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電動汽車快充很爽,背后的電路保護(hù)技術(shù)可不簡單!

發(fā)布時(shí)間:2023-03-15 來源:Mouser 責(zé)任編輯:wenwei

【導(dǎo)讀】汽車電氣化時(shí)代已經(jīng)到來,隨之帶來了一波創(chuàng)新技術(shù)的進(jìn)步。然而,在采用這些技術(shù)時(shí),安全是最需要考慮的因素之一。當(dāng)今,電動汽車市場的需求和發(fā)展趨向于減少充電時(shí)間、增加行駛里程,以及質(zhì)量更好的新型電動汽車。然而,減少充電時(shí)間就必須采用更高的系統(tǒng)電壓,增加里程將導(dǎo)致更高的工作電流。這些都對電動汽車在電路保護(hù)設(shè)計(jì)方面提出了更高要求,需要仔細(xì)考慮。


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圖源:JustSuper/adobe.stock.com


在電子產(chǎn)品日益多樣化和復(fù)雜化的今天,能有效防止電子元器件在受到過壓、過流、浪涌、電磁干擾等情況下不受損壞的電路保護(hù)器件,幾乎成為所有電子產(chǎn)品中的標(biāo)配。


根據(jù)Precedence Research的預(yù)測,全球電路保護(hù)市場的價(jià)值將從2021年的445億美元增長到2030年的808.2億美元,從2021年到2030年的復(fù)合年增長率將達(dá)到5.9%。不斷增長的汽車工業(yè),以及消費(fèi)電子產(chǎn)品的廣泛使用是推動市場增長的關(guān)鍵因素之一。隨著自動駕駛汽車、電動汽車和混合動力汽車的持續(xù)增長,現(xiàn)在的汽車充滿了尖端電子設(shè)備,與此同時(shí),對汽車電路保護(hù)的需求正在急劇增加。


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圖1:2020年到2030年全球電路保護(hù)市場趨勢預(yù)測

(圖源:Precedence Research)


電動汽車的充電類型及其功率容量


據(jù)估計(jì),2020年全球范圍內(nèi)道路上行駛的電動汽車(EV)約有550萬輛,到2025年,這個(gè)數(shù)字將超過2,400萬。目前,大規(guī)模推廣電動汽車的一個(gè)重要限制是支持長途旅行所需的公共充電基礎(chǔ)設(shè)施。根據(jù)統(tǒng)計(jì),2020年,全球公共充電樁保有量約為130.8萬臺。遺憾的是,這些充電樁中幾乎沒有一個(gè)能在接近燃油車加油的時(shí)間范圍內(nèi)為電動汽車充滿電。


目前,電動汽車充電樁主要有快充和慢充兩種模式。交流充電樁就是大家俗稱的“慢充樁”,它通過與交流電網(wǎng)連接來提供交流電源。當(dāng)使用交流充電樁進(jìn)行充電時(shí),充滿電量大約需要5-8小時(shí)。直流充電樁也就是我們平時(shí)所說的“快充樁”,即便是最新的大功率直流充電樁也需要30分鐘內(nèi)才能將電動汽車電池充電至80%容量。


當(dāng)前的充電樁主要有三種類型:帶有電纜控制盒(ICCB)的AC1級充電樁主要針對住宅充電;AC2級即適用住宅也可用于公共設(shè)施;第三種類型是用于公共和商業(yè)設(shè)置的直流快速充電站。


AC1


AC1級使用標(biāo)準(zhǔn)120VAC電源插座,對于200km的行程,充電時(shí)間長達(dá)20小時(shí),這些充電樁是最基本的和最便宜的。


AC2


AC2的電源為240VAC及以上,除了公共場所,它們也可以用在家庭的標(biāo)準(zhǔn)240VAC插座中,其充電時(shí)間為5-6小時(shí)(200km行程),根據(jù)充電點(diǎn)的數(shù)量或可用功率,充電成本較高。根據(jù)現(xiàn)場所需的充電點(diǎn)數(shù)量,AC2級交流電源以兩種不同的方式配置,一些是單個(gè)集成(<175kW)電源柜和充電點(diǎn),而另一些則是具有多個(gè)分布式充電點(diǎn)的大型電源柜(>175kW)。


直流快速充電(DCFC)


DCFC是目前最快的電動汽車充電方法(200km需30分鐘),但也是最昂貴的。它們通過AC到DC功率轉(zhuǎn)換模塊連接到電力公用電網(wǎng),輸出直流電壓范圍為120VDC至920VDC,預(yù)計(jì)未來電壓可能會更高。


很顯然,設(shè)計(jì)工程師在開發(fā)充電樁時(shí)必將面臨多重挑戰(zhàn),首當(dāng)其沖的就是安全性,因?yàn)橛脩粼跒檐囕v充電時(shí)必須與超過300kW的充電樁電源連接。其他重要的設(shè)計(jì)參數(shù)還包括降低功耗、在最大溫升下保持高效率,以及暴露在室外的充電樁必須可靠運(yùn)行等。


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圖2:三種主流的充電樁類型

(圖源:CITEL官網(wǎng))


電動汽車中的電路保護(hù)考慮


火災(zāi)是電動汽車供電設(shè)備安裝的首要危險(xiǎn)。雖然火災(zāi)可能由多種原因引起,但最常見的原因是安裝充電樁的建筑物或結(jié)構(gòu)內(nèi)的電線和電源的老化。無論是AC1級還是AC2級充電樁,所有電氣接線應(yīng)滿足電動車輛供電設(shè)備的充電要求,并應(yīng)與每個(gè)設(shè)備的技術(shù)規(guī)范兼容。這里所需的電涌保護(hù)裝置(SPD)的保護(hù)點(diǎn)重點(diǎn)在主配電盤。


根據(jù)IEC 61643-11,在交流網(wǎng)絡(luò)中,產(chǎn)生的雷電電流可達(dá)每相12.5kA。主配電盤輸入端的SPD必須具有抵御雷電等外來強(qiáng)瞬態(tài)電流沖擊的能力。此外,它們還必須無泄漏電流,并且對由于低壓網(wǎng)絡(luò)故障可能出現(xiàn)的短期電壓峰值不敏感。這是確保設(shè)備長使用壽命和高SPD可靠性的有效措施。


涉及電動汽車供電設(shè)備的另一個(gè)潛在危險(xiǎn)是接地故障斷路器(GFCI)故障。標(biāo)準(zhǔn)電動汽車充電樁通過GFCI電源插座連接到其電源,可有效防止電擊的發(fā)生。然而,報(bào)告顯示,在世界一些地區(qū)GFCI斷路器的故障率達(dá)到57%,閃電、老化和磨損等是導(dǎo)致這些設(shè)備故障的主要原因。因此,在安裝電動汽車供電設(shè)備之前,我們還應(yīng)徹底檢查其連接的GFCI,以確保不存在任何損壞。


Phoenix Contact的熱磁設(shè)備斷路器CB TM1 16A F1 P有1個(gè)PDT觸點(diǎn),標(biāo)稱工作電流為16A,絕緣電阻Riso > 100MΩ(500VDC),可靠性高,發(fā)生故障時(shí)可實(shí)現(xiàn)快速熔斷。


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圖3:熱磁設(shè)備斷路器CB TM1 16A F1 P

(圖源:Phoenix Contact)


如前所述,為縮短電動汽車電池的充電時(shí)間,我們可以借助直流充電樁來實(shí)現(xiàn)“快充”。這些充電樁的額定功率高達(dá)350kW,充電電流更是達(dá)到400A。實(shí)際使用中隱藏著一個(gè)巨大的技術(shù)挑戰(zhàn),那就是充電所需的高功率、高電流引發(fā)的過熱問題。因此,必須適當(dāng)監(jiān)測充電樁、連接器系統(tǒng)、母線、電力電子設(shè)備和高壓電池的溫度,以確保充電過程的安全性和有效性。不完善的溫度監(jiān)測可導(dǎo)致系統(tǒng)元件磨損,縮短壽命甚至出現(xiàn)故障。極端情況下,重度過熱還可能導(dǎo)致電池著火。


針對電動汽車的溫度監(jiān)測應(yīng)用,TDK專門開發(fā)了特殊的NTC溫度傳感器,這些傳感器可穩(wěn)定檢測EV電池的充電過程。2021年底,TDK最新推出的L860片式NTC熱敏電阻,可直接嵌入到IGBT功率模塊中,其特性對應(yīng)于常見的MELF-R/T曲線。與其他技術(shù)相比,該方案建立了NTC芯片與功率模塊的出色熱耦合,從而實(shí)現(xiàn)了極短的響應(yīng)時(shí)間和高精度的溫度測量和控制。


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圖4:TDK L860片式NTC熱敏電阻

(圖源:TDK)


對于直流充電樁而言,在與交流電源的連接處,充電樁還需要使用快速作用的大電流保險(xiǎn)絲,以防止過載電流和短路情況的發(fā)生。這個(gè)保險(xiǎn)絲必須具有足夠大的電流中斷額定值,以確保其能可靠工作。


Littelfuse JTD Indicator? POWR-PRO? 保險(xiǎn)絲額定電壓、600A最大額定電流以及IEC Type 2保護(hù)特性。JTD Indicator? POWR-PRO?保險(xiǎn)絲擁有的限流時(shí)間延遲特性,可減少麻煩的保險(xiǎn)絲開路。此外,這些保險(xiǎn)絲均采用緊湊型封裝,易于集成,并提供肉眼可見的燒斷指示和最大的保護(hù)。


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圖5:Littelfuse JTD系列保險(xiǎn)絲

(圖源:Littelfuse)


與交流充電樁一樣,直流充電樁也應(yīng)包含浪涌保護(hù)裝置(SPD),以承受高能瞬態(tài)沖擊。實(shí)際應(yīng)用中也可考慮使用功率TVS二極管以實(shí)現(xiàn)快速響應(yīng)和低電壓箝位,在這里TVS二極管可作為一級浪涌保護(hù)器的二級保護(hù)。


可見,過電壓保護(hù)(OVP)、過電流保護(hù)(OCP)、欠電壓保護(hù)(UVP)和欠電流保護(hù)(UCP)等這些保護(hù)措施,在確保電動汽車充電時(shí)的安全同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。限于篇幅,這里不再進(jìn)行詳細(xì)討論。


結(jié)語


充電裝置和其連接的車輛都具有敏感的電子部件,它們都需要防止過電壓、過流、高溫升、雷電浪涌等因素帶來的沖擊。隨著電動汽車的日益普及,以及新的“快速充電”技術(shù)的推廣,對可靠和安全的充電基礎(chǔ)設(shè)施的需求也在增加,這一趨勢必將利好電路保護(hù)市場。


2021年,全球電路保護(hù)市場規(guī)模達(dá)到428億美元。展望未來,IMARC集團(tuán)預(yù)計(jì),到2027年該領(lǐng)域的市場規(guī)模將達(dá)到579億美元,2022-2027年的復(fù)合年增長率(CAGR)為5.6%,其中電動汽車市場的貢獻(xiàn)功不可沒。


電動汽車是當(dāng)今和未來的熱門話題,其進(jìn)一步發(fā)展取決于及時(shí)建設(shè)適當(dāng)?shù)某潆姌毒W(wǎng)絡(luò)。通用的解決方案常常無法全面涵蓋特殊場景,正如瑞士軍刀無法取代真正精良的工具一樣。對于電動汽車充電樁和電動汽車而言,也許很難在市場上找到理想的、統(tǒng)一的電路保護(hù)方案。但找到最薄弱、最要害的點(diǎn)位,正確評估應(yīng)用場景,并施加正確的保護(hù)措施,就能有效防止故障甚至火災(zāi)的發(fā)生。



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