Sähköautoiluun liittyvä infrastruktuuri kehittyy nopeasti, ja AC-latausasemien markkinat kasvavat vauhdilla. Samalla nousee esiin uusia haasteita, erityisesti kaksisuuntaisen latauksen sekä ajoneuvon ja sen ympäristön välisen langattoman V2X-tiedonsiirronsovellusten osalta. Tämä kehitys tekee jäännösvirran ilmaisusta keskeisen osan AC-lataussovelluksia.

Tässä artikkelissa tarkastellaan markkinatilannetta, vallitsevia trendejä ja jäännösvirran ilmaisun (RCM, Residual Current Monitoring) merkitystä sekä latausasemien että sähköautojen kannalta, jotta voidaan kehittää kilpailukykyisiä ja säännösten sekä turvamääräysten mukaisia järjestelmiä.

AC-latausasemien ja -kaapelien markkinat ovat maailmanlaajuisesti kasvaneet merkittävästi sähköautojen suosion vetämänä. Näiden markkinat ovat nopeasti kypsymässä ja niille on tunnusomaista se, että huolellisesti laaditut määrittelyt ja tiukat standardit takaavat sähköautojen turvallisen ja tehokkaan AC-lataamisen.

Uusia haasteita on kuitenkin edessä itse sähköautoihin liittyen. Ensinnä autossa ilman muuntajaa oleva laturi (OBC, On-Board Charger) on seuraava iso AC-latauksen trendi, sillä auton valmistajilla on tarve vähentää auton painoa ja pienentää kokoa samalla kun pyritään parantamaan kaikkien sähköautossa olevien järjestelmien suorituskykyä ja pitämään kulut kurissa suurien tuotantomäärien avulla. Suorituskykyvaatimusten sekä suurten jännitteiden ja virtojen aiheuttamien turvallisuushaasteiden vuoksi RCM:stä on tullut yhä tärkeämpi osa systeemiä.

Toisena haasteena on kompleksisuuden lisääntyminen V2X-tekniikan tulemisen myötä. V2X mahdollistaa sähköauton akkuihin varastoidun energian syöttämisen toisiin ajoneuvoihin, taloihin, laitteisiin ja jopa sähköverkkoon sen lisäksi, että se toimii ajoneuvon omana teholähteenä. Tämä paradigman siirros vaikuttaa olennaisesti niin EV-latausinfrastruktuurin kuin OBC-laturipiirien ja -järjestelmien suunnitteluun ja toimintaan. Kaksisuuntaiset OBC-järjestelmät ovat olennainen osa V2X-toiminnallisuuden toteuttamisessa ja nämä järjestelmät tarvitsevat edistyneitä turvaratkaisuja suojaamaan sähköauton käyttäjiä sähköiskuilta. Kaksisuuntaiset OBC:t edellyttävät äärimmäistä luotettavuutta ja tarkkoja RCM-ratkaisuja, jotka pystyvät käsittelemään sekä AC- että DC-virtoja ja täyttämään uusimpien säännöksien kuten ISO5474:n vaatimukset.

Toimialan ongelma

Suurin huolenaihe sähköautojen latauksen yhteydessä on käyttäjien suojaaminen sähköiskuilta. Perinteinen AC-latauksen infrastruktuuri täyttää tiukat standardit ja noudattaa selkeitä määräyksiä. Sähköautojen latauksessa siirtyminen muuntajattomiin ja kaksisuuntaisiin OBC-järjestelmiin kuitenkin synnyttää pulmatilanteita, joiden ratkaisuna on ollut tarve tiukentaa standardeja jäännösvirtojen ilmaisua varten. Erityisesti RCM-anturien tulee olla immuuneja ympäristön magneetti- ja sähkökentille, hallita ylikuormitusta tehokkaasti ja välttää virheellisiä laukaisuja (false tripping) häiriten latausprosessin kulkua mahdollisimman vähän.

RCM-antureiden tehtävänä on suojata käyttäjää sähköiskuilta havaitsemalla vuotovirtoja ja laukaisemalla suojamekanismeja. Sähköautojen lataussovelluksissa vaatimukset ovat erityisen tiukat. Vaatimukset koskevat sekä AC- että DC-vuotovirtojen tarkkaa tunnistamista ja tiukkaa minimointia väärille hälytyksille, jotka voisivat keskeyttää latausprosessin.

Kaksisuuntaisten OBC-järjestelmien (kuva 1, ylempänä) yleistyminen on tuonut mukanaan lisää monimutkaisuutta. Järjestelmien tulee täyttää uudet ISO5474-normit, joissa määritetään toiminnallisia turvamääräyksiä AC-tehon siirrolle sähköautoissa. Kaksisuuntaisissa OBC-järjestelmissä käytettävien RCM-anturien tulee täyttää edellä mainitut normit, jotka määrittävät AC- ja DC-vuotovirtojen tunnistamisen sellaisella tarkkuudella, että turvallisuus voidaan taata V2X-operaatioiden aikana.

IEC 62752, UL2231, IEC62955 ja uusi ISO5474 edellyttävät AC-vuotovirran ja tasaisen DC-vuotovirran tunnistamista. Kuten kuvasta 2 ilmenee mitään RCM-ratkaisua ei voida käyttää AC-tyypin vuotovirran ilmaisun komponenttina, myöskään A- ja F-tyypin komponentit eivät takaa riittävää turvatasoa, vaan ainoastaan B-tyypin komponentit pystyvät mittamaan ja tunnistamaan AC- ja tasaisen DC-vuotovirran.

Uusimmat jäännösvirran valvontaratkaisut

Fluxgate-tekniikalla voidaan tehokkaasti havaita sekä AC- että DC-vuotovirtoja, joten se soveltuu hyvin jäännösvirran monitorointiin sähköautojen lataussovelluksissa. LEM:n CDSR- ja CDT-sarjan RCM-antureissa hyödynnetään valmistajan kehittämää Fluxgate-tekniikkaa, jolla on mahdollista saavuttaa erinomainen tarkkuus ja kaistanleveys.

On myös tärkeää varmistaa RCM-anturien toimivan virheettömästi ja tätä varten CDSR- ja CDT-sarjan antureissa on sisäänrakennettuna itsetestaus ja -diagnostiikka (lämpötila, ylivirtailmaisu, yli- ja alijännitesuojaus jne.). LEM:n sitoutuminen laatuun ja innovointiin sekä kansainvälisiin standardeihin mahdollistaa yrityksen pysymisen teollisuuden kärjessä ja tekee sen ratkaisuista kilpailukykyisiä sähköautojen lataus- ja muita sovelluksia tekeville autotekniikan suunnittelijoille.

AC-latausasema ja latauskaapelit

AC-latausasemien suunnitteluihin parhaiten soveltuvat virta-anturit ovat kansainvälisten suojalaitteiden laukaisua määrittelevien standardien (IEC 62752/62955/UL 2231) mukaisia ja omaavat laajan lähtötehotasoalueen sekä tukevat yksi- ja kolmivaiheisia arkkitehtuureja, jotta suunnittelujen uudelleen käyttö on mahdollista 3,3 – 22 kW:n AC-latausjärjestelmissä.

LEM:n kehittämä Fluxgate-tekniikka on hyvin tarkka saatavissa oleva kosketukseton mittaustekniikka, jonka ansiosta CDSR-antureilla saavutetaan suuri tarkkuus sekä AC- että DC-vuotovirtojen valvonnassa mahdollistaen niinkin alhaisten kuin 5 mA:n vuotovirtojen ilmaisun. Antureita on tarjolla yksi- ja kolmevaiheversioina, joten ne soveltuvat erilaisiin latausjärjestelmiin. Kompakti rakenne, helppokäyttöisyys ja pystymuoto virtaviivaistavat järjestelmäsuunnittelijan työtä suunnitteluprosessissa, mikä edesauttaa anturien suosiota OEM- ja ykkösvalmistajien parissa, jotka hakevat lisää turvallisuutta ja suorituskykyä AC-latausasemaratkaisuihinsa.

Äskettäin julkistettu CDT-anturi perustuu myös LEM:n patentoituun Fluxgate-tekniikkaan ja on suunnattu latauskaapeleiden vuotovirtojen ilmaisun ratkaisuihin tarjoten uskomattoman +/-0,5 mA @ 5 mA:n tarkkuuden ja parhaimman luokan soveltuvuuden autoteollisuuden tarpeisiin. CDT:n dynaaminen virhelaukaisujen esto ja edistyneet diagnostiikkatoiminnot yhdistettynä standardien mukaisuuteen helpottavat järjestelmäsuunnittelijoiden työtä.

CDT-antureita on saatavissa yksi- ja kolmivaiheversioina, joten ne soveltuvat monenlaisiin latauskaapelien kokoonpanoihin. Edistyneet diagnostiikkatoiminnot ja dynaaminen virhelaukaisujen esto ovat ominaisuuksia, jotka toimivat järjestelmäsuunnittelijoille arvokkaina työkaluina optimoida latausratkaisujen suorituskykyä ja turvallisuutta.

Kohti muuntajattomia ja kaksisuuntaisia OBC-järjestelmiä

Siirtyminen kaksisuuntaisiin OBC-järjestelmiin mahdollistaa sähköauton akkujen käytön erilaisten sovellusten (V2X) teholähteenä, jolloin korostuu tarve käyttää autoteollisuustason tyypin B RCM-antureita, jotka ovat ISO 26262 ASIL B -yhteensopivia ja uuden ISO5474-normin mukaisia. LEM:n CDT-SF-anturi täyttää kaikki nämä mainitut vaatimukset ja tarjoaa käyttöön kaksi itsenäistä mittauskanavaa, itsediagnostiikkaominaisuuksia, edellä kuvatun mukaisia tarkkuustasoja ja yksityiskohtaisen virheraportoinnin SPI:n kautta. Sen kaksi itsenäistä mittauskanavaa lisäävät varmuutta ja luotettavuutta, kun taas sen itsediagnostiikka ja yksityiskohtainen virheraportointi ovat varmistamassa optimaalista suorituskykyä ja turvallisuutta. Anturilla voidaan myös hyödyntää ulkoista testausjohdotusta turvallisuus- ja muiden tarvittavien testien suorittamista varten.

Dynaaminen laukeaminen on ominaisuus, jonka avulla järjestelmän suunnittelija voi asettaa laukeamiskynnyksen erityisten alueellisten ja normien mukaisten vaatimusten perusteella. Tällainen joustavuus takaa sen, että anturi soveltuu eri markkina-alueille ja erilaisiin sovelluksiin ja että sitä voidaan myös käyttää järjestelmän sovittamisessa ja suorituskyvyn parantamisessa, kun halutaan kytkeytyä autosta kuormaan (V2L) -latauksesta autosta verkkoon (V2G) -lataukseen.

Johtopäätöksiä

Sähköauton AC-latauksen nopeasti yleistyessä LEM jatkaa innovatiivisten RCM-ratkaisujen kehittämistä. Tekemällä jatkuvaa työtä kaksisuuntaisten ja V2X-sovellusten kehittämiseksi sekä uusimpien normien mukaisuuden takaamiseksi, LEM pystyy tarjoamaan järjestelmien suunnittelijoiden käyttöön luotettavia ja laadukkaita antureita, joiden avulla on mahdollista yksinkertaistaa suunnitteluprosesseja ja parantaa turvaominaisuuksia. Markkinoiden kasvaessa LEM:llä on käänteentekevä rooli tuotekehittäjänä ja tavoitetasojen asettajana sähkömittaustekniikassa.

Sähköautojen yleistymisen ja AC-lataussovellusten monimutkaistumisen myötä edistyneiden jäännösvirran monitorointijärjestelmien tarve on suurempi kuin koskaan. LEM:n CDSR- ja CDT-anturit ovat järjestelmäsuunnittelijoille työkaluja, joilla he pystyvät takaamaan lataussovellusten turvallisuuden ja suorituskyvyn, siinä missä CDT-SF-antureilla voidaan tuoda esiin kaksisuuntaisissa OBC-järjestelmissä ja V2X-sovelluksissa toteutettavia ainutlaatuisia mahdollisuuksia. Markkinoiden jatkuvasti kehittyessä LEM on sitoutunut tasokkaaseen innovaatiotoimintaan, mikä takaa yhtiön pysymisen sähkömittaustekniikan etujoukoissa tuottamassa luotettavia ja tarkkoja ratkaisuja sähköautojen lataukseen myös tulevaisuudessa.