【導(dǎo)讀】電動(dòng)汽車 (EV) 充電解決方案需要使用多種電源轉(zhuǎn)換技術(shù)，來支持用于家庭和辦公室充電器的交流電 (AC) 設(shè)計(jì)，以及用于長途旅行充電的直流電 (DC) 快速充電系統(tǒng)。所有類型電動(dòng)汽車充電器都有一個(gè)共同點(diǎn)，就是需要各種接觸器、繼電器、連接器和無源元件，以支持現(xiàn)有的高電壓和電流，并需要采用緊湊的設(shè)計(jì)和提供較高的能效，以支持更快、更安全、更小、更高效和更靈活的電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施。
電動(dòng)汽車 (EV) 充電解決方案需要使用多種電源轉(zhuǎn)換技術(shù)，來支持用于家庭和辦公室充電器的交流電 (AC) 設(shè)計(jì)，以及用于長途旅行充電的直流電 (DC) 快速充電系統(tǒng)。所有類型電動(dòng)汽車充電器都有一個(gè)共同點(diǎn)，就是需要各種接觸器、繼電器、連接器和無源元件，以支持現(xiàn)有的高電壓和電流，并需要采用緊湊的設(shè)計(jì)和提供較高的能效，以支持更快、更安全、更小、更高效和更靈活的電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)施。
設(shè)計(jì)高效、靈活的電動(dòng)汽車充電器需要各種緊湊的高電壓設(shè)備。這些設(shè)備必須低阻，且運(yùn)行安全、可靠。在某些情況下，這些設(shè)備在惡劣的工作環(huán)境中還需要較長的電氣開關(guān)壽命。某些安全裝置（如緊急停止開關(guān)）必須符合 IP67 標(biāo)準(zhǔn)。其他產(chǎn)品，如電磁干擾 (EMI) 濾波器、端子塊和接觸器，必須獲得特定的國際性能認(rèn)證。
本文先概要性介紹了交流和直流電動(dòng)汽車充電器的設(shè)計(jì)以及一些相關(guān)的地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)。然后回顧了對更大功率電動(dòng)汽車充電器的需求，并展望了極速充電 (XFC) 的未來。文章最后簡要介紹了電動(dòng)汽車充電系統(tǒng)中接觸器、繼電器、連接器、功率電阻器、開關(guān)、EMI 濾波器和電源塊互連系統(tǒng)的用途，并提供了 TE Connectivity 的示例產(chǎn)品鏈接。
地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)
交流和直流電動(dòng)汽車充電有多種標(biāo)準(zhǔn)限定。每個(gè)地區(qū)都有自己的方式。在北美 (NA) ，SAE J1772 標(biāo)準(zhǔn)描述了三個(gè)電動(dòng)汽車充電級別，而歐洲則使用 IEC 61851，詳細(xì)說明了四種充電模式。中國的交流和直流充電標(biāo)準(zhǔn)是 GB/T 20234，而在日本，交流充電標(biāo)準(zhǔn)采用的是日本汽車研究所 (JARI) 的標(biāo)準(zhǔn)，直流充電標(biāo)準(zhǔn)則是 CHAdeMO。交流充電的最大功率通常為 22 kW 左右，而直流充電的功率更大。此外，交流充電需要車載充電器 (OBC)，而直流充電器則直接連接到電池組（圖 1）。對北美和歐洲充電標(biāo)準(zhǔn)的簡要比較將為下一節(jié)充電器設(shè)計(jì)和使用案例提供背景資料。
圖 1：交流充電使用 OBC，而直流充電直接將能量輸入電池。（圖片來源：TE Connectivity）
北美有兩級交流充電。1 級使用墻壁插座，功率可達(dá) 1.9 kW；2 級使用充電站，功率可達(dá) 19.2 kW。1 級充電器主要用于住宅，而 2 級充電器則用于住宅和商業(yè)環(huán)境。歐洲有三種交流充電模式。模式 1 相當(dāng)于北美的 1 級，而模式 3 相當(dāng)于北美的 2 級。歐洲還有一種中間類型，即“模式 2”，它與“模式 1”一樣使用墻壁插頭，但在連接電纜上增加了保護(hù)電路，使之能夠提供兩倍的功率。
速度不夠快
快速交流充電器（如北美的 2 級充電和歐洲的 3 級充電）比其他充電方式更快，后者需要 10 到 12 個(gè)小時(shí)才能為電動(dòng)汽車充滿電。盡管如此，快速交流電仍需要幾個(gè)小時(shí)才能為耗盡的電池組充電，這在汽車長時(shí)間停放在辦公室、家中或其他地方時(shí)非常有用。然而，它的速度仍不足以大幅降低電動(dòng)汽車駕駛員的續(xù)航焦慮。
這就是開發(fā)大功率模式 3 交流充電器和 4 級直流充電器的原因。直流快速充電的充電速度取決于充電器提供的電流和電池組的電壓。直流快速充電器最初是為 400 V 電池組開發(fā)的。使用 400 V、200 A 充電器充電到 80% 需要約 50 分鐘。將電流提高到 350 A 是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，但這樣做可以在大約 29 分鐘內(nèi)為 400 V 的電池組充電到 80%。雖然提高電流可以減少必要的充電時(shí)間，但要使電動(dòng)汽車充電成為一種比其他加油方式更省時(shí)的替代方式，還需要更多的努力。我們的目標(biāo)是在 10 分鐘內(nèi)完成充電，這與為內(nèi)燃機(jī)汽車 (ICE) 油箱加油所需的時(shí)間差不多。
直流快速充電的下一階段將是極速充電 (XFC) 。為了實(shí)現(xiàn) XFC，電池組電壓正從 400 V 上升到 800 V，1 kV 的電池組也指日可待。正在開發(fā)的 XFC 充電器技術(shù)可以 350 至 500 A 電流提供 1 kV 電壓，使充電時(shí)間縮短至 10 分鐘或更短。隨著 XFC 技術(shù)的進(jìn)步，續(xù)航焦慮癥將不復(fù)存在。
除了開發(fā) XFC 技術(shù)外，設(shè)計(jì)人員還在努力打造緊湊型設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)高能效，以支持更安全、更小、更高效和更靈活的電動(dòng)汽車充電。這就需要先進(jìn)的組件和先進(jìn)的設(shè)計(jì)。
圖 2：為電動(dòng)汽車開發(fā)更緊湊、更大功率的充電解決方案需要先進(jìn)的組件。（圖片來源：TE Connectivity）
進(jìn)入狹窄空間
目前正在開發(fā)的 XFC 充電器設(shè)計(jì)采用碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 功率半導(dǎo)體，可提供高效、緊湊的電源轉(zhuǎn)換解決方案。然而，電源轉(zhuǎn)換只是電動(dòng)汽車充電器設(shè)計(jì)的一個(gè)因素。
電動(dòng)汽車充電器需要結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固耐用的電路板和信號連接器來進(jìn)行控制和監(jiān)控。它們需要空間效率高的繼電器和接觸器，能夠處理與快速充電相關(guān)的較高電壓。電動(dòng)汽車充電器中的功率電阻器需要高絕緣電阻、低表面溫度、出色的電阻溫度系數(shù) (TCR) 性能、在有限的空間內(nèi)耗散大功率的能力以及防火結(jié)構(gòu)。
輔助電源和其他電路依靠緊湊型電磁干擾 (EMI) 濾波器來消除對控制邏輯和監(jiān)控電路的干擾。緊急停止開關(guān)必須達(dá)到 IP65 防護(hù)等級，并具有足夠的啟動(dòng)力以防止意外開關(guān)，這樣才能經(jīng)受住惡劣環(huán)境的考驗(yàn)。
2 級/模式 3 交流充電器
下面詳細(xì)列出了設(shè)計(jì) 2 級和模式 3 交流充電器時(shí)所需的一些關(guān)鍵組件。所列數(shù)字與下圖 3 中圈出的數(shù)字對應(yīng)。
1、功率繼電器（如 TE 的 T92 系列）用作交流充電站的主開關(guān)。這些雙刀單擲 (DPST) 繼電器的額定電流高達(dá) 50 A，專為在極端溫度下使用而設(shè)計(jì)。T92HP7D1X-12 型號經(jīng)優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)出色的散熱性能，額定電流和電壓分別為 50 A 和 600 Vac，工作溫度最高 85 °C。
2、需要像 TE 的 Dynamic Mini 系列這樣的電路板和信號連接器來支持內(nèi)部 PCB 電源和信號連接。這些連接器包括一個(gè)提供可聞卡位聲的鎖止機(jī)構(gòu)，以方便現(xiàn)場安裝和維護(hù)。其額定工作溫度范圍為 -40 至 125 °C，可滿足交流充電裝置的要求。例如，1-2834461-2 型號提供 12 個(gè)針位，中心線間距為 0.071 英寸 (1.8 mm)。
3、功率電阻器對于監(jiān)控、管理和確保安全運(yùn)行非常重要。它們必須具有高絕緣電阻、低 TCR（如 300 ppm/°C）、低表面溫升和防火結(jié)構(gòu)。TE 的 SQ 系列（如 1 Ω ±5% 5W 型號 SQPW51R0J）適用于交流充電器。
4、緊急停止開關(guān)對交流充電器的安全非常重要。TE 提供的 PBE16 系列按鈕式緊急停止開關(guān)有發(fā)光和不發(fā)光兩種型號。這些開關(guān)符合 IEC 60947-5-1 和 IEC 60947-5-5 要求。例如，PBES16L1CR 型號的防護(hù)等級為 IP 65，致動(dòng)力為 20 牛頓 (N)，可避免意外致動(dòng)。
5、充電站的輔助電源需要使用 EMI 濾波器，以防止干擾用于電源監(jiān)測和控制的數(shù)字電路的運(yùn)行。此外還需要輔助電源為功率轉(zhuǎn)換部分的功率半導(dǎo)體供電。TE 的 6609065-3 型號單相 EMI 濾波器額定電流為 6 A，電壓為 250 Vac，頻率為 50 或 60 Hz。
6、最后，還需要用于布線和面板識別的電氣解決方案，以加快現(xiàn)場組裝和維護(hù)的速度。這些標(biāo)簽必須易于安裝且非常耐用。例如，TE 的 PL-027008-2.5-9 就是一種聚酯不干膠標(biāo)簽，設(shè)計(jì)用于像電動(dòng)汽車充電站這樣的電氣柜。
圖 3：2 級和模式 3 交流充電器所需的關(guān)鍵組件。（圖片來源：TE Connectivity）
快速和 XFC 直流充電
從高層面來看，2 級和模式 3 交流充電器所需的組件類型似乎與快速直流充電器中所用的組件類型相似。不過，兩者之間也有一些微妙而明顯的區(qū)別。
交流充電站通常使用繼電器進(jìn)行電源控制，而直流充電器則需要接觸器。雖然繼電器和接觸器都是使用 12 伏直流等低壓電切換高電壓電路的開關(guān)，但它們使用不同的觸頭結(jié)構(gòu)，針對不同的電壓和電流水平進(jìn)行了優(yōu)化。繼電器的額定電壓通常高達(dá) 600 V，而接觸器的額定電壓為 800 V 或更高。此外，繼電器的電流通常僅限于幾十安培，而接觸器的開關(guān)電流可達(dá)幾百安培。例如，TE 的 EV200AAANA 接觸器額定電壓為 900 V、電流為 500 A，適用于快速直流充電器。
直流充電器中使用的信號連接器和電源電阻器與交流設(shè)計(jì)中使用的不同。直流充電器涉及更復(fù)雜的控制，例如與電動(dòng)汽車電池組的通信，這是交流設(shè)計(jì)所不具備的。交流和直流充電器均可使用 0.050” x 0.050” (1.00 mm x 1.00 mm) 的板對板細(xì)間距連接器，但直流充電器可能需要更多引腳，如 30 針位 1MM-R-D15-VS-00-F-TBP 連接器。
此外，較高功率級別直流充電器則可以采用像 TE 的 HS 系列這樣鋁殼功率電阻器，以獲得性能提升。這些繞線電阻器非常穩(wěn)定，可在有限的空間內(nèi)耗散更大的功率，表面溫度相對較低。例如，HSA1010RJ 型號的額定參數(shù)為 10 Ω ±5% 和 10 W。該系列的其他型號額定參數(shù)最高可達(dá) 82 kΩ 和 300 W。
雖然交流和直流充電器通常可以使用相同類型的緊急停止開關(guān)，但就 EMI 濾波器而言，直流充電器可能需要更大的濾波器或更多的濾波器，具體取決于設(shè)計(jì)。
交流充電器和直流充電器的另一個(gè)區(qū)別是，直流充電器需要使用電源端子塊（如 TE 的 ENTRELEC 緊湊型電源塊）進(jìn)行內(nèi)部配電。CBS50-2P 型號的額定參數(shù)為 150 A 和 1 kV。
圖 4：快速直流充電器需要許多與 2 級和模式 3 交流充電器相同的組件，但也有一些細(xì)微的差別。（圖片來源：TE Connectivity）
結(jié)語
先進(jìn)的電動(dòng)汽車充電器設(shè)計(jì)對于減少續(xù)航里程焦慮和實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車的大規(guī)模部署至關(guān)重要。這些高級充電器將使用更高的電壓和電流，能將充電時(shí)間縮短到 10 分鐘左右，使電動(dòng)汽車的充電時(shí)間與內(nèi)燃機(jī)汽車的加油時(shí)間相當(dāng)。如上所述，為了實(shí)現(xiàn)快速交流和直流充電器以及新一代 XFC 設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)人員需要各種緊湊、高效、環(huán)保的組件。
(作者：Jeff Shepard)
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