作者：Jeff Shepard

　　电动汽车 (EV) 充电解决方案需要一系列电源转换技术来支持家庭和办公室充电器的交流 (AC) 设计，以及用于长途旅行充电的直流 (DC) 快速充电系统。所有类型的电动汽车充电器之间的共同点是需要各种接触器、继电器、连接器和无源元件，以支持当前的高电压和电流，并提供支持更快充电所需的紧凑设计和高效率。 、更安全、更小、高效、灵活的电动汽车充电基础设施。

　　设计高效、灵活的电动汽车充电器需要各种紧凑的高压设备。这些设备必须具有低电阻，并且运行可靠、安全。在某些情况下，这些设备在暴露于恶劣的工作环境时还需要较长的电气开关寿命。一些安全设备(例如紧急关闭开关)需要符合 IP67 标准。其他产品，例如电磁干扰 (EMI) 滤波器、端子块和接触器，必须具有特定的国际性能认证。

　　本文概述了交流和直流电动汽车充电器设计以及一些相关的区域标准。它回顾了对更高功率电动汽车充电器的需求，并展望了极快速充电(XFC)的未来。最后简要介绍了接触器、继电器、连接器、功率电阻器、开关、EMI 滤波器和电源块互连系统在 EV 充电系统中的用途，并包含TE Connectivity示例产品的链接。

　　地区标准

　　有多种标准定义了交流和直流电动汽车充电。每个地区都有自己的做法。在北美 (NA)，SAE J1772 描述了电动汽车充电的三种级别，而欧洲使用 IEC 61851，并详细说明了四种充电模式。中国的交流和直流充电标准为 GB/T 20234，而日本的交流充电标准为日本汽车研究所 (JARI) 标准，直流充电标准为 CHAdeMO。交流充电通常使用高达 22 kW 左右的功率，而直流充电可提供更多功率。此外，交流充电需要板载充电器 (OBC)，而直流充电器则直接连接到电池组(图 1)。对北美和欧洲充电标准的简要比较将为下一节有关充电器设计和用例的内容提供背景。

　　图 1：交流充电使用 OBC，而直流充电则直接向电池供电。 (图片来源：TE Connectivity)

　　NA 有两个级别的交流充电。 1 级使用墙壁插座提供高达 1.9 kW 的功率，而 2 级使用充电站提供高达 19.2 kW 的功率。 1 级充电器主要用于住宅，而 2 级充电器则用于住宅和商业环境。欧洲有三种交流充电模式。模式 1 类似于 NA 中的 Level 1，而模式 3 类似于 NA Level 2。欧洲还有一种中间类型，即模式 2，它使用与模式 1 类似的壁式插头，但在连接电缆上增加了保护电路，使其能够提供两倍的传输速率。力量。

　　快还不够

　　快速交流充电器(例如北美的 2 级充电器和欧洲的模式 3)比需要 10 至 12 小时才能将电动汽车充满电的替代品更快。也就是说，快速交流电仍然需要几个小时才能为耗尽的电池组充电，这在汽车长时间停放在办公室、家里或其他地点的情况下非常有用。然而，它的速度仍然不够快，不足以显着减少电动汽车驾驶员的里程焦虑。

　　这就是开发高功率模式 3 交流充电器和 4 级直流充电器的原因。直流快速充电的充电速率取决于充电器的可用电流和电池组的电压。直流快速充电器最初是为 400 V 电池组开发的。使用 400 V、200 A 充电器实现 80% 的充电大约需要 50 分钟。将电流提高到 350 A 具有挑战性，但这样做可以在大约 29 分钟内为 400 V 电池组提供 80% 的电量。尽管提高电流会减少必要的充电时间，但要使电动汽车充电成为其他充电方法的省时替代方案，还需要付出更多努力。目标是充电时间为 10 分钟，大约与给内燃机 (ICE) 车辆加油所需的时间相同。

　　直流快速充电的下一阶段将是极快速充电(XFC)。为了达到 XFC，电池组电压从 400 V 升至 800 V，并且即将推出 1 kV 电池组。 XFC 充电器技术正在开发中，可在 350 至 500 A 电流下提供 1 kV 电压，将充电时间缩短至 10 分钟或更短。随着 XFC 的进步，里程焦虑将成为过去。

　　除了开发 XFC 技术外，设计人员还迫切需要紧凑的设计和高效率，以支持更安全、更小、更高效和灵活的电动汽车充电。这需要先进的组件和先进的设计。

　　图 2：需要先进的组件来开发更紧凑、更高功率的电动汽车充电解决方案。 (图片来源：TE Connectivity)

　　进入狭小的空间

　　XFC 充电器设计正在使用碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 功率半导体进行开发，可提供高效、紧凑的功率转换解决方案。然而，功率转换只是电动汽车充电器设计的要素之一。

　　电动汽车充电器需要紧凑且坚固的电路板和信号连接器来进行控制和监控。他们需要节省空间的继电器和接触器，能够处理与快速充电机制相关的更高电压。电动汽车充电器中的功率电阻器需要高绝缘电阻、低表面温度、优异的电阻温度系数 (TCR) 性能、在有限空间内耗散高功率的能力以及防火结构。

　　辅助电源和其他电路依赖于紧凑型电磁干扰 (EMI) 滤波器来消除对控制逻辑和监控电路的干扰。为了承受恶劣的环境，需要具有 IP65 防护等级和足够的驱动力以防止意外切换的紧急关闭开关。

　　2 级/模式 3 交流充电器

　　下面列出了设计 2 级和模式 3 交流充电器时所需的一些关键组件的详细信息。列出的数字对应于下面图 3 中圈出的数字。

　　功率继电器(如 TE 的T92 系列)用作交流充电站的主开关。这些两极单掷 (DPST) 继电器的额定电流高达 50 A，设计用于极端温度。T92HP7D1X-12型号经过优化，具有卓越的热性能，额定电流为 50 A 和 600 Vac，温度高达 85 °C。

　　需要使用TE Dynamic Mini系列等电路板和信号连接器来支持内部 PCB 电源和信号连接。这些连接器包括一个可发声的强制闭锁机构，以方便现场安装和维护。它们的额定工作温度范围为 -40 至 125 °C，以满足交流充电装置的需求。例如，型号1-2834461-2在 0.071 英寸(1.8 毫米)中心线上有 12 个位置。

　　功率电阻器对于监控、管理和确保安全运行非常重要。它们必须具有高绝缘电阻、低 TCR(如 300 ppm/°C)、低表面温升和防火结构。 TE 的SQ 系列(如 1 Ω ±5% 5W 型号SQPW51R0J)适合在交流充电器中使用。

　　紧急停止开关对于交流充电器的安全非常重要。 TE 提供带照明和不带照明版本的PBE16 系列按钮紧急停止开关。这些开关符合 IEC 60947-5-1 和 IEC 60947-5-5 要求。例如，型号PBES16L1CR的防护等级为 IP 65，驱动力为 20 牛顿 (N)，以避免意外驱动。

　　充电站的辅助电源需要 EMI 滤波器，以防止对用于电力监测和控制的数字电路的运行产生干扰。还需要辅助电源来驱动功率转换部分中的功率半导体的电源。 TE 的6609065-3型号是一款单相 EMI 滤波器，250 Vac、50 或 60 Hz 时的额定电流为 6 A。

　　最后，需要电气解决方案来进行接线和面板识别，以加快现场组装和维护速度。这些标签必须易于安装且高度耐用。例如，TE 的PL-027008-2.5-9是一种聚酯不干胶标签，设计用于电动汽车充电站等电气柜。

　　图 3：2 级和模式 3 交流充电器所需的关键组件。 (图片来源：TE Connectivity)

　　快速和 XFC DC

　　从较高的层面来看，2 级和模式 3 交流充电器所需的组件类型似乎与快速直流充电器中使用的组件类型相似。但是，两者之间存在一些微妙而明显的差异。

　　交流充电站通常使用继电器进行功率控制，而直流充电器则需要接触器。尽管继电器和接触器都是使用 12 Vdc 等低电压来切换较高电压电路的开关，但这些器件使用针对不同电压和电流水平进行优化的不同触点结构。继电器的额定电压通常高达 600 V，而接触器的额定电压为 800 V 及更高。此外，继电器通常仅限于数十安培，而接触器则可切换数百安培。例如，TE 的EV200AAANA接触器的额定电压为 900 V 和 500 A，适用于快速直流充电器。

　　直流充电器中使用的信号连接器和功率电阻与交流设计中使用的不同。直流充电器涉及更复杂的控制，例如交流设计中缺少的与电动汽车电池组的通信。交流和直流充电器都受益于使用中心线为 0.050” x 0.050” (1.00 mm x 1.00 mm) 的板对板细间距连接器，但直流充电器可能需要更高的引脚数，例如 30 位 1MM-R- D15- VS-00-F-TBP。

　　此外，直流充电器的更高功率水平可以受益于铝壳功率电阻器(例如TE 的HS 系列)。这些线绕电阻非常稳定，可以在有限的空间内以相对较低的表面温度耗散高功率。例如，型号HSA1010RJ的额定值为 10 Ω ±5% 和 10 W。该系列中的其他型号的额定值为高达 82 kΩ 和高达 300 W。

　　尽管相同类型的紧急关闭开关通常可用于交流和直流充电器，但在 EMI 滤波器的情况下，直流充电器可能需要更大的滤波器或更多的滤波器，具体取决于设计。

　　交流和直流充电器之间的另一个区别是，直流充电器需要电源端子块(例如 TE 的ENTRELEC 紧凑型电源块)来进行内部配电。CBS50-2P型号的额定电流为 150 A，额定电流为 1 kV。

　　图 4：快速直流充电器需要许多与 2 级和模式 3 交流充电器相同的组件，但也存在一些细微的差异。 (图片来源：TE Connectivity)

　　结论

　　先进的电动汽车充电器设计对于减少里程焦虑和实现电动汽车的大规模部署至关重要。这些先进的充电器将使用更高的电压和电流，将充电时间缩短至约 10 分钟，使电动汽车充电与内燃机汽车的加油时间相当。如图所示，设计人员需要各种紧凑、高效且环保的组件来实现快速交流和直流充电器以及未来几代 XFC 设计。