잔류 전류 모니터를 사용하여 전기 자동차 충전 시 전기 안전을 보장하는 방법

전기 자동차(EV)의 고전압 배터리를 자주 충전하면 충전 케이블과 커넥터에 높은 기계적 응력이 필요합니다. 절연이 파손되고 활성 금속 부품이 노출되거나 온보드 전자 기기에 션트가 나타나면 생명을 위협하는 잔류 전류가 EV 사용자의 신체에 발생할 수 있습니다. 특히 문제가 되는 것은 AC 감지 유형-A 잔류 전류 장치(RCD)가 감지할 수 없는 다양한 DC 잔류 전류 형태입니다.

감전 사고를 예방하기 위해 EV 공급 장비(EVSE) 제조업체는 몇 mA의 AC 및 DC 잔류 전류에 대해 몇 밀리초 내에 작동하는 전력 전자 제품에 RCD를 통합해야 합니다.

이 기사에서는 잔류 전류의 형태와 측정 방법, 충전 회로의 RCD 설치 위치를 설명합니다. 그런 다음 시스템 설계자가 비용 및 시간 효율적인 방법으로 해당 EVSE 장치에 DC 감전으로부터의 보호 기능을 추가하는 데 사용할 수 있는 Littelfuse의 잔류 전류 모니터(RCM)를 소개합니다. 또한 이러한 전류 센서가 적합한 EV 충전 모드와 사용 방법도 설명합니다.

EV 충전 회로의 잔류 전류

최대 400V AC 및 1000V DC 전압에서 EV를 충전하려면 충전 장비를 처리할 때 EV에 대해 광범위한 보호 조치가 필요합니다. 충전소와 온보드 충전기의 고조파 리치 및 비대칭 스위칭 펄스와 수백 볼트의 DC 링크 전압으로 인해 션트, 커플링 효과, 절연 결함 및 누설 결함을 통해 다양한 유형의 AC 및 DC 잔류 전류가 발생할 수 있습니다.

인버터 및 위상 각도 제어 시스템과 함께 정류기, 스위칭 컨버터, 주파수 인버터와 같은 전력 전자 부품 회로에는 다양한 부하 전류 특성이 있습니다. 그 결과로 발생하는 잠재적인 잔류 전류는 사인파 AC, 펄스 DC, 직선형 DC로 분류됩니다. 이러한 잔류 전류 형태는 인체에 위험합니다. 표 1에서는 다양한 회로 토폴로지의 일반적인 부하 전류 신호와 그 결과로 발생하는 잔류 전류 파형을 보여줍니다. 열 1~3에는 감지에 적합한 RCD 유형이 나와 있습니다.

표 1: 가장 적합한 RCD 유형에 따른 고장 전류 형태 및 감지(열 1~3)입니다. (이미지 출처: Wikipedia)

잔류 전류 파형에 대해 충분한 지식이 있으면 EV 기판 전자 기기, EVSE 또는 충전소에서 잔류 전류를 추적할 때 EV 정비 공장과 전기 기술자에게 도움이 될 수 있습니다.

RCD 유형의 트리핑 특성

일반적으로 전기 설비에 감전되지 않기 위한 개인 보호는 IEC 60479 및 UL 943에 의해 규제됩니다. 두 표준 모두 범위가 20ms ~ 500ms에 이르는 트리핑 시간에 6mA, 30mA, 100mA, 300mA, 500mA, 1000mA 범위의 상당한 AC 및 DC 잔류 전류를 정의합니다. EV 충전 회로의 일반적인 트리핑 임계값은 6mA DC 및 30mA AC입니다.

시스템 설계자는 이제 적절한 표준의 RCD 유형을 선택하여 충전 회로에 특정 개인 보호 요구 사항을 쉽게 구현할 수 있습니다. 표 2에는 다양한 RCD 또는 누전 차단기(GFCI) 유형의 잔류 전류 형태 및 트립 허용 오차 범위가 나열되어 있습니다.

표 2: 다양한 GFCI 또는 RCD 유형의 트리핑 특성입니다. (표 출처: abb.com)

EV 충전 회로의 RCD 설치

유형-A 또는 유형-F RCD는 AC 잔류 전류와 DC 맥동 전류만 감지하며 이는 EV 충전 회로를 보호하기에 충분하지 않습니다. 온보드 충전기 또는 배터리 관리 시스템에 발생할 수 있는 다양한 직류 DC 잔류 전류도 고려해야 합니다.

따라서 IEC 62196 표준은 2가지 잔류 전류 보호 옵션을 정의합니다. 하나는 모든 전류 감지 RCD인 유형 B(또는 유형 B+)를 사용하는 옵션이고 다른 하나는 I_Δn DC ≥ 6mA의 IEC 62955에 따른 잔류 DC 모니터링 시스템과 결합한 유형 A인 RCD를 사용하는 옵션입니다. DC 고장 전류 모니터링은 월 박스, 건물 전기 설비 또는 두 위치 모두에 배열될 수 있습니다.

AC 감지 유형-A 또는 유형-F RCD가 일반적으로 건물 전기 시스템에 존재하기 때문에 설계자는 비용 효율적으로 모드 3 월 박스 또는 충전소뿐 아니라 모드 2 충전 케이블의 인케이블 컨트롤 박스(ICCB)에 6mA 잔류 DC 모니터링을 추가할 수 있습니다(그림 1, 사례 2와 사례 3).

그림 1: EVSE 장치는 AC 감지 유형-A RCD(사례 2)의 DC RCM 다운스트림을 추가하거나 유형-B RCD를 통해 AC 주 전원에 직접 연결해야 합니다(사례 4). (이미지 출처: goingelectric.de)

EV 충전 모드

EV 배터리는 사용 가능한 현장 전력 연결, 연결 플러그, 충전 케이블, 자동차뿐만 아니라 충전소에 설치된 충전 기술에 따라 여러 충전 모드를 통해 충전할 수 있습니다. 유럽에서는 단상 AC(230V/3.6kW), 3상 AC(400V/22kW) 또는 고전압 DC 충전소(최대 1000V DC/500kW)를 통해 차량에 전기 에너지를 공급할 수 있습니다. 그림 2는 IEC 61851 표준에 정의된 4가지 충전 모드를 보여줍니다.

그림 2: IEC 61851 표준에 정의된 4가지 충전 모드 그림입니다. (이미지 출처: bestchargers.eu)

모드 1(단상 AC 충전 최대 3.6kW, 충전 기본 모드)

이 경우 전기 자동차 또는 하이브리드 자동차는 간단한 패시브 케이블을 사용하여 표준 230V 가정용 소켓에 연결되고 온보드 충전기를 통해 최대 3.6kW의 저전력을 사용하여 충전됩니다. 이 충전 시나리오는 잔류 DC로부터 사용자를 충분히 보호하지 않습니다. 일반적으로 AC 감지 유형-A RCD만 건물의 전기 시스템에 설치됩니다.

모드 2(ICCB 충전 케이블을 통해 최대 22kW까지 단상/3상 AC 충전)

유형 2 자동차 플러그가 장착된 모드 2 충전 케이블에는 과부하를 방지하기 위해 가정용 및 3상 소켓을 사용하여 EV 충전 시 안전 및 통신 기능을 수행하는 ICCB가 포함되어 있습니다.

다음 보호 기능은 ICCB와 통합되어야 합니다.

• 극성 및 보호 컨덕터(PC) 모니터링을 결정합니다. 중성 컨덕터 및 PC 간에 루프 임피던스 몇 Ω만 허용됩니다.
• PC와 금속 본체 간의 전기 연결을 테스트합니다.
• AC 및 DC 잔류 전류 회로 차단기가 전류 사고를 방지합니다.
• 이상(예: 부식된 플러그 접점 또는 케이블 파손으로 인한 전류 변동)이 발생한 경우 충전 공정을 모니터링/셧다운합니다.
• ICCB 및 두 플러그 내의 온도를 모니터링하고 필요 시 셧다운합니다.
• 충전 전력 제어: 제어 파일럿(CP) 전선의 풀다운 저항기가 월 박스와 EV 모두에 케이블 정격 하중을 신호로 보내고 충전 제어(CC) 전선의 펄스 폭 변조(PWM) 신호는 EV에 월 박스 충전 전력 기능을 신호로 보냅니다.

모드 3(월 박스를 통해 최대 22kW까지 단상/3상 AC 충전)

EV 충전의 경우 수동 모드 3 케이블은 개인 가정의 월 박스에 연결되거나 주차장의 공용 AC 충전소에 연결됩니다. 두 경우 모두 위의 ICCB와 동일한 보호 기능을 갖추고 있습니다.

모드 4(최대 500kW까지 직접 배터리 DC 급속 충전)

EV용 DC 고전력 충전기(DC/HPC) 스테이션은 모드 2와 모드 3에 비해 상당히 높은 충전 전류를 제공합니다. 이 슈퍼 충전기에는 잔류 AC 및 DC로부터의 충격 보호 기능이 구현되어 있습니다. 다른 충전 케이블은 항상 단단히 부착되어 있습니다.

EVSE 회로에서 AC 및 DC 고장 전류 측정

Littelfuse Inc.의 RCM14 계열 RCM은 AC 시스템 또는 DC 시스템의 DC 및/또는 AC 잔류 전류를 감지하고 출력 신호를 제공하여 외부 분리(차단 계전기)를 제어합니다. 반면에 RCD와 잔류 전류 회로 차단기(RCCB)에는 내장된 차단 계전기가 있습니다.

AC 잔류 전류는 유도적 변류기(CT)를 사용하여 감지합니다. 이를 위해 전류 순방향 컨덕터(I_L) 및 전류 반사 컨덕터(I_N)가 부드러운 마그네틱 도넛형 코어를 통해 제공되어 두 전류 벡터가 모두 일반적으로 서로를 보정하고 0까지 합산됩니다. 고장 전류(I_g)가 감지기 뒤 회로에 있는 인체를 통해 접지 전위로 흐르는 경우 RCM 또는 GFCI 총 전류가 0과 다르고 회로 차단기가 작동합니다(그림 3).

그림 3: 고장 전류(I_g)가 인체를 통해 접지 전위로 흐르는 경우 GFCI 총 전류가 0과 다르고 회로 차단기가 이동합니다. (이미지 출처: Littelfuse)

플럭스게이트 자력계 프로브를 도넛형 코어 슬롯에 통합하고 보상 코일로 마그네틱 플럭스를 0으로 보상하여 CT는 차동 DC도 감지할 수 있습니다. 이 방법은 홀 효과 센서나 션트 저항기보다 더 정확하여 최대 500A의 무거운 DC 부하 전류에서 6mA의 소형 DC 고장 전류를 감지합니다.

분리기를 위한 제어 출력을 갖춘 RCM

Littelfuse의 RCM14 계열은 EV(모드 2)와 EV 충전소(모드 3)용 ICCB 충전 케이블에 사용하기에 이상적입니다. 이는 IEC 62752(모드 2), IEC 62955(모드 3) 및 UL 2231에 따라 3가지 잔류 전류 감지 옵션을 사용할 수 있습니다.

각 RCM에는 작동 LED 1개와 고장 LED 1개가 있습니다. 4핀 JST 커넥터는 설치를 간소화합니다. 핀 1과 핀 2는 12V 전원 공급 장치용이고 핀 3은 외부 기능 테스트용이며 핀 4는 최대 100mA 및 24V(최대)에서 차단 계전기와 같은 외부 분리기를 구동하기 위한 개방 드레인 스위칭 출력입니다(그림 4).

그림 4: RCM14 계열 모듈에는 2개의 상태 LED가 있으며 4핀 JST 커넥터를 통해 쉽게 연결할 수 있습니다. (이미지 출처: Littelfuse)

이러한 활성 RCM은 단상 또는 다상 DC 설비에서 AC 및/또는 DC 잔류 전류를 감지하는 데 사용할 수도 있습니다. 단상 작동은 부하 전류를 100A로 제한하지만 3상 작동은 40A로 제한합니다. 또한 최대 3000A까지 부하 전류 펄스를 처리할 수 있습니다.

RCM14-01: IEC 62955, 14mm 애퍼처에 따른 6mA DC RCM 모듈

RCM14-01 잔류 전류 모니터는 50Hz/60Hz AC 시스템에서 DC 고장 전류를 감지합니다. 6mA 이상의 DC 고장 전류가 발생할 경우 EV의 충전 회로를 차단하기 위해 EV용 모드 3 충전소(IEC 62955 표준)에서 사용하도록 개발되었습니다. 이 감지기는 DC 잔류 전류 모니터링 기능을 건물 전기 시스템의 기존 유형-A 및 유형-F RCD에 비용 효율적이고 간단한 방식으로 추가합니다(그림 5).

그림 5: RCM14-01은 6mA 이상의 DC 잔류 전류 모니터링을 건물 전기 시스템의 AC 감지 유형-A RCD에 추가합니다. (이미지 출처: Littelfuse, Western Automation)

RCM14-03: IEC 62752, 14mm 애퍼처에 따른 6mA DC/30mA AC RCM 모듈

RCM14-03은 AC 또는 DC 결함 발생 시 EV에 대한 공급을 차단하기 위해 ICCB 또는 충전 모드 2에서 EV용 통합 보호 장치에 사용하기 위한 것입니다.

RCM14-04: UL 2231-2, 14mm 애퍼처 따른 56mA DC/20mA AC RCM 모듈

RCM14-04 모듈은 60Hz AC 설비에서 AC 및 DC 고장 전류를 감지합니다. 이 모듈은 AC 및/또는 DC 잔류 전류 조건 발생 시 EV에 대한 공급을 차단하는 충전 회로 차단 장치(CCID) EV 충전소 응용 분야에 사용하도록 설계되었습니다.

RCM20-01: RCM20-01은 50Hz/60Hz AC 설치에서 DC 잔류 전류를 감지하기 위한 잔류 전류 모니터입니다. 이 장치는 모드 3 전기 자동차 충전소에서 DC 잔류 결함 전류 조건하에 전기 자동차에 대한 공급을 차단하는 데 사용하도록 고안되었습니다. 또한 IEC 62955를 완전히 준수합니다.

RCM20-03: RCM20-03은 50Hz/60Hz AC 설치에서 AC 및 DC 잔류 전류를 감지하기 위한 잔류 전류 모니터입니다. 이 장치는 모드 2 전기 자동차 충전소에서 DC 및 AC 잔류 결함 전류 조건 시 전기 자동차에 대한 공급을 차단하도록 고안되었습니다. 또한 IEC 62752를 완전히 준수하며 30mA AC 결함 전류 감지가 요구되는 IEC 62955 응용 분야에도 사용할 수 있습니다.

더 큰 장치 회로에 통합하는 경우 다음과 같은 RCM 모듈도 개방형 프레임 시스템으로 사용할 수 있습니다.

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

각 시스템은 납땜 가능한 센서 PC 기판과 별도의 변류기로 구성됩니다(그림 6).

그림 6: RCM14-04_SYS 모듈은 센서 PC 기판과 변류기로 구성된 개방형 프레임 시스템입니다. (이미지 출처: Littelfuse, Western Automation)

결론

AC 감지 유형-A RCD는 건물 전기 시스템에서 일반적인 설비 표준이지만 EV 충전 회로의 DC 잔류 전류 위험으로부터 보호할 수는 없습니다. 위에서 살펴본 바와 같이 RCM14 계열은 ICCB 충전 케이블(모드 2)과 EV 충전소(모드 3)에 필요한 DC 잔류 전류 모니터링을 수행할 수 있습니다. 연결 핀이 단 4개 이므로 시스템 설계자는 EVSE에서 콤팩트한 RCM 모듈 또는 개방형 프레임 시스템을 쉽고 비용 효과적으로 구현할 수 있습니다.