【導(dǎo)讀】電動(dòng)汽車(chē) (EV) 充電解決方案需要使用多種電源轉(zhuǎn)換技術(shù)，來(lái)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(zhǎng)途旅行充電的直流電 (DC) 快速充電系統(tǒng)。所有類(lèi)型電動(dòng)汽車(chē)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(wú)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(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施。
電動(dòng)汽車(chē) (EV) 充電解決方案需要使用多種電源轉(zhuǎn)換技術(shù)，來(lái)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(zhǎng)途旅行充電的直流電 (DC) 快速充電系統(tǒng)。所有類(lèi)型電動(dòng)汽車(chē)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(wú)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(chē)充電基礎(chǔ)設(shè)施。
設(shè)計(jì)高效、靈活的電動(dòng)汽車(chē)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(zhǎng)的電氣開(kāi)關(guān)壽命。某些安全裝置（如緊急停止開(kāi)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(guó)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(chē)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(duì)更大功率電動(dòng)汽車(chē)充電器的需求，并展望了極速充電 (XFC) 的未來(lái)。文章最后簡(jiǎn)要介紹了電動(dòng)汽車(chē)充電系統(tǒng)中接觸器、繼電器、連接器、功率電阻器、開(kāi)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(chē)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(chē)充電級(jí)別，而歐洲則使用 IEC 61851，詳細(xì)說(shuō)明了四種充電模式。中國(guó)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(chē)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(chē)載充電器 (OBC)，而直流充電器則直接連接到電池組（圖 1）。對(duì)北美和歐洲充電標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)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(lái)源：TE Connectivity）
北美有兩級(jí)交流充電。1 級(jí)使用墻壁插座，功率可達(dá) 1.9 kW；2 級(jí)使用充電站，功率可達(dá) 19.2 kW。1 級(jí)充電器主要用于住宅，而 2 級(jí)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(jí)，而模式 3 相當(dāng)于北美的 2 級(jí)。歐洲還有一種中間類(lèi)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(jí)充電和歐洲的 3 級(jí)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(chē)充滿(mǎn)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(chē)長(zhǎng)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(chē)駕駛員的續(xù)航焦慮。
這就是開(kāi)發(fā)大功率模式 3 交流充電器和 4 級(jí)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(kāi)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(chē)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(chē) (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(kāi)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(kāi)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(chē)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(chē)開(kāi)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(lái)源：TE Connectivity）
進(jìn)入狹窄空間
目前正在開(kāi)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(chē)充電器設(shè)計(jì)的一個(gè)因素。
電動(dòng)汽車(chē)充電器需要結(jié)構(gòu)緊湊、堅(jiān)固耐用的電路板和信號(hào)連接器來(lái)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(chē)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(lái)消除對(duì)控制邏輯和監(jiān)控電路的干擾。緊急停止開(kāi)關(guān)必須達(dá)到 IP65 防護(hù)等級(jí)，并具有足夠的啟動(dòng)力以防止意外開(kāi)關(guān)，這樣才能經(jīng)受住惡劣環(huán)境的考驗(yàn)。
2 級(jí)/模式 3 交流充電器
下面詳細(xì)列出了設(shè)計(jì) 2 級(jí)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(duì)應(yīng)。
1、功率繼電器（如 TE 的 T92 系列）用作交流充電站的主開(kāi)關(guān)。這些雙刀單擲 (DPST) 繼電器的額定電流高達(dá) 50 A，專(zhuān)為在極端溫度下使用而設(shè)計(jì)。T92HP7D1X-12 型號(hào)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(hào)連接器來(lái)支持內(nèi)部 PCB 電源和信號(hào)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(chǎng)安裝和維護(hù)。其額定工作溫度范圍為 -40 至 125 °C，可滿(mǎn)足交流充電裝置的要求。例如，1-2834461-2 型號(hào)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(duì)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(hào) SQPW51R0J）適用于交流充電器。
4、緊急停止開(kāi)關(guān)對(duì)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(kāi)關(guān)有發(fā)光和不發(fā)光兩種型號(hào)。這些開(kāi)關(guān)符合 IEC 60947-5-1 和 IEC 60947-5-5 要求。例如，PBES16L1CR 型號(hào)的防護(hù)等級(jí)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(cè)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(hào)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(shí)別的電氣解決方案，以加快現(xiàn)場(chǎng)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(chē)充電站這樣的電氣柜。
圖 3：2 級(jí)和模式 3 交流充電器所需的關(guān)鍵組件。（圖片來(lái)源：TE Connectivity）
快速和 XFC 直流充電
從高層面來(lái)看，2 級(jí)和模式 3 交流充電器所需的組件類(lèi)型似乎與快速直流充電器中所用的組件類(lèi)型相似。不過(guò)，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(kāi)關(guān)，但它們使用不同的觸頭結(jié)構(gòu)，針對(duì)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(kāi)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(hào)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(chē)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(duì)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(jí)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(duì)較低。例如，HSA1010RJ 型號(hào)的額定參數(shù)為 10 Ω ±5% 和 10 W。該系列的其他型號(hào)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?？梢允褂孟嗤?lèi)型的緊急停止開(kāi)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(hào)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(jí)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(lái)源：TE Connectivity）
結(jié)語(yǔ)
先進(jìn)的電動(dòng)汽車(chē)充電器設(shè)計(jì)對(duì)于減少續(xù)航里程焦慮和實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)的大規(guī)模部署至關(guān)重要。這些高級(jí)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(chē)的充電時(shí)間與內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)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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