2021年11月15日，美国总统拜登签署了总额约1.2万亿美元的《基础设施投资和就业法案》，该法案旨在推动到2030年为止在美国安装500,000个电动汽车充电站。这也将为国内充电桩厂商带来一波出口机会。
由于北美和国内的电网系统存在非常大的差别，也使得充电桩的标准完全不一样，尤其美标的漏电流保护部分，和国标存在非常大的区别。本文将简单分析一下美标充电桩的漏电流保护要求。
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UL 2231-2 “Personnel Protection Systems for Electric Vehicle (EV) Supply Circuits: Particular Requirements for Protection Devices for Use in Charging Systems”中描述了对漏电流的保护要求和测试方法。
然而，在确定漏电流保护要求之前，需先查看UL 2231-1 “Personnel Protection Systems for Electric Vehicle (EV) Supply Circuits: General Requirements”。其中对接地系统的保护要求进行了划分，不同电压等级有不同的要求，也带来了不同的漏电流保护要求，如其Table 2(即本文图1)所示。
图1：接地系统的保护系统要求。
漏电保护类型主要分为CCID5和CCID20，要根据电压等级，配合基本绝缘、双重绝缘加强绝缘，以及是否具备接地监测功能、是否中性线接地来进行选择漏电保护是CCID5还是CCID20。CCID的跳脱阈值可参考UL2231-2中Table 4~5两个表格，即本文图2和图3。
图2：CCID5装置的脱扣阈值。
图3：CCID20装置的脱扣阈值。
简单来说，CCID5对交流漏电的保护范围是5±1mA，直流是30mA，同时对DC+AC混合漏电流以及高频都有保护，而CCID20对交流漏电保护范围是15~20mA，直流是40×1.414=56.56mA，同样也对混合漏电流和高频漏电都有保护。它们和欧标中的B型漏电保护类似，都需对各种复杂漏电进行保护，也都考虑了直流漏电的危害，但是和欧标又有很大区别。我们知道，欧标中有一个直流6mA的保护要求，是对于磁保护的要求，防止直流漏电对充电系统中其他根据互感原理进行漏电保护的装置造成直流偏磁效应，而导致保护失效。UL2231中直流漏电的保护阈值都大于交流，显然关注重点是直流直接对人体造成的伤害。
我们都知道，漏电流的危害和电流能量大小相关，而能量由漏电流持续时间和大小决定，一般测试漏电功能是否可靠也是从脱扣电流大小和脱扣电流时间两方面来确定的。
对于脱扣电流大小，纯直流和纯交流比较好理解，在图2和图3中已经给出了阈值。
然而，DC+AC的混合漏电流，UL2231在其Figure 6(即本文图4)中给出了不同DC含量下的脱扣阈值。
图4：交直流混合脱扣阈值。
横坐标是直流含量大小，纵坐标是AC和DC混合漏电流大小(峰值)，并且也给出了起始点和终点的坐标值，从而可以得知AC和DC的混合比例。
对于AC＞60Hz的高频漏电流阈值，如果是CCID5，根据图2是“5×FF but not greater than 70”，FF系数需查看UL2231的Figure 7，即本文图5，横坐标是频率，纵坐标是FF系数。
图5：CCID5高频漏电系数。
然而，如果是CCID20，阈值是“20×Ratio”，Ratio系数由UL2231的Figure 8(即本文图6)确定。
图6：CCID20高频漏电系数。
对于拟用于具有多个频率的电源电路的CCID型设备的允许脱扣阈值，应通过将电源应用于UL2231的Figure 9(即本文图7)所示的电路来确定。频率因数是通过将VIN值除以测量的VOUT值来确定，如果是CCID5，阈值就是5×FF；如果是CCID20，则阈值就是20×Ratio。
图7：脱扣阈值频率因数网络。
对于脱扣时间的确定，UL2231在其Table 6(即本文图8)中给出了公式。
图8：断开时间计算公式。
与欧标给出了详细的测试模型不同，UL2231也给出了测试模型，但并没有包括所有要求的内容。可以看到，在其Figure 10(即本文图9)中，给出了一个测试模型。
图9：高阻抗接地故障测试电路。
该图显示，接地故障测试是通过在负载侧引出一个电阻到接地端，通过调节电阻大小来模拟不同大小的漏电流的。这个测试模型似乎只能考察纯交流漏电流的保护，因为交流充电设备是交流输出的。然而，理论上，如果要对直流和各种不同频率进行测试，则需要设计不同的电路来进行。
通过对美标漏电标准的简单分析，可以看到，美标的漏电流要求还是相对比较高的，并且标准也没有给出完整的测试方法。作为全球领先的漏电流保护方案供应商，MAGTRON在一些实际的应用案例中发现，不同的认证机构对于美标的标准解读和测试方法也并不完全一样。巨磁智能(MAGTRON)可提供传感器级别的美标漏电流保护解决方案，配合客户完成美标充电桩的认证。
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本文为《电子技术设计》2023年3月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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