作者：Jeff Shepard

　　電動汽車 (EV) 充電解決方案需要一系列電源轉(zhuǎn)換技術來支持家庭和辦公室充電器的交流 (AC) 設計，以及用于長途旅行充電的直流 (DC) 快速充電系統(tǒng)。所有類型的電動汽車充電器之間的共同點是需要各種接觸器、繼電器、連接器和無源元件，以支持當前的高電壓和電流，并提供支持更快充電所需的緊湊設計和高效率。 、更安全、更小、高效、靈活的電動汽車充電基礎設施。

　　設計高效、靈活的電動汽車充電器需要各種緊湊的高壓設備。這些設備必須具有低電阻，并且運行可靠、安全。在某些情況下，這些設備在暴露于惡劣的工作環(huán)境時還需要較長的電氣開關壽命。一些安全設備(例如緊急關閉開關)需要符合 IP67 標準。其他產(chǎn)品，例如電磁干擾 (EMI) 濾波器、端子塊和接觸器，必須具有特定的國際性能認證。

　　本文概述了交流和直流電動汽車充電器設計以及一些相關的區(qū)域標準。它回顧了對更高功率電動汽車充電器的需求，并展望了極快速充電(XFC)的未來。最后簡要介紹了接觸器、繼電器、連接器、功率電阻器、開關、EMI 濾波器和電源塊互連系統(tǒng)在 EV 充電系統(tǒng)中的用途，并包含TE Connectivity示例產(chǎn)品的鏈接。

　　地區(qū)標準

　　有多種標準定義了交流和直流電動汽車充電。每個地區(qū)都有自己的做法。在北美 (NA)，SAE J1772 描述了電動汽車充電的三種級別，而歐洲使用 IEC 61851，并詳細說明了四種充電模式。中國的交流和直流充電標準為 GB/T 20234，而日本的交流充電標準為日本汽車研究所 (JARI) 標準，直流充電標準為 CHAdeMO。交流充電通常使用高達 22 kW 左右的功率，而直流充電可提供更多功率。此外，交流充電需要板載充電器 (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準的簡要比較將為下一節(jié)有關充電器設計和用例的內(nèi)容提供背景。

　　圖 1：交流充電使用 OBC，而直流充電則直接向電池供電。 (圖片來源：TE Connectivity)

　　NA 有兩個級別的交流充電。 1 級使用墻壁插座提供高達 1.9 kW 的功率，而 2 級使用充電站提供高達 19.2 kW 的功率。 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 類似于 NA 中的 Level 1，而模式 3 類似于 NA Level 2。歐洲還有一種中間類型，即模式 2，它使用與模式 1 類似的壁式插頭，但在連接電纜上增加了保護電路，使其能夠提供兩倍的傳輸速率。力量。

　　快還不夠

　　快速交流充電器(例如北美的 2 級充電器和歐洲的模式 3)比需要 10 至 12 小時才能將電動汽車充滿電的替代品更快。也就是說，快速交流電仍然需要幾個小時才能為耗盡的電池組充電，這在汽車長時間停放在辦公室、家里或其他地點的情況下非常有用。然而，它的速度仍然不夠快，不足以顯著減少電動汽車駕駛員的里程焦慮。

　　這就是開發(fā)高功率模式 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率取決于充電器的可用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 充電器實現(xiàn) 80% 的充電大約需要 50 分鐘。將電流提高到 350 A 具有挑戰(zhàn)性，但這樣做可以在大約 29 分鐘內(nèi)為 400 V 電池組提供 80% 的電量。盡管提高電流會減少必要的充電時間，但要使電動汽車充電成為其他充電方法的省時替代方案，還需要付出更多努力。目標是充電時間為 10 分鐘，大約與給內(nèi)燃機 (ICE) 車輛加油所需的時間相同。

　　直流快速充電的下一階段將是極快速充電(XFC)。為了達到 XFC，電池組電壓從 400 V 升至 800 V，并且即將推出 1 kV 電池組。 XFC 充電器技術正在開發(fā)中，可在 350 至 500 A 電流下提供 1 kV 電壓，將充電時間縮短至 10 分鐘或更短。隨著 XFC 的進步，里程焦慮將成為過去。

　　除了開發(fā) XFC 技術外，設計人員還迫切需要緊湊的設計和高效率，以支持更安全、更小、更高效和靈活的電動汽車充電。這需要先進的組件和先進的設計。

　　圖 2：需要先進的組件來開發(fā)更緊湊、更高功率的電動汽車充電解決方案。 (圖片來源：TE Connectivity)

　　進入狹小的空間

　　XFC 充電器設計正在使用碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 功率半導體進行開發(fā)，可提供高效、緊湊的功率轉(zhuǎn)換解決方案。然而，功率轉(zhuǎn)換只是電動汽車充電器設計的要素之一。

　　電動汽車充電器需要緊湊且堅固的電路板和信號連接器來進行控制和監(jiān)控。他們需要節(jié)省空間的繼電器和接觸器，能夠處理與快速充電機制相關的更高電壓。電動汽車充電器中的功率電阻器需要高絕緣電阻、低表面溫度、優(yōu)異的電阻溫度系數(shù) (TCR) 性能、在有限空間內(nèi)耗散高功率的能力以及防火結構。

　　輔助電源和其他電路依賴于緊湊型電磁干擾 (EMI) 濾波器來消除對控制邏輯和監(jiān)控電路的干擾。為了承受惡劣的環(huán)境，需要具有 IP65 防護等級和足夠的驅(qū)動力以防止意外切換的緊急關閉開關。

　　2 級/模式 3 交流充電器

　　下面列出了設計 2 級和模式 3 交流充電器時所需的一些關鍵組件的詳細信息。列出的數(shù)字對應于下面圖 3 中圈出的數(shù)字。

　　功率繼電器(如 TE 的T92 系列)用作交流充電站的主開關。這些兩極單擲 (DPST) 繼電器的額定電流高達 50 A，設計用于極端溫度。T92HP7D1X-12型號經(jīng)過優(yōu)化，具有卓越的熱性能，額定電流為 50 A 和 600 Vac，溫度高達 85 °C。

　　需要使用TE Dynamic Mini系列等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可發(fā)聲的強制閉鎖機構，以方便現(xiàn)場安裝和維護。它們的額定工作溫度范圍為 -40 至 125 °C，以滿足交流充電裝置的需求。例如，型號1-2834461-2在 0.071 英寸(1.8 毫米)中心線上有 12 個位置。

　　功率電阻器對于監(jiān)控、管理和確保安全運行非常重要。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構。 TE 的SQ 系列(如 1 Ω ±5% 5W 型號SQPW51R0J)適合在交流充電器中使用。

　　緊急停止開關對于交流充電器的安全非常重要。 TE 提供帶照明和不帶照明版本的PBE16 系列按鈕緊急停止開關。這些開關符合 IEC 60947-5-1 和 IEC 60947-5-5 要求。例如，型號PBES16L1CR的防護等級為 IP 65，驅(qū)動力為 20 牛頓 (N)，以避免意外驅(qū)動。

　　充電站的輔助電源需要 EMI 濾波器，以防止對用于電力監(jiān)測和控制的數(shù)字電路的運行產(chǎn)生干擾。還需要輔助電源來驅(qū)動功率轉(zhuǎn)換部分中的功率半導體的電源。 TE 的6609065-3型號是一款單相 EMI 濾波器，250 Vac、50 或 60 Hz 時的額定電流為 6 A。

　　最后，需要電氣解決方案來進行接線和面板識別，以加快現(xiàn)場組裝和維護速度。這些標簽必須易于安裝且高度耐用。例如，TE 的PL-027008-2.5-9是一種聚酯不干膠標簽，設計用于電動汽車充電站等電氣柜。

　　圖 3：2 級和模式 3 交流充電器所需的關鍵組件。 (圖片來源：TE Connectivity)

　　快速和 XFC DC

　　從較高的層面來看，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使用的組件類型相似。但是，兩者之間存在一些微妙而明顯的差異。

　　交流充電站通常使用繼電器進行功率控制，而直流充電器則需要接觸器。盡管繼電器和接觸器都是使用 12 Vdc 等低電壓來切換較高電壓電路的開關，但這些器件使用針對不同電壓和電流水平進行優(yōu)化的不同觸點結構。繼電器的額定電壓通常高達 600 V，而接觸器的額定電壓為 800 V 及更高。此外，繼電器通常僅限于數(shù)十安培，而接觸器則可切換數(shù)百安培。例如，TE 的EV200AAANA接觸器的額定電壓為 900 V 和 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功率電阻與交流設計中使用的不同。直流充電器涉及更復雜的控制，例如交流設計中缺少的與電動汽車電池組的通信。交流和直流充電器都受益于使用中心線為 0.050” x 0.050” (1.00 mm x 1.00 mm) 的板對板細間距連接器，但直流充電器可能需要更高的引腳數(shù)，例如 30 位 1MM-R- D15- VS-00-F-TBP。

　　此外，直流充電器的更高功率水平可以受益于鋁殼功率電阻器(例如TE 的HS 系列)。這些線繞電阻非常穩(wěn)定，可以在有限的空間內(nèi)以相對較低的表面溫度耗散高功率。例如，型號HSA1010RJ的額定值為 10 Ω ±5% 和 10 W。該系列中的其他型號的額定值為高達 82 kΩ 和高達 300 W。

　　盡管相同類型的緊急關閉開關通常可用于交流和直流充電器，但在 EMI 濾波器的情況下，直流充電器可能需要更大的濾波器或更多的濾波器，具體取決于設計。

　　交流和直流充電器之間的另一個區(qū)別是，直流充電器需要電源端子塊(例如 TE 的ENTRELEC 緊湊型電源塊)來進行內(nèi)部配電。CBS50-2P型號的額定電流為 150 A，額定電流為 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，但也存在一些細微的差異。 (圖片來源：TE Connectivity)

　　結論

　　先進的電動汽車充電器設計對于減少里程焦慮和實現(xiàn)電動汽車的大規(guī)模部署至關重要。這些先進的充電器將使用更高的電壓和電流，將充電時間縮短至約 10 分鐘，使電動汽車充電與內(nèi)燃機汽車的加油時間相當。如圖所示，設計人員需要各種緊湊、高效且環(huán)保的組件來實現(xiàn)快速交流和直流充電器以及未來幾代 XFC 設計。