到 2050 年，環(huán)境政策正在引導(dǎo)我們?cè)谑澜缟洗蠖鄶?shù)主要城市實(shí)現(xiàn)零排放目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)零排放交通對(duì)于減少許多城市環(huán)境中存在的污染空氣顆粒物并控制相關(guān)的健康問題至關(guān)重要。為此，出現(xiàn)了支持電動(dòng)汽車 (EV) 快速充電基礎(chǔ)設(shè)施的創(chuàng)業(yè)和技術(shù)戰(zhàn)略。

中國(guó)是蓬勃發(fā)展的電動(dòng)汽車行業(yè)的領(lǐng)先市場(chǎng)，其次是美國(guó)和歐洲。政府的雄心壯志正在推動(dòng)中國(guó)的電動(dòng)汽車發(fā)展勢(shì)頭。該國(guó)的目標(biāo)是在未來兩年內(nèi)使道路上的電動(dòng)汽車數(shù)量超過 600 萬輛。由于電動(dòng)汽車中的電池仍然龐大且昂貴，因此現(xiàn)在的重點(diǎn)是建立高效的充電基礎(chǔ)設(shè)施。先進(jìn)的磁性元件可以幫助設(shè)計(jì)人員為不斷發(fā)展的充電網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的安全性、可靠性和高性能。

圖 1：電動(dòng)汽車中使用的傳感器和設(shè)備

微控制器、用于電源控制的電源管理 IC 和各種傳感器完善了 EV 的電子生態(tài)系統(tǒng)（圖 1）。

電動(dòng)車

插電式電動(dòng)汽車是一種可以從外部電源充電的機(jī)動(dòng)車輛。有兩種基本類型：

純電動(dòng)汽車 (BEV) 是完全電動(dòng)的，沒有內(nèi)燃機(jī)。他們從外部電源中獲得所需的所有能量。

插電式混合動(dòng)力電動(dòng)汽車 (PHEV) 具有基于內(nèi)燃機(jī)的推進(jìn)系統(tǒng)，該系統(tǒng)與電氣管理系統(tǒng)協(xié)同工作。充電控制由電動(dòng)汽車和充電站之間的通信協(xié)議支持。該協(xié)議使用脈寬調(diào)制 (PWM) 信號(hào)來控制充電周期。

電動(dòng)汽車充電模式

電動(dòng)汽車充電站是為汽車電池提供電能的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。根據(jù) IEC 61851 標(biāo)準(zhǔn)化的充電站配備了一系列符合汽車標(biāo)準(zhǔn)的連接器。一般來說，電動(dòng)汽車充電分為三種主要類型，根據(jù)輸出功率和為電動(dòng)汽車或插電式混合電動(dòng)汽車電池充電所需的充電時(shí)間進(jìn)行分類。

快速充電模型可以是交流電或直流電。最快的交流充電器的標(biāo)稱輸出功率約為 40 kW，而大多數(shù)快速直流充電器的最小輸出功率為 50 kW。兩者都可以在大約 40 到 60 分鐘內(nèi)為大多數(shù)電動(dòng)汽車充電 80%，具體取決于電池容量。

2 級(jí)快速充電結(jié)構(gòu)的功率范圍從 7 kW 到 22 kW，通?？梢栽谌剿膫€(gè)小時(shí)內(nèi)為電動(dòng)汽車充滿電。慢速充電器也常用于過夜、家庭使用。它們的標(biāo)稱輸出功率約為 3 kW，通常需要 6 到 12 小時(shí)才能為純電動(dòng)汽車提供一個(gè)完整的充電器，或者為 PHEV 提供兩到四個(gè)小時(shí)。

IEC 62196 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)對(duì)四種充電模式進(jìn)行了分類，描述了電動(dòng)汽車和充電設(shè)備的一般特性。模式 1 是一種低電流交流充電方法，主要用于輕型車輛，例如輕便摩托車。出于安全原因，在某些地區(qū)（包括美國(guó)和歐洲）禁止使用模式 1。該模式不提供特定保護(hù)（除了家用四邊形的磁熱差動(dòng)保護(hù)）或車輛與充電硬件結(jié)構(gòu)之間的任何通信。

模式 2 是一種 AC 方法，用作臨時(shí)解決方案。它是介于模式 1 和模式 3（稍后描述）之間的中間模式。當(dāng)必須使用合適的低功率適配器為配備模式 3 充電的車輛充電時(shí)，使用模式 2。它依賴于通用的 Schuko 連接器。配備電纜內(nèi)控制箱（ICCB）或電纜內(nèi)控制和保護(hù)裝置（IC-CPD）的電纜用于執(zhí)行差動(dòng)保護(hù)功能。此模式主要用于家庭加注或偶爾或緊急加注，通常用于公寓和商業(yè)停車場(chǎng)。

圖 2：IC-CPD 的一般框圖

IC-CPD 非常適合靈活、安全地為車輛充電。IC-CPD 控制系統(tǒng)（圖 2）分為兩個(gè)部分：控制電子設(shè)備和電力電子設(shè)備。控制部分包括微控制器、驅(qū)動(dòng)電路和控制導(dǎo)頻?？刂骑w行員主要負(fù)責(zé) EV 和能源之間的通信，處理可能流過的最大允許電流為電池充電。在圖 2 的電力電子側(cè)，需要兩個(gè)繼電器，以便在出現(xiàn)故障時(shí)可以關(guān)閉充電過程。

EV 充電要求剩余電流傳感器滿足新標(biāo)準(zhǔn)，包括 IEC 62752 和 IEC 60364-7-722，并避免在車輛電池 (DC) 連接到家用電源 (AC) 時(shí)出現(xiàn)危險(xiǎn)情況。傳感器對(duì)于檢測(cè)泄漏電流至關(guān)重要，這些泄漏電流可以通過 IC-CPD 流入電池，然后流入 A 型剩余電流裝置 (RCD)，從而關(guān)閉 RCD 的安全功能。Vacuumschmelze (VAC) 提供一種基于磁門原理的傳感器，即使在惡劣的電氣和環(huán)境條件下也能提供出色的分辨率和精度（圖 3 和圖 4）。這種緊湊的傳感器設(shè)計(jì)非常適合 IC-CPD，但也可以與壁掛式充電盒一起使用，以進(jìn)行模式 3 充電。

圖 3：Vacuumschmelze VAC 4641-X900 傳感器的典型應(yīng)用

將 VAC 差分電流 (DI) 傳感器集成到 IC-CPD 或壁裝盒中，可以以低成本為 EV 充電電子設(shè)備提供全電流靈敏度和電氣安全性。如果傳感器檢測(cè)到故障電流，相應(yīng)的輸出將改變其狀態(tài)。提供用于單相或三相系統(tǒng)的集成初級(jí)導(dǎo)體的設(shè)計(jì)變體以及直通變體。從熱設(shè)計(jì)的角度來看，VAC 4641-X900 能夠承受高達(dá) 80 A 的滿載電流。差動(dòng)電流的測(cè)量范圍在 0 到 300 mA 之間。從直流到千赫茲，測(cè)量分辨率0.2mA，完全兼容歐美相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

圖 4：VAC 4641-X900 傳感器內(nèi)部

模式 3 是推薦的日常充電交流方式，包括重要的智能控制功能。模式 3 類型 2 連接器是歐洲的標(biāo)準(zhǔn)連接器，由歐盟指令和若干標(biāo)準(zhǔn)（例如 IEC 61851）確定，供私人或公共使用。在標(biāo)準(zhǔn)的三相系統(tǒng)時(shí)間內(nèi)使用 11 kW 到 43 kW 的功率（圖 5），模式 3 在充電時(shí)間方面比模式 2 有所改進(jìn)。

圖5：公共充電站框圖

模式 3 的控制電子設(shè)備更加復(fù)雜，增加了人機(jī)界面、計(jì)費(fèi)界面和遠(yuǎn)程服務(wù)應(yīng)用程序通信等功能。在電力電子方面，模式 3 需要對(duì)所有三相進(jìn)行電流測(cè)量，以及在計(jì)費(fèi)過程中進(jìn)行可靠的電能計(jì)量。對(duì)于電流測(cè)量，VAC 提供基于磁場(chǎng)探頭設(shè)計(jì)的閉環(huán)電流傳感器，以實(shí)現(xiàn)高測(cè)量精度。緊湊型設(shè)計(jì)可提供用于直接 PCB 安裝的集成初級(jí)導(dǎo)體。標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品組合范圍廣泛，但 VAC 還可以提供具有成本效益設(shè)計(jì)的定制解決方案。VAC 電流互感器允許測(cè)量功率，提供具有高動(dòng)態(tài)范圍和高輸出信號(hào)的非常線性的測(cè)量。

圖 6：電動(dòng)汽車充電模式概覽

模式 4 是目前直流最快的充電方式。目標(biāo)是在 15 分鐘內(nèi)為大約 80% 的電池充電。典型的充電功率介于 150 kW 和 400 kW 之間（圖 6）。

在模式 1、2 和 3 中，電池充電器電路安裝在車輛上并直接由電源電壓 (220/400 V) 供電。在模式 4 中，充電器安裝在充電站中。因此，汽車以直流電充電至蓄電池的實(shí)際充電電壓。但是電壓是由汽車的控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)的，它可以使用合適的通信協(xié)議遠(yuǎn)程控制放置在交貨點(diǎn)的電池充電器。根據(jù)使用的系統(tǒng)，充電電壓可達(dá) 1,000 V，電流可達(dá) 400 A；通常需要冷卻以保持較低的電池溫度。目前用于模式 4 充電的系統(tǒng)是 CHAdeMO（“CHArge de MOve”，或移動(dòng)充電），適用于高達(dá) 62.5 kW（500 V，125 A）的充電。有了這個(gè)系統(tǒng)，

除了這四種模式外，還有其他模式正在測(cè)試或等待標(biāo)準(zhǔn)化。使用放置在停車場(chǎng)路面上的特殊板的“無線”（感應(yīng)式、電容式）充電方法越來越相關(guān)。帶有“槳”的感應(yīng)充電基于沒有電觸點(diǎn)的插入式連接器。隨著直流低壓配電網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，使用固定充電電壓的未調(diào)節(jié)直流充電是未來潛在的有趣選擇。

圖 7：直流充電站的一般框圖

圖 7 顯示了直流充電站的框圖。電力電子設(shè)備中需要一個(gè) AC/DC 轉(zhuǎn)換器。電源變壓器可保證 IEC 61851 定義的安全電流隔離。材料選擇由淺損耗和高激勵(lì)水平定義，實(shí)現(xiàn)了非常緊湊的低散熱解決方案。納米晶 VAC 解決方案表現(xiàn)出較低的能量損失，以適應(yīng) EV 應(yīng)用。

審核編輯：劉清