60 Hz. È destinato principalmente all'uso nelle stazioni di ricarica per veicoli elettrici Modo 2, per scollegare l'alimentazione del veicolo elettrico in condizioni di corrente di guasto c.c. e c.a. Il prodotto è totalmente conforme allo standard IEC 62752 e può essere utilizzato anche per le applicazioni IEC 62955 in cui è richiesto il rilevamento di guasti a 30 mA c.a.

Per l'integrazione in un circuito di dispositivi più ampio, i seguenti moduli RCM sono disponibili anche come sistemi a telaio aperto:

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

Ogni sistema è costituito da una scheda CS saldabile per il sensore e da un trasformatore di corrente separato (Figura 6).

Figura 6: I moduli RCM14-04_SYS sono sistemi a telaio aperto costituiti da una scheda CS per il sensore e da un trasformatore di corrente. (Immagine per gentile concessione di Littelfuse, Western Automation)

Conclusione

Gli interruttori differenziali di tipo A sensibili alla corrente alternata sono uno standard di installazione comune negli impianti elettrici degli edifici, ma non sono in grado di proteggere dai rischi di corrente residua continua nei circuiti di ricarica EV. Come illustrato, la serie RCM14 è in grado di monitorare la corrente residua c.c. come richiesto nei cavi di ricarica ICCB (Modo 2) e nelle stazioni di ricarica EV (Modo 3). Grazie ai soli quattro pin di connessione, i progettisti di sistemi possono implementare negli EVSE il modulo RCM compatto o il sistema a telaio aperto, in modo semplice ed economico.