陈伟康，郑 豪

（莱茵技术（上海）有限公司，上海 200072）

0 引言

能源问题、环境保护问题日益成为国际社会关注的焦点，特别是在快速发展的中国不仅面临石油短缺的严峻挑战，而且随着汽油车保有量的飞速增长，日益严重的汽车尾气污染，已经成为它不能承受的后果。在北京、上海、广州等大城市，机动车已成为排放一氧化碳、氮氧化物、碳氢化合物等污染物的第一大污染源。业内人士估计，10～15 年之后我国的汽车保有量可能超过1 亿辆。因此，治理汽车污染将是一项长期的、艰巨的、复杂的系统工程。

电动汽车作为一种新型交通工具，用电池作驱动，实现了零排放。它在缓解能源危机，保护环境方面有着传统汽油车无可比拟的优势。由于电动汽车是靠电池驱动，当电动汽车电池的电能消耗到一定程度时，就必须依靠充电装置对电动汽车内的动力电池进行充电，从而满足电动汽车的循环使用。这样充电装置成为了电动汽车使用环节中的重要一环。由于充电装置相比其他的家用电器功率和电流都较大，大多数安装在公共场所，充电装置的使用安全是所有电动汽车的生产厂家、物业和车主共同关心的话题。充电装置的使用安全主要依靠充电装置的安全设计，结合IEC 标准及中国国内的一些标准，探讨充电装置设计中须要注意的一些特殊要求。

1 安全标准简介

现行有效的IEC 有关充电桩安全标准为：IEC 61851—1（2010 电动汽车传导充电系统 第1 部分 通用标准）；IEC 61851—21（2002 电动汽车传导充电系统 第21 部分 交流/直流电源传导连接的要求）；IEC 61851—22（2002 电动汽车传导充电系统 第22 部分 交流电动汽车充电站）；IEC 61851—23（2014电动汽车传导充电系统 第23 部分 直流电动汽车充电站）。

整个IEC 61851 的标准系统里面，它涵盖了防触电保护的要求，防止大能量电弧的要求，防止过热的要求，防止机械危险的要求等。在诸多防护要求中，防触电保护是最基本的，也是最重要的保护，因为潜在的电击风险又可以引起火灾及其它复合危险，看不到、闻不到，不能预先感知，所以IEC 的标准要求充电设备在设计时就要考虑到这些风险，把这些风险发生的机率降到最小。着重讨论IEC 61851 系列和GB 系列有关充电设备防触电保护的要求。

2 防触电保护的要求

根据IEC 61851 针对电动汽车充电设备防触电保护的要求，充电设备分为三重保护：防止直接触电的保护、防止间接触电击保护及附加保护。

2.1 直接触电的防护要求

直接触电是指直接接触危险带电体，根据ISO 6469—3《电动汽车安全规范——人体触电的保护》内的定义，交流电压>30 V或直流电压>60 V 的带电体定义为危险带电体。直接触电的防护就是要有效地防止和危险带电体接触，电动汽车充电设备主要包含以下措施：基本绝缘，遮挡物或外壳防护，特低电压，低接触电流和电荷等。

（1）基本绝缘：危险带电体的绝缘，它起到直接电击防护的作用。基本绝缘的要求是带电体要被绝缘全覆盖，绝缘只有在被破坏的情况下才能去除。

（2）遮挡物或外壳防护：用来阻止和带电体的接触。带电体应在外壳内部或在遮挡物背后，防护等级要求达到IPXXB 或IP2X。遮挡物应牢固加以固定，并能长期保持有效，外壳和遮挡物只能用工具或危险带电体断电后才能打开或移除。

（3）特低电压：特低电压的电压范围为交流<30 V，直流不超过<60 V。

（4）接触电流和电荷的限定：当用保护阻抗作为防触电保护的措施，要求通过模拟人体的漏电流，交流<0.5 mA，直流<2 mA。同时2 个可同时接触到的金属导体之间的储存电荷<50 μC。

根据IEC 61851 的防触电保护的要求，充电设备不能有外露可触及人体的危险带电体，并且所有不需要工具即可去除的部件要全部去除再考核。

当充电设备和电动汽车断开或和电源断开，可接触的金属导体之间或可接触的金属导体和地之间的电压<30 V，直流<60 V，同时储存能量E<20 J，如果大于以上数值，必须有警告标志在相应的地方。主要针对在充电设备和电动汽车断开或和电源断开后可触及的金属部件，如电源插头插针，充电连接器的插针等。

式中 E——能量，J

C——电容量，μF

U——电压，V

2.2 间接触电的防护要求

电防护的基本原则是电气设备在正常条件下或在一个故障条件下使用时，危险带电体不能被触及，可触及的导电体不能成为带电体。正常条件下防触电保护称为基本保护，即直接电击的防护，具体要求在2.1 节已经介绍，在一个故障条件下的防触电保护，称为故障保护，即间接触电的防护。

根据IEC 61851 的要求，间接触电的防护要求包含以下一个或几个措施：附加或加强绝缘，保护等电位连接，保护屏蔽，自动切断电源，简单隔离等。

（1）附加绝缘：除基本绝缘以外的独立的绝缘，起到故障保护的作用，即基本绝缘一旦失效，附加绝缘作为防触电的绝缘保护。

（2）加强绝缘：危险带电体的绝缘，它提供和双重绝缘（基本绝缘+附加绝缘）同等效果的防触电保护。

（3）保护等电位连接：出于安全的原因，等电位的连接，使各个可接触的金属部件处于同一电位上（图1）。

（4）简单隔离：电路之间或电路和接地之间通过基本绝缘的方式隔离。

（5）保护屏蔽：和危险带电体的隔离通过插入一个导电屏蔽物，它连接外部保护接地线。

（6）自动切断电源：当TN 系统或TT 系统电气装置内某一点发生接地故障时，该点的电源应由一防护电器自动及时切断，使电气装置内由此引起的危险接触电压不持续存在。由于IT系统对地呈高阻抗，通常第一次接地故障并不要求切断电源，当第二次发生异相接地故障后，才要求切断电源（图2～图4）。

图1 等电位连接示意

2.3 附加防护

为了避免直接防护或间接防护失效的情况，或使用者操作不当的情况，引起间接触电，充电桩要求有附加防护，漏电保护器RCD（IΔn≤30 mA）应作为电动汽车传导供电设备接地系统的一部分，RCD 的漏电脱扣特性至少Type A，并且符合 IEC 60364—4—41 的要求（5 IΔn 动作时间不超过40 ms）。

图2 TN 系统接地故障示意

图3 TT 系统接地故障示意

2.4 防触电保护措施设计的基本原则

防触电保护的要求是充电桩在正常使用时或在一个故障的情况下，危险带电体不能触及，并且可触及的导电体不能成为危险带电体。这就要求防触电保护系统至少须要2 个独立的互不影响的保护措施（加强绝缘除外），所谓互不影响是指2 个独立的保护措施不太可能同时失效，所以2 个措施同时失效的情况一般无需考虑，安全可靠地建立在其中一个措施始终有效的基础上。充电桩一般都设计为I 类电器。

图4 IT 系统接地故障示意

I 类电器的防触电保护不仅仅依靠基本绝缘，把导电的可接触部分连到固定布线的保护接地线，以防万一基本绝缘失效，导电可接触部分也不会带电。

I 类电器的防触电保护须要电器的结构和电气安装方式结合起来，协调配合。在TN 系统或TT 系统中，如果发生基本绝缘失效，带电体碰到外壳，由于金属外壳通过PE 线和建筑电气布线的接地排连接，而接地排又已经和楼面地面的金属结构件作了等电位连接，所以外壳的故障电压被限制在了相对较低的电压值，同时相线，电器外壳，连接电器外壳的PE 线，建筑电气布线的PE 线，PEN 线及变压器的中心点形成回路，这样故障电流流经回路中的保护电器如过流保护器或剩余电流保护器，电流一旦达到或超过保护电器的动作电流值，保护电器立刻切断电源，这就是标准上定义的附加保护措施。

3 结合标准分析充电桩防触电保护的要求

由于充电桩在工作状态时须要连接电动汽车，所以充电桩不仅要有自身的防触电保护措施，还需要检测电动汽车的安全状况，一旦发现电动汽车绝缘破坏应立刻切断电源。所以充电桩的充电电缆和电动汽车的充电接口连在一起后，必须确认完全连接，并持续检测电动汽车的接地线是否和充电桩的接地保护线可靠地连接在一起。这里分别列举一个交流充电桩和一个直流充电桩的连接和充电过程来分析防触电保护措施的运用。

3.1 交流充电桩的连接

从图5 可知充电桩和电动汽车的连接点1，2 是单相电源的L，N 线的连接点，连接点3 是接地保护连接点，连接点4 是控制导引连接点，连接点5 是位置检测连接点。图中R4，R5，R6，R7和开关S3 组成位置检测的功能。当充电桩和电动汽车完全连接后，测试点1 的电压由于充电桩连接器上的电阻R6 并入位置检测电路而发生变化，这样检测电路根据电压的变化可判断充电桩和电动汽车是否已经完全连接好，只有完全连接后充电桩才会向电动汽车充电。S3 的功能是防止充电桩和电动汽车的连接意外断开。S3 是常闭开关，在正常连接时，R7 是被短路的，当要断开连接时，由于S3 和连接器的机械联锁组合在一起，必须要断开S3，这样R7 就并联在位置检测电路上，测试点1 的电压发生变化，检测电路根据电压的变化可判断充电桩是否要和电动汽车脱离连接，在充电桩的连接器和电动汽车的插座脱离前及时切断充电电流，防止电弧危险及危险带电体被触及（参见2.1）。

图5 是一个典型的I 类充电桩，连接方式C，充电模式3 的电气线路。I 类充电桩采用了基本绝缘加接地保护（室内建筑物内，可以认为是等电位连接）的防电击保护措施，所以对于固定安装的充电桩（充电模式3），室内的固定安装布线和充电桩本身的绝缘要求同样重要。

同样在弱电线路（控制导引电路12 V）和 强电线路（充电线路220 V）的绝缘要求上，标准要求控制导引线路必须是安全特低电压供电，这样就基本上排除了控制电路绝缘失效，引发触电危险的可能性。

在充电的过程中，充电桩的标准不仅考虑到充电桩的电击防护，还要考虑到汽车的电击防护，控制导引电路在安全方面起到了至关重要的作用。除了上述的连接确认之外，在充电过程中它还须要持续监控接地连续性。当接地线断开，标准要求充电桩在100 ms 内切断电源。标准之所以关注接地连续性，原因是如果失去了接地连续性，电动汽车就失去了等电位连接的效果，一旦电动汽车内部的电气绝缘失效，故障电压就会全部反应到金属车架上，同时也失去了自动切断电源的回路，使用者将直面电击的危险。

图5 交流充电的典型控制导引电路

图6 直流充电控制导引电路

针对交流充电桩，标准上特别规定必须配备漏电保护器，这是因为充电连接线路为供电装置-固定布线-交流充电桩-充电电缆组件-电动汽车已经构成了故障电流的回路，给漏电保护器的检测创造了条件，这样如果一旦充电桩或电动汽车绝缘失效，金属外壳的故障电流就会通过接地线流回电源，漏电保护器便能检测到漏电流的大小，当超过规定的要求如30mA，漏电保护器就会自动切断电源。这样在还没有引发电击事故前，故障电源就已经切断了，这就是标准上提到的所谓的附加保护措施，即自动断电措施。

3.2 直流充电桩的连接

直流充电桩分为隔离直流充电机和非隔离直流充电机，所谓的隔离直流充电桩是指直流输出电路和电源交流侧至少是基本绝缘，目前电动汽车充电桩的安全标准主要针对隔离直流充电桩。在直流充电桩的安规标准中强调了必须采用自动切断电源的保护措施，同时要求直流充电桩应和交流电源侧中的A 型漏电保护器相兼容。在控制导引方面的防触电保护，除了交流充电桩的要求之外，还增加了在充电前的绝缘电阻的检测，要求绝缘电阻R：

式中U 为直流充电桩的额定输出电压。

图6 是采用B 系统的直流充电桩，国标目前就采用这个系统。从图可知直流充电桩由非车载充电机控制器，R1，R2，R3，R4 和R5，开关S，交流供电电路，接触器K0，隔离变压器T，AC/DC 逆变器，直流供电回路接触器K1 和K2，低压辅助供电回路接触器K3 和K4，充电回路接触器K5 和K6 以及车辆控制装置组成。当连接器插入汽车的插座，位置检测的功能将被激活，即检测点2 的电压由12 V 变成6 V，电动汽车确认充电连接器的插入。当操作人员对非车载充电机进行充电设置后，非车载充电机控制装置通过测量检测点1的电压值判断连接器与车辆插座是否已完全连接，如检测点1电压值为4 V，则判断车辆接口完全连接。只有在充电桩和电动汽车的控制器均确认连接后，电动汽车的控制器才能启动下一阶段的充电程序，这样防止在充电连接的过程中出现电击。

防电击保护，交流侧沿用了交流充电桩的基本要求，充电桩的金属外壳必须和保护接地相连，实现等电位和自动故障断电。直流侧见图6 中的隔离变压器次级，直流+，-端和地之间跨接了绝缘监测器，它的目的在于监测直流输出端和地的绝缘情况。当直流电流由隔离变压器输出时，变压器次级的电路和地之间实际形成了IT 系统，当直流端和地发生第一次绝缘故障时，由于变压器的隔离作用，直流端对地不能形成回路，所以故障电流很小，不足以触发断路器或漏电保护器动作，如果不加以监测，那么这个故障就会作为一个隐患保留下来，潜在的风险很大。所以在正式充电前还要进行绝缘电阻的监测，绝缘电阻值不能小于式（1）计算出来的值，否则就不允许充电。

当直流充电桩在充电过程中检测到充电桩或汽车的异常情况，须要通过紧急终止来保证安全。异常情况包括检测到非正常的接地泄漏，过电流和绝缘失效。

4 结语

防触电保护只是安全防护的一个方面，充电桩的安全防护还包括过载防护、短路防护、浪涌保护、机械防护等。充电桩安全标准上的所有要求都围绕着上述防护的要求而展开。需要强调的是，大部分充电桩都是固定安装形式且多是I 类电器，所以仅靠产品上采取的措施往往并不能完全满足安全的要求，还需要在电气装置的设计和安装上补充一些必要的安全措施。产品设计和电气安装设计通常是协调配合，相辅相成。