Sähköisten ylikuormitusten estäminen on erittäin tärkeää suuritehoisessa sähköautojen lataamisessa. 7 kW 32 A EV-latauslaite käyttää moninkertaisia, standardien mukaisia suojamekanismeja toiminnan aikana mahdollisten katastrofaalisten vikojen estämiseksi.
Virtakytkimet ja sulakkeet toimivat ensisijaisena suojana liiallisen virran varalta sähköjärjestelmissä. Ne katkaisevat virran lähes välittömästi, kun tiettyjä rajoja ylitetään. Lämpömagneettiset kytkimet toimivat kahdella tavalla. Magneettiosa puuttuu nopeasti tilanteisiin, joissa virta nousee vähintään kolminkertaiseksi oikosulun sattuessa. Lämpöpuoli puolestaan toimii hitaammin, mutta selviää jatkuvasta liiallisesta virrasta. Kun käsitellään esimerkiksi 32 ampeerin laturia, useimmat asiantuntijat suosittelevat 40 ampeerin piirejä. Tämä noudattaa IEC 60364-5-52 -standardin ohjeita, joiden mukaan tulisi jättää varaa normaaleille vaihteluille. Jos näitä suojia ei ole olemassa, johtimet voivat lämmetä nopeasti. Eriste alkaa hajota muutamassa minuutissa liiallisen virran vaikutuksesta, mikä johtaa vakaviin ongelmiin myöhemmin.
IEC 61851 -standardien noudattaminen tarkoittaa, että turvatoiminnot toimivat oikein kaikilla osa-alueilla. Standardi määrittelee tietyt katkaisupisteet noin 110–125 prosenttiin normaalista virrankulutuksesta. Otetaan esimerkiksi 32 ampeerin latauslaite. Virtakytkimet täytyy laueta ennen kuin saavutetaan 41 ampeeria jatkuvassa tehonottotilanteessa, ja tämä on tapahduttava tiettyjen aikarajojen sisällä. Tämä suojaus koskee sekä itse latauslaitetta että herkkiä sähköautojen akkujärjestelmien hallintajärjestelmiä, jotka voivat helposti vaurioitua. Useimmat valmistajat käyttävät nykyään niin sanottua kaksivaiheista virranseurantaa. Tämä auttaa erottamaan lyhyet tehonpiikit, kuten auton käynnistyksen yhteydessä tapahtuvan tiedonsiirron, todellisista ongelmista, joissa liiallinen sähkövirta kulkee järjestelmän läpi pidemmän ajan.
| Suojaparametri | IEC 61851 -vaatimus | Tarkoitus |
|---|---|---|
| Ylikuormituksen reaktio | 125 % nimellisvirrasta | Estää johtimen heikkeneminen |
| Oikosulkusuojauksen laukeaminen | 5 ms ≥300 %:n virralla | Eliminoi kaarikärjen riskit |
| Jatkuva toleranssi | +5 %:n virran stabiilisuus | Varmista turvallinen 7 kW:n jatkuva teho |
Mode 3 -lataus edellyttää jatkuvaa 32 A:n virtaa sähköauton latauslaitteiston läpi pitkien aikojen varrella, mikä ylittää huomattavasti useimpien kotitalouksien sähköjärjestelmien suunnitellun kuorman. Tässä tilanteessa tarkka virtamittaus ±0,5 %:n tarkkuudella on olennaisen tärkeää, ja sitä saavutetaan yleensä Hallin anturien avulla, jotka mahdollistavat olosuhteiden reaaliaikaisen seurannan samalla kun estetään häiritsevät verkon heilahtelut. Jos tämä tarkkuus puuttuu, jo 2 A:n ylivirta, joka kestää puoli tuntia, voi nostaa kaapelin lämpötilaa lähes 40 celsiusastetta Yhdistyneen kuningaskunnan Electrical Safety First -standardien mukaan, mikä saattaa sulattaa eristeitä. Näiden mittausten oikea toteutus on ratkaisevan tärkeää, jotta voidaan ylläpitää vakioitua 7 kW:n tehoa turvallisuuden vaarantumatta tai laitteiden käyttöiän lyhentyessä myöhemmin.
NTC-termistorit, joiden merkitys on negatiivinen lämpötilakerroin, seuraavat tarkasti sisäisiä lämpötiloja erityisesti tehoelektroniikkamoduulien ja liittimien läheisyydessä, joissa lämpö pääsee helposti kertymään. Järjestelmä valvoo tarkasti tilannetta, kun komponentit alkavat lämpenemään liikaa, yleensä noin 85 asteen Celsius yläpuolella. Tällöin anturit käynnistyvät ja pysäyttävät latauksen välittömästi. Tämä eroaa tilanteesta, jossa olisi vain yksi anturi jossain, sillä useat mittauspisteet järjestelmässä havaitsevat kuumat paikat ennen kuin ne aiheuttavat ongelmia. Valmistajat testaavat kaikki nämä turvatoiminnot IEC 62955 -standardin mukaisesti termisen läpilähdön skenaarioissa varmistaakseen, että kaikki toimii moitteettomasti oikean maailman olosuhteissa.
Standardin EN 61851-1 liite D mukaan useimmat nykyaikaiset latauslaitteet vähentävät tulonsa noin 28 ampeeriin, kun ympäröivä lämpötila nousee yli 35 asteen Celsius-asteikolla. Tämä vastaa noin 12,5 prosentin vähennystä, joka pitää laitteen sisällä olevat asiat turvallisesti hallinnassa. Mikä on tämän sisäänrakennetun säädön taustalla? Se auttaa itse asiassa torjumaan kuumenemisen kertymistä ajan myötä. Mitä tämä tarkoittaa käytännössä? Pidempiaikaista laitteiden kestoa! Joidenkin tutkimusten mukaan tuotteiden kesto voi olla noin 30 % pidempi, kun tämä ominaisuus on käytössä. Lisäksi se estää eristysmateriaalien ennenaikaista hajoamista. Nykyiset latausasemat hoitavat kaikki nämä laskelmat reaaliajassa erityisesti lämpöhallintatarkoituksiin kehitetyllä ohjelmistolla ja ohjausmekanismeilla.
Jänniteturvallisuuden varmistamiseksi 7 kW:n 32 A:n sähköautojen latauslaitteissa jäännösvirtasuojalaitteet (RCD) ovat ratkaisevan tärkeitä. Standardiin tyyppi A -mallit havaitsevat tavalliset vaihtovirtapieniavirrat, mutta sähköautojen kohdalla tarvitaan parempaa suojaa. Tässä tilanteessa tyyppi B RCD:t tulevat kyseeseen, koska ne pystyvät tunnistamaan ne hankalat pulssivoimaiset tasavirtavirrat, jotka syntyvät sähköautojen tehomuuntimissa. IEC 61851 -standardi vaatii tämän ominaisuuden, sillä jos tasavirtapieniavirta ylittää 6 milliampeeria ja jää huomaamatta, on olemassa vakava sähköiskun riski. Useimmissa uusissa 7 kW:n latauslaitteissa on nyt sisäänrakennettu tyyppi B -suojaukset vakiovarusteena. Tämä tarkoittaa, että erillisiä turvakerroksia ei enää tarvita, ja käyttäjät saavat jatkuvan suojauksen koko 32 A:n latausaikana ilman turvallisuusaukkoja.
Säännöllinen maadoitusjärjestelmän tarkistus estää vaarallisen sähkövarauksen kertymisen laitekoteloissa. Modernit jatkuvuusmittauslaitteet mittaavat johtimen resistanssia satoja kertoja sekunnissa mikro-ohmimittarin teknologiaa hyödyntäen. Järjestelmät sammuttavat toiminnot automaattisesti, jos resistanssi ylittää 0,3 ohmia EN 50620 -standardin mukaan. Paremmat mallit havaitsevat eristysongelmat ennen kuin ne pahenevat, tunnistamalla pudotukset alle 1 megaohmin reagoiden alle millisekunnissa. Tämä on erityisen tärkeää järjestelmille, jotka toimivat 32 ampeerin virralla ja joiden tehotaso saavuttaa jatkuvasti 7 kilowattia. Älykäs ohjelmisto vertailee jatkuvasti jännitemuutoksia normaalien rajojen ulkopuolella (+/- 10 %) tunnettuihin vuotokuvioihin. Tämä auttaa välttämään väärät hälytykset samalla kun suojataan pieniä kaarivikoja asti, joissa virta on vain 5 milliampeeria.
Nykyään 7 kW:n ja 32 A:n latauslaitteissa olevat mikroprosessorijärjestelmät tarkistavat jatkuvasti virta- ja jännitetasoja, näytteillen niitä 1 000 kertaa sekunnissa juuri niiden Hallin anturien kautta, joista olemme puhuneet. Kun jotain menee pieleen – esimerkiksi kun virta nousee yhtäkkiä yli tai laskee alle 5 %:n 32 A:n arvosta, tai jos jännite laskee alle 207 volttia tavallisissa 230 V järjestelmissä – nämä älykkäät järjestelmät havaitsevat sen ja reagoivat alle 100 millisekunnissa. Tämänlainen nopea toiminta on selvästi parempi kuin vanhat mekaaniset releet, ja se estää vaaralliset ketjureaktiot ennen kuin ne ehtivät alkaa. Käytännön testit vahvistavat tämän; viime vuoden IEC-raporttien mukaan nopeakäyntiset ratkaisut vähensivät sähköpalojen määrää lähes 94 %. Ja vielä parempaa on, että mallintunnistustekniikka mahdollistaa ongelmien havaitsemisen entistä aikaisemmin, jolloin esimerkiksi kaarevuuden ja maadoitusongelmien tyypilliset oireet voidaan havaita paljon ennen kuin ne muodostuvat vakaviksi turvallisuusriskiksi.
| Seurantaparametri | Havaintokynnys | Toimintareaktio |
|---|---|---|
| Virran vaihtelu | ±5 % 32 A:n arvosta | Virran rajoittaminen |
| Jännitteen vaihtelu | ±10 % nimellisarvosta | Latauspysäytys |
| Kaarisignaalit | 8 mA RMS | Välitön sammutus |
Latausprosessi pysähtyy automaattisesti, aina kun tärkeät rajat ylittyvät. Kun eristysresistanssi laskee alle 1 megaoohmin, tämä tarkoittaa yleensä, että johonkin kohtaan on päässyt vettä tai komponentit alkavat kulua, mikä voi johtaa vaarallisiin sähköiskuihin. Jos jännitteet heilahtelevat liian kauas normaalitasoista, esimerkiksi nousevat yli 253 volttia tai laskevat alle 207 volttia, järjestelmä sammutetaan kokonaan suojellakseen sekä latauslaitetta että auton elektronisia järjestelmiä. Nämä kaksi pääasiallista vikojen havaitsemistapaa noudattavat IEC 62196 -standardien mukaisia teollisuuden standardeja, ja vuoden 2024 käytännön testit osoittivat niiden estävän vaaratilanteita noin 96 prosentissa tapauksista. Aina kun joku aloittaa lataamisen, erityiset testit tarkistavat maadoituksen toimivuuden lähettämällä alle 12 voltin pieniä jännitesignaaleja. Järjestelmä tarkistaa resistanssia koko ajan käynnissä ollessaan ja katkaisee virran välittömästi, jos mikään näyttää epäturvalta. Erityinen piiri tarkistaa jännitetasot joka 20 millisekunnin välein estääkseen ylikuumenemisen silloin, kun jännitteet nousevat odottamatta.
Kansainväliset standardointijärjestöt ovat asettaneet sääntöjä sähköturvallisuudesta, erityisesti tarkastellen standardeja kuten IEC 60364-5-52 vuodelta 2019 ja BS 7671:2018. Nämä ohjeet määräävät käytännössä, että jatkuvien kuormitusten yhteydessä on noudatettava 80 %:n aliarviointisääntöä. Tämä tarkoittaa, että jos joku haluaa asentaa 32 A:n sähköajoneuvolatauslaitteen, he tarvitsevat sille erillisen 40 A:n piirin. Kun insinöörit suorittavat lämpömalleja tästä asiasta, tulokset ovat melko kertovia. Jos 6 mm²:n kuparikaapeleita kuormitetaan täyteen 32 A:n kapasiteettiin ilman riittävää turvamarginaalia, lämpötila voi nousta yli 15 astetta Celsius-asteikolla. Ajan myötä tämä lämpöpurske vahingoittaa merkittävästi kaapelin eristystä. Ennen kuin mitään jälkiasennusta tehdään, sähköasentajien tulisi aina tarkistaa, kuinka paljon tilaa on jäljellä pääjakelukaapissa. Tämän vaiheen ohittaminen voi johtaa monenlaisiin ongelmiin myöhemmin, kuten useisiin virrankatkaisijoiden laukahtamisiin, vaiheittaiseen johtojen kuluminen sekä pahimmassa tapauksessa pakollisten vaatimustenmukaisuustarkastusten epäonnistumiseen.
EN 50620:2017 -standardien mukaan laitteistoissa on oltava jäännösvirtavalvontalaitteet (RCM), jotka pystyvät havaitsemaan muutoksia jo plusmiinus 30 milliampeerin tarkkuudella. Standardi edellyttää myös reaaliaikaisia jännitestabiilisuusjärjestelmiä, jotka pitävät tehoantoon vakautta normaalitasosta enintään kymmenen prosentin sisällä latausprosessin aikana. Edistyneemmissä sovelluksissa ylivirtasuojalla varustetut jäännösvirtakatkaisijat (RCBO) voivat havaita kehittyviä vuotoreittejä, vaikka ne kehittyisivätkin hitaasti, alle kolme milliampeeria sekunnissa. Kun eristysresistanssi laskee alle yhden megaoohmin, valvontajärjestelmät käynnistyvät ja sammuttavat toiminnan hieman yli sadassa millisekunnissa. Nämä yhdistetyt turvatoiminnot auttavat estämään vaarallisia tilanteita, kuten sähköiskuja ja mahdollisia tulipaloja, verkon tehon vaihteluista huolimatta. Erityisen älykkään tekniikan takana on se, ettei toisteta toimintoja, joita ovat jo rakennettuna tyypin B jäännösvirtalaitteisiin ja erillisiin lämpötilanvalvontajärjestelmiin, mikä luo tehokkaamman kokonaisuuden.
Avaintaat vaatimukset:
| Turvallisuusominaisuus | Arviointi | Vasteaika |
|---|---|---|
| Jännitteen vakaus | ±10 % vaihtelu | <200ms |
| Eristysvastus | <1 MΩ | < 100 ms |
| Maavuodon havaitseminen | 30 mA epätasapaino | <300 ms |
40 A:n piiri suositellaan 32 A:n laturille, jotta varmistetaan riittävä marginaali normaaleille virran vaihteluille ja estetään ylikuumeneminen.
Type B RCD:t voivat havaita pulsoidvan tasavirtamaavuodon, mitä tavalliset Type A RCD:t eivät voi, mikä tarjoaa parannettua suojausta sähköiskuriskiltä sähköautolatauksen yhteydessä.
Lataustulokset vähenevät, kun ympäristön lämpötila nousee yli 35 °C EN 61851-1 liitteen D mukaisesti, mikä auttaa estämään ylikuumenemista ja pidentää laitteiston käyttöikää.
Automaattinen sammuttaminen tapahtuu, kun kriittiset rajat ylittyvät, kuten eristysresistanssi laskee alle 1 megaoohmin tai havaitaan merkittäviä jänniteheilahteluja, mikä takaa turvallisuuden sekä ajoneuvolle että laturille.
EN
