浅谈电动汽车供电设备安全要求强制性国家标准

摘要：随着电动汽车行业的快速发展，供电设备的安全性成为了公众关注的焦点。为了确保电动汽车供电设备的安全、可靠运行，并保障使用人员和周围环境的安全，中国电力企业联合会和国网电力科学研究院有限公司等单位共同修订起草了《电动汽车供电设备安全要求》这一强制性国家标准。该标准的制定旨在统一电动汽车供电设备的安全规范，推动电动汽车及其配套设施健康、有序地发展。

一、背景

而电动汽车离不开充电桩，电动汽车行业的发展会推动充电桩行业的发展。充电桩作为新能源汽车基础设施的核心部分，近年来在政策和市场的双重推动下，市场规模实现快速增长。然而，尽管充电桩数量不断增加，但与新能源汽车保有量的增速相比，仍存在较大差距，车桩比尚未达到政策目标。据预测，未来充电桩市场仍有广阔的发展空间。因此，加强充电桩建设，提高充电桩覆盖率和充电效率，将是未来新能源汽车行业发展的重要方向之一，以满足日益增长的新能源汽车充电需求。

二、市场规模

充电桩是新能源汽车基础设施建设的重要组成部分，一个完整的充电桩主要包括充电系统、监控系统、计量计费系统等。在政策和市场双重驱动下，充电桩产业迎来加速发展，市场规模实现快速增长。中商产业研究院发布的《2023-2028年中国充电桩专题研究及发展前景预测评估报告》显示，按终端销售口径统计，2022年中国充电桩市场规模为372亿元，同比增长69.1%，2023年约为431亿元。中商产业研究院分析师预测，2024年市场规模将达517亿元，如图1所示。

图1 2019-2024年中国充电桩市场规模预测趋势图

三、车桩比

随着新能源汽车销量爆发，新能源汽车保有量的不断提升。截至2022年底，全国新能源汽车保有量达1310万辆，占汽车总量的4.10%。充电桩是新能源汽车的关键性配套设备，行业发展速度远跟不上市场需求。根据充电联盟数据，截至2022年，国内车桩比约为2.5:1，距离工业和信息化部此前提出的“2025年实现车桩比2:1，2030年实现车桩比1:1”的目标仍存在较大差距，如图2所示。充电桩需求缺口大，未来我国充电桩建设仍有广阔空间。

图2 2018-2030年中国车桩比趋势预测图

四、标准解读

1、标准介绍

《电动汽车供电设备安全要求》是一项强制性国家标准，主要针对电动汽车供电设备的安全性进行规范。该标准以GB/T 39752—2021为基础进行修订，旨在确保供电设备在使用过程中的安全性和可靠性。它适用于各种类型的电动汽车供电设备，包括但不限于充电模式2、充电模式3和充电模式4的设备。规定了符合性试验使用的仪器设备、试验条件、试验部位、试验方法和计算方法等，为设备的检测和认证提供了统一的标准。标准的适用范围广泛，包括额定输出电压为1000V AC或1500V DC及以下的各类型供电设备，具有很强的实用性和指导性，模式二模式三充电示意图如图3所示。

图3 模式二模式三充电示意图

2、新国标充电桩漏保要求

如图4所示，自今年4月1日开始正式实施GB/T 18487.1-2023以来，国标中对于漏电保护的要求和欧标趋于一致，在11.3.1中提出供电设备的剩余电流保护应具备保护交流剩余电流，脉动直流剩余电流，和6mA及以上平滑直流剩余电流的功能。

图4 新国标充电桩漏保要求

3、强制性国家标准充电桩漏保要求

强制性国家标准征集草案中对于剩余电流保护部分也有和GB/T 18487.1-2023中同样的要求。

图5 强制性国家标准充电桩漏保要求

草案提议中对交流供电设备的剩余电流保护均依据GB/T 18487.1-2023的要求A型漏保中对平滑直流6mA及以上的剩余电流进行监测。如图5所示，此次提案将原有的推荐性国家标准GB/T 39752-2021全部替换为强制性国家标准。

四、原理分析

1、漏电流的产生和分类

一般漏电流分为以下四种：半导体元件漏电流，电源漏电流，电容漏电流，滤波器漏电流。

（1）半导体元件漏电流

半导体元件（如PN结）在截止时，理论上不应有电流流过。但实际上，由于自由电子的存在，它们可能会附着在SIO2和N+等位置，导致D-S之间有微小的漏电流。例如在反向偏置的二极管中，一些电流流过耗尽区，该电流称为漏电流，极管反向偏置时电流载体的反应如图6所示。

图6 极管反向偏置时电流载体的反应

（2）电源漏电流

在开关电源中，为了减少电磁干扰（EMI），通常会设置EMI滤波器电路。这个电路会导致电源在接上市电后对地有一个微小的电流，这就是电源漏电流。如果不接地，设备的外壳可能会对地带有电压，不仅可能对人体造成不适，还可能影响设备的正常工作。

（3）电容漏电流

电容器的介质并非完全不导电，当电容加上直流电压时，会有漏电流产生。这种漏电流的大小与电容器的绝缘性能有关。除电解电容外，其他电容器的漏电流通常很小，用绝缘电阻参数表示其绝缘性能；而电解电容因漏电较大，直接用漏电流表示其绝缘性能。

（4）滤波器漏电流

在额定交流电压下，滤波器外壳到交流进线任意端的电流即为滤波器漏电如果滤波器的所有端口与外壳之间是完全绝缘的，那么漏电流的值主要取决于共模电容CY的漏电流，即CY的容量。由于滤波器漏电流的大小涉及人身安全，国际上各国都有严格的标准规定。例如，对于220V/50Hz交流电网供电的设备，一般要求噪声滤波器的漏电流小于1mA，电磁兼容滤波器中的漏电流如图7所示。

图7 电磁兼容滤波器中的漏电流

2、漏电流的危害

（1）漏电流对人体的危害

在有防止触电保护装置的情况下，人体允许通过的电流一般可按30mA考虑，10mA则是作为人体的安全电流，如图8所示。电流在体内的持续时间是电流强度的函数，在该图表中，交流电流的影响分为四个区域。

感知阈：通过人体能够引起任何接触电流的最小值；
反应阈：通过人体能够引起肌肉不自觉收缩的接触电流最小值；
摆脱阈：人可以主动摆脱电极的接触电流最大值；
心室颤动阈：通过人体引起心室纤维性颤动的接触电流最小值，注：曲线c1以上会发生烧伤/心博停止/呼吸停止。

图8 交流电流对人体影响的四个区域

（2）漏电流对设备电网的损害

①在带隔离变压器的系统中，如果直流分量超过一定值，就会造成隔离变压器饱和，导致系统过流保护，甚至损坏功率器件。

②在不带隔离变压器的系统中直流分量将直接对负载供电。对于非线性负载，直流分量会造成电流的严重不对称，损坏负载。

③直流分量不仅给电源系统本身和用电设备带来不良影响，还会对并网电流的谐波产生放大效应，从而产生电能质量问题。增加电网电缆的腐蚀;导致较高的瞬时电流峰值，可能烧毁熔断器，引起断电。国际上目前对直流分量上限规定基本一致，中国、美国、英国等的相关并网标准规定直流分量不允许超过每相电流额定值的0.5%或5mA。

3、漏电流的类型

漏电流类型分为TypeA、TypeAC、TypeB三类，如图9所示。

图9 漏电流的类型

　　①TypeAC指普通的正弦交流电，用普通互感器检测不适用于EV charging及绝大多数漏电检测要求。

②TypeA指在A型的基础上还有脉动直流，一般用零序互感器检测。现在国内EV charging正在使用，检测的保护阈值在10mA~30mA不等（IC-CPD中的互感器磁芯一般选择坡莫合金）。原理与AC型一样，与AC型的区别在于对磁材进行了改动。提高了对脉动直流的灵敏度。AC型互感器检测的是一个完整的正玄波，该正弦波所产生磁滞是一个完整的环，磁通量Δ较大。而跃动的直流电相较于前者只有半个周期，其对应的磁滞环甚至不到一半，产生的磁通量远小于Δ。A型和AC型都是基于磁通量的变化来检测电流，所以如果电流是平滑的，互感器将无法检测。

③TypeB的是在A型漏电的基础上还有平滑直流和断续直流，用磁通门传感器检测。它是利用被测磁场中高导磁率磁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场。

4、磁通门

（1）磁通门电流测量

被测磁场中高导磁率磁芯在交变磁场的饱和激励下，其磁感应强度与磁场强度的非线性关系来测量弱磁场的。这种物理现象对被测环境磁场来说好像是一道“门”，通过这道“门”，相应的磁通量即被调制，并产生感应电动势。利用这种现象来测量电流所产生的磁场，从而间接的达到测量电流的目的。

（2）传感器电流测量

整个过程可以概括为：当磁通门式电流传感器工作时，激励线圈中加载一固定频率、固定波形的交变电流进行激励，使磁芯往复磁化达到饱和。在不存在外在电流所产生的被测磁场时，则检测线圈输出的感应电动势只含有激励波形的奇次谐波，波形正负上下对称。当存在直流外在和激励交变磁场，直流被测磁场在前半周期内促使激励场使磁芯提前达到饱和，而在另外半个周期内使磁芯延迟饱和。因此，造成激励周期内正负半周不对称，从而使输出电压曲线中出现振幅差。该振幅差与被测电流所产生的磁场成正比，因此可以利用振幅差来检测磁环中所通过的电流，磁通门测量电流原理如图10所示。

图10 磁通门测量电流原理

（3）磁芯原理

一般磁性材料都有S形状曲线的特性，称之为磁滞回路（hysteresis loop），如图11所示。此磁滞回路曲线建立在B—H的坐标轴上，为磁性材料遭受完全磁化与非磁化周期，图示为典型磁滞曲线的铁心，如果曲线由a点开始，此点表示最大正磁化力，至b点磁化力为零，然后下降至c点为最大负磁化力，再至d点磁化力为零，最后返回最大正磁化力的a点，此即为整个磁性周期。优选高导磁率、低矫顽力磁芯。

图11 磁滞回路

5、平滑直流检测必要性

通过车载OBC充电时，会存在两相/三相整流滤波等交直流变换环节，当回路中有漏电情况时，大部分都是直流漏电，即脉动直流电流、平滑直流电流或含有平滑直流成分的复杂交流电流，车载OBC充电漏电流的产生如图12所示。

图12 车载OBC充电漏电流的产生

为了满足包括GB/T 40820和GB/T 41589在内的标准，电动汽车的充电需要一个剩余电流传感器，以避免车辆电池（DC）连接到家用电源（AC）的危险情况。传感器仅满足GB/T 40820和GB/T 41589标准的关断特性（监测剩余电流）。必须使用额外的驱动电路来驱动GB/T 40820和GB/T41589中定义的动作执行机构，电动汽车模式2/模式3漏电流检测如图13所示。

图13 电动汽车模式2/模式3漏电流检测

6、RCD的致盲性

保护人身安全一直是电气系统设计的首要任务，当保护回路含有直流剩余电流成份时，普通的AC型RCD（剩余电流保护装置）可能存在“致盲性”，RCD的致盲性如图14所示。直流分量将会降低AC型RCD内互感器的磁场强度和磁感应电势（磁芯将被该直流电流预磁化）并且可能导致对剩余电流不敏感，使RCD拒动作。为此，在给电动汽车充电时，需采用A型（防脉动直流）或B型（防平滑直流）RCD来进行保护。

注：国外要求A型RCD基础上还需单独增加一个RDC-DD(6mA平滑直流检测装置，目前新国标和强制性国家标准也更新了此要求！