作者：Jeff Shepard

　　電動(dòng)汽車(chē) (EV) 充電解決方案需要一系列電源轉(zhuǎn)換技術(shù)來(lái)支持家庭和辦公室充電器的交流 (AC) 設(shè)計(jì)，以及用于長(zhǎng)途旅行充電的直流 (DC) 快速充電系統(tǒng)。所有類(lèi)型的電動(dòng)汽車(chē)充電器之間的共同點(diǎn)是需要各種接觸器、繼電器、連接器和無(wú)源元件，以支持當(dāng)前的高電壓和電流，并提供支持更快充電所需的緊湊設(shè)計(jì)和高效率。 、更安全、更小、高效、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壓設(shè)備。這些設(shè)備必須具有低電阻，并且運(yùn)行可靠、安全。在某些情況下，這些設(shè)備在暴露于惡劣的工作環(huán)境時(shí)還需要較長(zhǎng)的電氣開(kāi)關(guān)壽命。一些安全設(shè)備(例如緊急關(guān)閉開(kāi)關(guān))需要符合 IP67 標(biāo)準(zhǔn)。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(guó)際性能認(rèn)證。

　　本文概述了交流和直流電動(dòng)汽車(chē)充電器設(shè)計(jì)以及一些相關(guān)的區(qū)域標(biāo)準(zhǔn)。它回顧了對(duì)更高功率電動(dòng)汽車(chē)充電器的需求，并展望了極快速充電(XFC)的未來(lái)。最后簡(jiǎn)要介紹了接觸器、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)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(biāo)準(zhǔn)

　　有多種標(biāo)準(zhǔn)定義了交流和直流電動(dòng)汽車(chē)充電。每個(gè)地區(qū)都有自己的做法。在北美 (NA)，SAE J1772 描述了電動(dòng)汽車(chē)充電的三種級(jí)別，而歐洲使用 IEC 61851，并詳細(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)為 GB/T 20234，而日本的交流充電標(biāo)準(zhǔn)為日本汽車(chē)研究所 (JARI) 標(biāo)準(zhǔn)，直流充電標(biāo)準(zhǔn)為 CHAdeMO。交流充電通常使用高達(dá) 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(duì)北美和歐洲充電標(biāo)準(zhǔn)的簡(jiǎn)要比較將為下一節(jié)有關(guān)充電器設(shè)計(jì)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(lái)源：TE Connectivity)

　　NA 有兩個(gè)級(jí)別的交流充電。 1 級(jí)使用墻壁插座提供高達(dá) 1.9 kW 的功率，而 2 級(jí)使用充電站提供高達(dá) 19.2 kW 的功率。 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 類(lèi)似于 NA 中的 Level 1，而模式 3 類(lèi)似于 NA Level 2。歐洲還有一種中間類(lèi)型，即模式 2，它使用與模式 1 類(lèi)似的壁式插頭，但在連接電纜上增加了保護(hù)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(jí)充電器和歐洲的模式 3)比需要 10 至 12 小時(shí)才能將電動(dòng)汽車(chē)充滿(mǎn)電的替代品更快。也就是說(shuō)，快速交流電仍然需要幾個(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、家里或其他地點(diǎn)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(dòng)汽車(chē)駕駛員的里程焦慮。

　　這就是開(kāi)發(fā)高功率模式 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(kāi)發(fā)的。使用 400 V、200 A 充電器實(shí)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(huì)減少必要的充電時(shí)間，但要使電動(dòng)汽車(chē)充電成為其他充電方法的省時(shí)替代方案，還需要付出更多努力。目標(biāo)是充電時(shí)間為 10 分鐘，大約與給內(nèi)燃機(jī) (ICE) 車(chē)輛加油所需的時(shí)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(dá)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(shù)正在開(kāi)發(fā)中，可在 350 至 500 A 電流下提供 1 kV 電壓，將充電時(shí)間縮短至 10 分鐘或更短。隨著 XFC 的進(jìn)步，里程焦慮將成為過(guò)去。

　　除了開(kāi)發(fā) XFC 技術(shù)外，設(shè)計(jì)人員還迫切需要緊湊的設(shè)計(jì)和高效率，以支持更安全、更小、更高效和靈活的電動(dòng)汽車(chē)充電。這需要先進(jìn)的組件和先進(jìn)的設(shè)計(jì)。

　　圖 2：需要先進(jìn)的組件來(lái)開(kāi)發(fā)更緊湊、更高功率的電動(dòng)汽車(chē)充電解決方案。 (圖片來(lái)源：TE Connectivity)

　　進(jìn)入狹小的空間

　　XFC 充電器設(shè)計(jì)正在使用碳化硅 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 功率半導(dǎo)體進(jìn)行開(kāi)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(dòng)汽車(chē)充電器設(shè)計(jì)的要素之一。

　　電動(dòng)汽車(chē)充電器需要緊湊且堅(jiān)固的電路板和信號(hào)連接器來(lái)進(jìn)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(jī)制相關(guān)的更高電壓。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、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(jié)構(gòu)。

　　輔助電源和其他電路依賴(lài)于緊湊型電磁干擾 (EMI) 濾波器來(lái)消除對(duì)控制邏輯和監(jiān)控電路的干擾。為了承受惡劣的環(huán)境，需要具有 IP65 防護(hù)等級(jí)和足夠的驅(qū)動(dòng)力以防止意外切換的緊急關(guān)閉開(kāi)關(guān)。

　　2 級(jí)/模式 3 交流充電器

　　下面列出了設(shè)計(jì) 2 級(jí)和模式 3 交流充電器時(shí)所需的一些關(guān)鍵組件的詳細(xì)信息。列出的數(shù)字對(duì)應(yīng)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(kāi)關(guān)。這些兩極單擲 (DPST) 繼電器的額定電流高達(dá) 50 A，設(shè)計(jì)用于極端溫度。T92HP7D1X-12型號(hào)經(jīng)過(guò)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(dá) 85 °C。

　　需要使用TE Dynamic Mini系列等電路板和信號(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)可發(fā)聲的強(qiáng)制閉鎖機(jī)構(gòu)，以方便現(xiàn)場(chǎng)安裝和維護(hù)。它們的額定工作溫度范圍為 -40 至 125 °C，以滿(mǎn)足交流充電裝置的需求。例如，型號(hào)1-2834461-2在 0.071 英寸(1.8 毫米)中心線上有 12 個(gè)位置。

　　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)適合在交流充電器中使用。

　　緊急停止開(kāi)關(guān)對(duì)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(kāi)關(guān)。這些開(kāi)關(guān)符合 IEC 60947-5-1 和 IEC 60947-5-5 要求。例如，型號(hào)PBES16L1CR的防護(hù)等級(jí)為 IP 65，驅(qū)動(dòng)力為 20 牛頓 (N)，以避免意外驅(qū)動(dòng)。

　　充電站的輔助電源需要 EMI 濾波器，以防止對(duì)用于電力監(jiān)測(cè)和控制的數(shù)字電路的運(yùn)行產(chǎn)生干擾。還需要輔助電源來(lái)驅(qū)動(dòng)功率轉(zhuǎn)換部分中的功率半導(dǎo)體的電源。 TE 的6609065-3型號(hào)是一款單相 EMI 濾波器，250 Vac、50 或 60 Hz 時(shí)的額定電流為 6 A。

　　最后，需要電氣解決方案來(lái)進(jìn)行接線和面板識(shí)別，以加快現(xiàn)場(chǎng)組裝和維護(hù)速度。這些標(biāo)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(biāo)簽，設(shè)計(jì)用于電動(dòng)汽車(chē)充電站等電氣柜。

　　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 DC

　　從較高的層面來(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使用的組件類(lèi)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(jìn)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(lái)切換較高電壓電路的開(kāi)關(guān)，但這些器件使用針對(duì)不同電壓和電流水平進(jìn)行優(yōu)化的不同觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)。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 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(hào)連接器和功率電阻與交流設(shè)計(jì)中使用的不同。直流充電器涉及更復(fù)雜的控制，例如交流設(shè)計(jì)中缺少的與電動(dòng)汽車(chē)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(duì)板細(xì)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(duì)較低的表面溫度耗散高功率。例如，型號(hào)HSA1010RJ的額定值為 10 Ω ±5% 和 10 W。該系列中的其他型號(hào)的額定值為高達(dá) 82 kΩ 和高達(dá) 300 W。

　　盡管相同類(lèi)型的緊急關(guān)閉開(kāi)關(guān)通?？捎糜诮涣骱椭绷鞒潆娖?，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(shè)計(jì)。

　　交流和直流充電器之間的另一個(gè)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(lái)進(jìn)行內(nèi)部配電。CBS50-2P型號(hào)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(jí)和模式 3 交流充電器相同的組件，但也存在一些細(xì)微的差異。 (圖片來(lái)源：TE Connectivity)

　　結(jié)論

　　先進(jìn)的電動(dòng)汽車(chē)充電器設(shè)計(jì)對(duì)于減少里程焦慮和實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車(chē)的大規(guī)模部署至關(guān)重要。這些先進(jìn)的充電器將使用更高的電壓和電流，將充電時(shí)間縮短至約 10 分鐘，使電動(dòng)汽車(chē)充電與內(nèi)燃機(jī)汽車(chē)的加油時(shí)間相當(dāng)。如圖所示，設(shè)計(jì)人員需要各種緊湊、高效且環(huán)保的組件來(lái)實(shí)現(xiàn)快速交流和直流充電器以及未來(lái)幾代 XFC 設(shè)計(jì)。