电动汽车充电设施接触电流测试的研究

陈永强，张序星，罗燕平

(1.中国电器科学研究院有限公司，广东广州 510663；2.威凯检测技术有限公司，广东广州 510663)

0 引言

电动汽车充电设施需要提前布局，才能满足新能源汽车快速发展的需求。随着国家和各地政府落实最新的充电设施建设补贴政策，少数地方还陆续推出运营补贴方案，全国又掀起一波充电设施建设的浪潮。

为了保证新安装的充电设施是安全的，在役的充电设施是持续安全的，各级监管部门和技术管理机构都推出了各类安全监管标准，其中充电设施的接触电流成为必备的安全共性指标。电动汽车充电设施的接触电流是涉及人身安全的重要指标，但是鲜有人对电动汽车充电设施的接触电流测试展开研究。本文作者将围绕充电设施接触电流的限值、复合高频电流与复杂波形对接触电流测试的影响、充电设施接触电流测试仪器的选择和期间核查、充电设施接触电流测试中常出现的问题4个方面进行研究阐述。

1 充电设施接触电流限值

GB/T 18487.1-2015《电动汽车传导充电系统 第1部分：通用要求》依然遵循了GB/T 12113-2003《接触电流和保护导体电流的测量方法》(idt IEC60990:1999)对接触电流的定义：当人或动物接触到设备上的可触及部件时，流经人体或动物身体的电流。需要注意：持续时间小于1 s的电流或者频率低于15 Hz的交流电流是不属于接触电流的定义范围。

充电设施在正常使用、故障状态和维修状态下，危险(电能量源)是不一样的。有必要划分危险(电能量源)的等级，如表1所示。

表1 危险(电能量源)等级

电动汽车充电设施从专用设备正在成为家用电器，使用人群也随着由“熟练技术人员”、“受过培训的人员”正在往“一般人员”发展。同样的危险(电能量源)对不同对象有不同的结果。针对一般人员、受过培训的人员和熟练技术人员的安全防护是完全不同的，如表2—表3所示。

表2 不同对象的安全防护措施

表3 不同能量源等级的限值

流经人体并引起人体感知的最小电流值叫感知阈值，医学研究表明感知阈值的数量级是mA级。GB/T 18487.1-2015选取感知阈值的1/2即0.25 mA(有效值)作为II类设备任一交流相线和彼此相连的可触及金属部件之间，以及和覆盖在绝缘外部材料上的金属箔之间的限定值。

流经人体引起人体不自主肌肉收缩的最小电流值叫反应阈值，医学研究表明低频反应阈值在0.5 mA(有效值)左右。GB/T 18487.1-2015选取低频反应阈值0.5 mA(有效值)作为II类设备彼此相连的不可触及和可触及的部件和覆盖在绝缘外部材料上的金属箔之间(附加绝缘)的限定值。

摆脱阈值是指握住电极的人可以摆脱电极的最大电流值。欧美研究表明男女的摆脱电流阈值平均为16 mA(有效值)和10.5 mA(有效值)。日本研究表明男女摆脱阈值分别为9 mA(有效值)和6 mA(有效值)，而且小孩子的阈值更低。所以摆脱阈值3.5 mA(有效值)适用于全球所有的成年人群。GB/T 18487.1-2015选取3.5 mA(有效值)作为I类设备任一交流相线和彼此相连的可触及金属部件之间，以及和覆盖在绝缘外部材料上的金属箔之间和II类设备任一交流相线和通常为非活性的金属不可触及部件之间(双重绝缘)的限定值。

2 复合高频电流与复杂波形对接触电流测试的影响

电动汽车充电设施的家庭化、充电设施能源效率的提升都能促使电子开关技术在充电设施的广泛使用。但也导致了更复杂的接触电流波形，从而催生出复合高频电流与复杂波形对接触电流影响这一新问题。为了研究这个新问题，将分以下4步进行分阶段解析。

第一步：研究高频和低频接触电流，哪种情况下对人体伤害程度更大。

f=50 Hz时，IR≈0.937 mA

f=5 kHz时，IR≈0.133 mA

f=1 MHz时，IR≈0.000 74 mA

(1)

式中：Z为频率因素；I1为实际接触电流；I2为指示接触电流；f为频率。

通过式(1)可以发现：随着电流频率的上升，人体的各种反应阈值也随之变大，电流对人体伤害程度就降低了。试验表明：当频率增加到100 kHz，人体感知阈值上升到100 mA(见表3)，人体对高频电流有着更高的耐受力。而同样的电流值，低频状态下对人体危害程度更为严重。

第二步：对常见波形接触电流测试的研究。

人类对电流的生理效应都与含频率因数的峰值电流有关。基于IEC/TS 60479-2-2017《电流通过人类和家畜的影响.第2部分:特殊方面》的研究成果，IEC 60990-2016《接触电流和保护导体电流的测量方法》提供了两种接触电流测量电路：一种叫受惊-反应电路(Startle-reaction)，之前称为感知-反应电路；另外一种叫摆脱-制动电路(Letgo-immobilization)，之前称为“摆脱电路”。下面通过测量频率为50 Hz(周期为20 ms)的三角形波形、频率为50 Hz方波的接触电流响应，分析以下两种电路的差异。

(1)使用受惊-反应电路、摆脱-制动电路测量频率为50 Hz(周期为20 ms)的三角形波形的接触电流响应。表4为两种接触电流测量电路的响应对比。图1—图2分别为两种接触电流测量电路的脉冲响应图。

表4 三角形波形响应比较 mA

图1 受惊-反应电路脉冲响应图

图2 摆脱-制动电路脉冲响应图

(2)使用受惊-反应电路、摆脱-制动电路测量频率为50 Hz方波的接触电流1 ms的脉冲响应。表5为两种接触电流测量电路的响应对比。图3—图4分别为两种接触电流测量电路的脉冲响应图。

图3 受惊-反应电路脉冲响应图

图4 摆脱-制动电路脉冲响应图

由上图可知，摆脱-制动电路的滤波器允许更高的高频电流通过，从而得到较高的测量峰值。对于电流为20 ms方波，上升时间会直接影响接触电流的峰值，如图5所示，20 ms方波的摆脱-制动电路脉冲上升时间远大于受惊-反应电路。

第三步：将复杂波形分解为不同频率不同振幅的常见波形。

IEC/TS 60479-2-2017《电流通过人类和家畜的影响.第2部分:特殊方面》提供了一些测量复杂波形的方法，不论什么样的复杂波形都可以分解为不同频率不同振幅的常见波形。

图5 脉冲上升时间的比较图

第四步：对复合电流的接触电流测试研究。

人体感受到接触电流的效应与复合电流的峰值有关，同时必须结合频率来估计整体效应。使用IEC 60990-2016“摆脱-制动电路”来测量复合交流直流的接触电流(简称复合电流)。

现代示波器为了获得常见波形的有效值、峰值和峰-峰值，提供了测量便利，测量方法过程如下：

(1)选择复合电流波形的接触电流最大峰值绝对值得到I最大峰值。

(2)根据接触电流有效值计算等效峰值I等效峰值；

(3)接触电流的直流效应值I直流效应值=I最大峰值-I等效峰值。

IEC/TS 60479-2-2017《电流通过人类和家畜的影响.第2部分:特殊方面》的研究成果提供了另外一种计算法：将复合交流直流的接触电流实际效应值利用数学建模方程如公式 (2)：

I交流峰值+I直流=7 716(0.143 4×I直流)-0.106 1+I直流

(2)

通过两种案例分析测量法和计算法的优缺点，以及两种方法的差距。其中接触电流的限值判断为： IEC/TS 60479-2-2017中规定的摆脱-制动接触电流极限值，即不能超过5 mA有效值/7 mA峰值。

(1)案例1

图6为案例1中接触电流测试结果。表6为案例1中测量法和计算法的结果对比。

图6 案例1中接触电流测试结果

表6 案例1中测量法和计算法的结果对比mA

(2)案例2

图7为案例2中接触电流测试结果。表7为案例2中测量法和计算法的结果对比。

图7 案例2中接触电流测试结果

表7 案例2中测量法和计算法的结果对比mA

通过上述2个案子，说明用IEC 60990-2016“摆脱-制动电路”来测量复合交流直流的接触电流是可行的，测量法跟计算法的偏差也是可以接受的。

3 充电设施接触电流测试仪器的选择和期间核查

3.1 电动汽车充电设施接触电流测试仪器的特殊要求

常规的接触电流测试仪器要求：

(1)可以显示峰值和真有效值；

(2)输入阻抗不小于1 MΩ；

(3)测试交流信号时，输入电容不大于200 pF；

(4)频率响应范围≥1 MHz；

(5)浮动或差动输入在1 MHz时，仪器的共模抑制比要达到40 dB或更高；

(6)对于频率为50 Hz或60 Hz且电流大小在30 mA以下的接触电流测试时，仪表准确度至少应达到±3.5%；

(7)对于频率为50～5 000 Hz，且电流大小在30 mA以上的，仪表准确度至少达到±5%。

从第2节的分析可知：在复杂波形、复合高频电流状态下，电动汽车充电设施接触电流测试不能直接应用常规的接触电流测试仪器。详细原因如表8所示。

表8 两种接触电流测试仪器的特性差异

为了实现电动汽车充电设施接触电流测量仪器的上述特性，仪器制造商采用以下两点解决方案：

(1)采用RMS检测电路。该方案优点为：能正确处理各种电流波形，准确测量波形的电参数值；解决设备关于连续频率响应、测试探头的极性和自适应问题；在30 Hz～1 MHz范围内，误差小于0.25%；非线性误差小于0.02%；电流动态范围较宽；频率响应速度快；操作方便。

(2)采用可自动复位的过压保护电路。该方案优点为：测试过程中能自动调节，自动恢复。

3.2 辛普森228表的局限性

一旦涉及到接触电流测量，部分电气实验就会选用辛普森Simpson 228表(如图8所示)。

尽管辛普森228表所带的测量网络仍然是GB/T 12113-2003(idt IEC60990：1999)的感知反应使用网络和摆脱使用的网络，但是辛普森228表上的PEAK值只有在已知波形为正弦波时才是准确的，如果不是正弦波，还是要外接示波器等电压测量装置才能测量。

图8 辛普森228表

辛普森228表采用的接触电流单位是MIU，数值上单位MIU在低频10～100 Hz时与单位mA一致，到了高频阶段，流过仪器的单位mA值是远远大于单位MIU显示值的。例如在频率为100 kHz实际接触电流为100 mA，但是指示接触电流仅为1 MIU。没有考虑对高频电流的补偿。

因此直接采用辛普森Simpson 228表作为电动汽车充电设施接触电流测量设备会导致严重的错误。

3.3 充电设施接触电流测试仪器的期间核查方法

ISO/IEC 17025-2017《检测和校准实验室能力认可准则》作为最新的实验室管理要求，利用期间核查可以让实验室的管理者保持对充电设施接触电流测试仪器校准状态的可信度。所以实验室应该制定针对充电设施接触电流测试仪器的期间核查方案，即需要明确可操作性的方法与核查周期，并在保存期间核查记录。不需要对测试设备的所有功能都进行期间核查，针对充电设施接触电流测试仪器，推荐期间核查周期是每两个月进行一次，按照IEC 60990-2016附录K进行期间核查方法选择，对于充电设施接触电流特有的连续频率响应，推荐采用如下方法：

(1)将接触电流测试设备设定在受惊-反应电路，之前称为感知-反应电路测试状态下，接触电流测试仪输入端与地隔离；

(2)推荐使用安捷伦(Agilent)33220A型函数/任意波形发生器(见图9)作为信号输入源，33220A输出从DC～1 MHz的正弦信号；

图9 安捷伦(Agilent)33220A型函数/任意波形发生器

(3)将接触电流测试仪的输入端探头与33220A信号输出端有效连接，防止信号衰减；

(4)33220A输出不同频率(频率的步进自定)的1 V电压信号(r.m.s)，读取接触电流测试设备的电压测试值y1，与IEC 60990-2016附录K所列电压值y2(r.m.s)比较。

(5)若DC～1 MHz不同频率(频率的步进自定)的频率因素Z=|y1-y2|≤1.414×U，则满足连续频率响应的期间核查要求。

当期间核查发现问题，接触电流测试仪器应该立即停止使用并进行校准或维修，同时对已经测试的数据进行溯源分析，判定是否召回。

4 充电设施接触电流测试中常出现的问题

(1)保护导体与接地中性导体之间的电位差大于1%的线电压时，应该如何处理。

图10为直接供电的接地中线。目前直流充电设施最常用的是三相供电系统，三相供电理想状态是三相电的中性点不带电，但是由于传输损耗和负载不对称，导致三相电的中性点会带有一定的电位，如果把三相电的中性点和接地端连接，将可以达到相对的三相平衡，这就叫“零地合一”。

为了消除三相供电电源对接触电流测试结果的影响，要求被测充电桩，其接地中性导体与保护导体的电位差必须不大于线电压的1%。如果不满足上述要求，可以采取以下处理方法：

处理方法1：如果电位差超过了1%，将接触电流测试仪的B端电极连接到充电桩的中性端子上而不是电源的保护接地导体上；处理方法2：将充电桩的接地端子连接到电源的中线上而不是保护接地导体上(需要注意零地合一的问题)。

(2)接触电流测试中要采用隔离变压器，隔离变压器该如何接地。

以测量I类充电桩电源任一极与易触及金属表面之间(基本绝缘)的接触电流为例，如果没有隔离变压器，N级带有一定电位，从而在零线上产生一定的漏电流，所以建议采用隔离变压器。图11为带有隔离变压器的接地中线。

图11 带有隔离变压器的接地中线

隔离变压器的工作原理：能有效屏蔽非测量的接触电流。如果在零地合一的状态下，不将地线断开，测试电压实际就是供电端的电压，就会出现虚假的接触电流不合格。GB/T 12113-2003(idt IEC60990:1999)的图示也表明：隔离变压器的次级和充电桩同时浮地，作为充电桩接地的一种替代。隔离变压器的初级和次级决不可同时接地、测试样品的保护接地和隔离变压器的次级接地决不可接在一起，以免影响测试结果。

5 总结

充电设施接触电流测量看似简单，但是仔细分析还是有很多需要关注的地方。充电设施制造商、检验检测机构迫切呼吁各级技术监管部门提供有效的能力验证计划，2018年国家认监委“CNCA-18-B09交流充电桩的接触电流试验” 能力验证项目正是针对社会重点关注的领域，在电动汽车充电设施快速发展的阶段实施的能力验证计划。

参加充电设施接触电流能力验证是提升检验检测机构在充电设施检测领域技术水平的有效方法，不仅可以为充电设施的持续安全提供可信的技术保证，还可以为充电设施行业的健康快速发展保驾护航。