Como usar monitores de corrente residual para garantir a segurança elétrica ao carregar veículos elétricos

O carregamento frequente da bateria de alta tensão dos veículos elétricos (EVs) se traduz em requisitos de alto estresse mecânico para cabos e conectores de carregamento. Se o isolamento se romper e as partes metálicas energizadas forem expostas, ou se surgirem shunts nos componentes eletrônicos da placa, podem ocorrer correntes residuais com risco de morte no corpo do usuário do EV. Particularmente problemáticas são as várias formas de corrente residual CC que não podem ser detectadas pelos dispositivos de corrente residual (RCDs) Tipo A sensíveis à CA.

Para evitar acidentes com choque elétrico, os fabricantes de equipamentos de abastecimento de EV (EVSE) devem incorporar RCDs em seus produtos eletrônicos de potência que disparam em poucos milissegundos para correntes residuais CA e CC de alguns miliamperes (mA).

Este artigo explica as formas de correntes residuais, como medi-las e onde instalar o RCD no circuito de carga. Em seguida, ele apresenta os monitores de corrente residual (RCMs) da Littelfuse que os projetistas de sistemas podem usar para adicionar proteção contra choque elétrico de CC em seus dispositivos EVSE de maneira econômica e rápida. O artigo também demonstra para quais modos de carregamento de EVs esses sensores de corrente são adequados e como eles são usados.

Correntes residuais no circuito de carregamento de EV

O carregamento de EVs em tensões de até 400 volts CA e 1000 volts CC exige medidas de proteção abrangentes para o usuário do EV ao manusear o equipamento de carregamento. Devido aos pulsos de comutação assimétricos e ricos em harmônicos das estações de recarga e dos carregadores na placa, bem como às várias centenas de volts de tensão do filtro CC, podem ocorrer vários tipos de correntes residuais CA e CC por meio de shunts, efeitos de acoplamento, falhas de isolamento e falhas de fuga.

Os circuitos eletrônicos de potência, como retificadores, conversores de comutação, inversores de frequência e sistemas de controle de inversor e ângulo de fase, têm uma grande variedade de características de corrente de carga. As correntes residuais potenciais resultantes são categorizadas como CA senoidal, CC pulsada e CC contínua. Essas formas de corrente residual são perigosas para os seres humanos. A Tabela 1 mostra sinais típicos de corrente de carga de várias topologias de circuito e as formas de onda de corrente residual resultantes. As colunas 1 a 3 atribuem os tipos de RCD adequados para detecção.

Tabela 1: Formas de corrente de falha e sua detecção de acordo com o tipo de RCD mais adequado (colunas 1 a 3). (Fonte da imagem: Wikipedia)

Um bom conhecimento das formas de onda de corrente residual pode ajudar as oficinas de reparo de veículos elétricos e os eletricistas a rastrear correntes residuais nos componentes eletrônicos da placa do veículo elétrico, no EVSE ou nas estações de recarga.

Característica de disparo dos tipos de RCD

Em geral, a proteção pessoal contra choques elétricos em instalações elétricas é regulamentada pela IEC 60479 e pela UL 943. Ambas as normas definem correntes residuais CA e CC significativas na faixa de 6, 30, 100, 300, 500 e 1000 mA, em tempos de disparo que variam de 20 a 500 ms. Os limites comuns de disparo no circuito de carregamento de EV são 6 mA CC e 30 mA CA.

Os projetistas de sistemas agora podem implementar facilmente requisitos específicos de proteção pessoal no circuito de carga, selecionando um tipo de RCD do padrão apropriado. A Tabela 2 lista as formas de corrente residual e a tolerância de disparo dos diferentes tipos de RCD ou interruptor de circuito por falha de aterramento (GFCI).

Tabela 2: Características de disparo de diferentes tipos de GFCI ou RCD. (Fonte da tabela: abb.com)

Instalação de RCDs no circuito de carregamento de EV

Os RCDs tipo A ou tipo F detectam apenas corrente residual CA e corrente pulsante CC, o que é insuficiente para proteger um circuito de carregamento de EV. Uma ampla gama de correntes residuais CC diretas que podem ocorrer no carregador da placa ou no sistema de gerenciamento da bateria também deve ser considerada.

A norma IEC 62196, portanto, define duas opções de proteção contra corrente residual: o uso de um RCD sensível a toda a corrente do Tipo B (ou Tipo B+) ou um RCD do Tipo A em conjunto com um sistema de monitoramento de CC residual de acordo com a norma IEC 62955 com I_Δn CC ≥ 6 mA. O monitoramento da corrente de falha CC pode ser organizado na caixa de parede, na instalação elétrica do edifício ou em ambos os locais.

Como um RCD tipo A ou tipo F sensível à CA geralmente está presente nos sistemas elétricos prediais, os projetistas podem adicionar, de forma econômica, o monitoramento de CC residual de 6 mA às caixas de parede ou estações de recarga do Modo 3, bem como às caixas de controle no cabo (ICCB) dos cabos de carregamento do Modo 2 (Figura 1, casos 2 e 3).

Figura 1: Os dispositivos EVSE devem adicionar um RCM CC a jusante do RCD tipo A sensível à CA (caso 2) ou ter um conectado à rede elétrica CA diretamente por meio de um RCD tipo B (caso 4). (Fonte da imagem: goingelectric.de)

Modos de carregamento para EVs

A bateria do EV pode ser carregada por meio de diferentes modos de carregamento, dependendo da conexão de energia disponível no local, do plugue de conexão, do cabo de carregamento e da tecnologia de carregamento instalada no veículo, bem como na estação de recarga. Na Europa, a energia elétrica pode ser fornecida ao veículo por meio de CA monofásica (230 volts/3,6 quilowatts (kW)), CA trifásica (400 volts/22 kW) ou por meio de estações de recarga de CC de alta tensão (até 1000 volts CC/500 kW). A Figura 2 ilustra os quatro modos de carregamento definidos na norma IEC 61851.

Figura 2: Ilustração dos quatro modos de carregamento definidos na norma IEC 61851. (Fonte da imagem: bestchargers.eu)

Modo 1 (carregamento de CA monofásica de até 3,6 kW; modo padrão de carregamento)

Nesse caso, o veículo elétrico ou híbrido é conectado a uma tomada doméstica padrão de 230 volts, usando um cabo passivo simples e será carregado usando baixa potência em um máximo de 3,6 kW por meio do carregador na placa. Esse cenário de carregamento não oferece proteção suficiente contra CC residual para o usuário. Normalmente, apenas um RCD Tipo A sensível à CA é instalado no sistema elétrico do edifício.

Modo 2 (carregamento CA monofásico/trifásico de até 22 kW por meio de um cabo de carregamento ICCB)

Um cabo de carregamento Modo 2 equipado com um plugue de veículo Tipo 2 contém um ICCB que executa funções de segurança e comunicação ao carregar EVs usando soquetes domésticos e trifásicos para evitar sobrecarregá-los.

As seguintes funções de proteção devem ser integradas ao ICCB:

• Determinação da polaridade e monitoramento do condutor de proteção (PC); apenas alguns ohms de impedância de malha são permitidos entre o neutro e o PC.
• Teste da conexão elétrica entre o PC e o corpo metálico.
• Um disjuntor de corrente residual CA e CC evita acidentes com corrente.
• Monitoramento/desligamento do processo de carregamento em caso de anomalias (por exemplo, flutuações de corrente devido a contatos de plugue corroídos ou quebra de cabo).
• Monitoramento da temperatura dentro do ICCB e de ambos os plugues e desligamento, se necessário.
• Controle da potência de carregamento: Resistores de pull-down no fio piloto de controle (CP) para sinalizar o dimensionamento da carga de corrente do cabo para a caixa de parede e o EV; o sinal de modulação por largura de pulso (PWM) no fio de controle de carregamento (CC) sinaliza a capacidade de potência de carregamento da caixa de parede para o EV.

Modo 3 (carregamento CA monofásico/trifásico de até 22 kW via caixa de parede)

Para o carregamento de EVs, um cabo passivo do Modo 3 é conectado a uma caixa de parede em residências particulares ou a uma estação pública de recarga CA em estacionamentos. Ambos integraram as mesmas funções de proteção que o ICCB acima.

Modo 4 (carregamento rápido direto da bateria CC até 500 kW)

As estações de carregadores de alta potência CC (CC/HPC) para EVs fornecem correntes de carga significativamente mais altas em comparação com o Modo 2 e o Modo 3. A proteção contra choques de CA e CC residuais está implementada nesse supercarregador; os diferentes cabos de carregamento estão sempre firmemente conectados.

Medidas das correntes de falha CA e CC no circuito do EVSE

Os RCMs, da série RCM14 da Littelfuse Inc., detectam correntes residuais de CC e/ou CA em sistemas de CA ou CC e fornecem um sinal de saída para controlar uma desconexão externa (relé de corte). Por outro lado, os RCDs e os disjuntores de corrente residual (RCCBs) têm um relé de corte integrado.

As correntes residuais de CA são detectadas usando um transformador de corrente indutivo (CT). Para esse fim, o condutor por onde vai a corrente (I_L) e o condutor de retorno da corrente (I_N) são alimentados por um núcleo toroidal magnético macio, fazendo com que os dois vetores de corrente normalmente se compensem e se cancelem. Se uma corrente de falha (I_g) fluir para o potencial de aterramento por meio do corpo humano no circuito atrás do detector, a corrente total do RCM ou do GFCI será diferente de zero e o disjuntor será acionado (Figura 3).

Figura 3: Se uma corrente de falha (I_g) fluir para o potencial de aterramento por meio do corpo humano, a corrente total do GFCI será diferente de zero e o disjuntor será acionado. (Fonte da imagem: Littelfuse)

Ao integrar uma sonda de magnetômetro fluxgate em uma ranhura do núcleo toroidal e compensar o fluxo magnético para zero por meio de uma bobina de compensação, o TC também pode detectar CC diferencial. Mais preciso do que os sensores de efeito Hall ou os resistores tipo shunt, esse método detecta pequenas correntes de falha CC a partir de 6 mA em correntes de carga CC pesadas de até 500 amperes (A).

RCMs com saída de controle para desconexão

A série RCM14 da Littelfuse é ideal para uso em cabos de carregamento ICCB para EVs (Modo 2) e estações de recarga de EVs (Modo 3). Estão disponíveis em três opções de detecção da corrente residual, de acordo com a norma IEC 62752 (Modo 2), IEC 62955 (Modo 3) e UL 2231.

Cada RCM tem um LED de operação e um LED de falha. O conector JST de quatro pinos simplifica a instalação: os pinos 1 e 2 são para a fonte de alimentação de 12 volts, o pino 3 é para teste de função externa e o pino 4 é uma saída de comutação de dreno aberto para acionar uma desconexão externa, como um relé de corte, com até 100 mA e 24 volts (máximo) (Figura 4).

Figura 4: Os módulos da série RCM14 têm dois LEDs de status e são fáceis de conectar por meio do conector JST de quatro pinos. (Fonte da imagem: Littelfuse)

Esses RCMs ativos também podem ser usados para detectar correntes residuais de CA e/ou CC em instalações monofásicas ou multifásicas de CC. A operação monofásica limita a corrente de carga a 100 A, enquanto a operação trifásica é de 40 A. Eles podem lidar com pulsos de corrente de carga de até 3000 A.

RCM14-01: Módulo RCM de 6 mA CC de acordo com a norma IEC 62955, abertura de 14 milímetros (mm)

O monitor de corrente residual RCM14-01 detecta correntes de falha de CC em sistemas de CA de 50 Hz/60 Hz. Ele foi desenvolvido para uso em estações de recarga do Modo 3 para EVs (norma IEC 62955) para interromper o circuito de carregamento do EV no caso de uma corrente de falha CC ≥ 6 mA. Esse detector adiciona a função de monitoramento de corrente residual CC aos RCDs Tipo A e Tipo F existentes do sistema elétrico do edifício de maneira simples e econômica (Figura 5).

Figura 5: O RCM14-01 adiciona o monitoramento de correntes residuais CC ≥ 6 mA aos RCDs Tipo A sensíveis à CA em sistemas elétricos prediais. (Fonte da imagem: Littelfuse, Western Automation)

RCM14-03: Módulo RCM de 6 mA CC/30 mA CA de acordo com a norma IEC 62752, abertura de 14 mm

O RCM14-03 foi projetado para uso em ICCB ou dispositivos de proteção integrados para EVs no modo de carregamento 2 para interromper a alimentação do EV no caso de uma falha de CA ou CC.

RCM14-04: Módulo RCM de 56 mA CC/20 mA CA de acordo com UL 2231-2, abertura de 14 mm

O módulo RCM14-04 detecta correntes de falha de CA e CC em instalações de CA de 60 hertz (Hz). Ele foi projetado para uso em aplicações de estações de recarga de veículos elétricos com Dispositivo de Interrupção do Circuito de Carregamento (CCID), onde interrompe a alimentação para o veículo elétrico no caso de uma condição de corrente residual CA e/ou CC.

RCM20-01: O RCM20-01 é um monitor de corrente residual destinado à detecção de correntes residuais de CC em instalações de CA de 50 Hz/60 Hz. Destina-se a Estação de Recarga de Veículos Elétricos Modo 3, para desconectar a alimentação do Veículo Elétrico sob condição de corrente de falha residual CC. O produto está em total conformidade com a norma IEC 62955.

RCM20-03: O RCM20-03 é um monitor de corrente residual destinado à detecção de correntes residuais de CC e CA em instalações de CA de 50 Hz/60 Hz. Destina-se a Estação de Recarga de Veículos Elétricos Modo 2, para desconectar a alimentação do Veículo Elétrico em condições de corrente de falha CC e CA. O produto está em total conformidade com a norma IEC 62752 e também pode ser usado em aplicações IEC 62955 em que é necessária a detecção de falhas de CA de 30 mA.

Para integração em um circuito de dispositivo maior, os seguintes módulos RCM apresentados também estão disponíveis como sistemas de estrutura aberta:

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

Cada sistema consiste em uma placa de circuito impresso com sensor soldável e um transformador de corrente separado (Figura 6).

Figura 6: Os módulos RCM14-04_SYS são sistemas de estrutura aberta que consistem em uma placa de circuito impresso de sensor e um transformador de corrente. (Fonte da imagem: Littelfuse, Western Automation)

Conclusão

Os RCDs tipo A sensíveis à CA são padrões comuns de instalação em sistemas elétricos prediais, mas não podem proteger contra perigos de corrente residual CC em circuitos de carregamento de EVs. Conforme mostrado, a série RCM14 pode realizar o monitoramento de corrente residual CC necessário em cabos de carregamento ICCB (Modo 2) e estações de recarga de EV (Modo 3). Com apenas quatro pinos de conexão, os projetistas de sistemas podem implementar de forma fácil e econômica o módulo RCM compacto ou o sistema de estrutura aberta em seu EVSE.