高功率充電樁中的大電流元件哪里找？

電動(dòng)汽車的發(fā)展正在穩(wěn)步駛?cè)肟燔嚨?。根?jù)IEA的《Global EV Outlook 2023》顯示，2022年全球電動(dòng)汽車的銷量突破了1,000萬(wàn)輛，市場(chǎng)滲透率也從2021年的9%增加到了14%；而這一強(qiáng)勁的增長(zhǎng)勢(shì)頭在2023年還將持續(xù)，2023年電動(dòng)汽車銷量將有望達(dá)到1,400萬(wàn)輛，同比增長(zhǎng)35%，滲透率則會(huì)攀升至18%。

電動(dòng)汽車市場(chǎng)快速增長(zhǎng)的驅(qū)動(dòng)力，除了全球節(jié)能減排的大趨勢(shì)以及各個(gè)國(guó)家和地區(qū)的產(chǎn)業(yè)扶持戰(zhàn)略，與電動(dòng)汽車配套的基礎(chǔ)設(shè)施——特別是充電樁——的長(zhǎng)足發(fā)展也是一個(gè)十分關(guān)鍵的因素。

IEA的研究數(shù)據(jù)顯示，截至2022年底，全球共有270萬(wàn)個(gè)公共充電點(diǎn)（Charging Point），其中僅2022年就部署了90多萬(wàn)個(gè)，比2021年的存量增加了約55%；預(yù)計(jì)到2030年，全球電動(dòng)汽車公共充電點(diǎn)的數(shù)量將達(dá)到1,270萬(wàn)個(gè)。

圖1：全球電動(dòng)汽車充電基礎(chǔ)設(shè)置發(fā)展趨勢(shì)

（圖源：IEA）

同樣的趨勢(shì)也在中國(guó)得到印證。根據(jù)中國(guó)充電聯(lián)盟公布的新數(shù)據(jù)，截止到2023年8月，全國(guó)充電基礎(chǔ)設(shè)施累計(jì)數(shù)量達(dá)到了720.8萬(wàn)臺(tái)，同比增長(zhǎng)了67%，以同期新能源汽車銷量測(cè)算，樁車增量比達(dá)到了1:2.7，為電動(dòng)汽車的快速發(fā)展提供了有力的支撐。

充電樁的技術(shù)趨勢(shì)

值得注意的是，今天充電樁市場(chǎng)的發(fā)展不是一個(gè)簡(jiǎn)單數(shù)量上的增加，而是通過(guò)技術(shù)和產(chǎn)品的迭代升級(jí)，不斷提升電動(dòng)汽車用戶的體驗(yàn)，消除他們的里程焦慮。

具體來(lái)講，充電樁技術(shù)的演進(jìn)呈現(xiàn)出兩大趨勢(shì)。第一是充電的全場(chǎng)景覆蓋，即以多樣化的產(chǎn)品，如家用交流樁、公共交流樁、壁掛盒、直流快充樁等，覆蓋家庭、工作和商用場(chǎng)所、加油站、車隊(duì)充電、充電運(yùn)營(yíng)商等不同應(yīng)用場(chǎng)景的需要；同時(shí)，充電樁智能化和網(wǎng)聯(lián)化的趨勢(shì)，也在催生各種新的商業(yè)和運(yùn)營(yíng)模式，讓用戶實(shí)現(xiàn)“隨處可充”的愿望。

另一個(gè)趨勢(shì)就是追求更高的充電功率。這一點(diǎn)很好理解，如果將電動(dòng)汽車的電池類比成燃油車的“油箱”，那么充電功率越大，就能夠在越短的時(shí)間內(nèi)將其“注滿”。顯然，與燃油車只需幾分鐘就能加滿油的體驗(yàn)相比，電動(dòng)汽車以小時(shí)計(jì)算的充電時(shí)間顯然是不能令用戶滿意的，因此提高充電功率也就成了充電樁技術(shù)攻堅(jiān)的重點(diǎn)。

按照充電功率的大小，充電樁可以被分為兩類：一類是有效功率22kW以內(nèi)的慢充樁，一類是功率在22kW到400kW及以上的快充樁。前者通常采用交流充電的方式，將來(lái)自電網(wǎng)的交流電源通過(guò)交流插座或充電樁輸送到汽車中，由車載充電器（OBC）完成AC/DC電源轉(zhuǎn)換，并向電池組提供直流電壓和電流；而后者則是采用直流充電技術(shù)，即在車外充電基礎(chǔ)設(shè)施中完成AC/DC轉(zhuǎn)換，直接通過(guò)直流電壓和電流為電池充電。

由于交流充電受制于車內(nèi)空間等限制，功率難于大幅提升；而直流充電的電源轉(zhuǎn)換在車外，在空間、重量和熱管理等方面的約束條件較為寬松，因此目前提升充電功率的角逐主要集中在直流充電領(lǐng)域，特別是50kW以上的“超快”充電，更是各大廠商力爭(zhēng)的制高點(diǎn)。

圖2：交流充電和直流充電架構(gòu)

（圖源：Yolé Development）

以特斯拉為例，其V3第三代超級(jí)充電站的峰值功率為250kW，補(bǔ)能5分鐘可支持超過(guò)120km的續(xù)航，據(jù)稱下一代V4超級(jí)充電站的充電功率將達(dá)到350kW。

不過(guò)，所有這些令人興奮的技術(shù)路線都不是一蹴而就的，必須從每一個(gè)技術(shù)環(huán)節(jié)入手進(jìn)行同步提升，任何一環(huán)的缺失，都可能成為致命的短板。比如，面對(duì)越來(lái)越高的充電功率，選擇一顆可支持更大電流的被動(dòng)元件，就是一個(gè)新的挑戰(zhàn)。

大電流功率電感的選型

在充電樁的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，功率電感是不可或缺的一個(gè)被動(dòng)元件。而高功率、大電流的應(yīng)用場(chǎng)景，對(duì)于功率電感的性能會(huì)提出新的要求。

這主要是因?yàn)殡姼性木€圈具有一定的電阻，通過(guò)電流時(shí)必然會(huì)產(chǎn)生功率損耗，電流增加后，一方面會(huì)影響電源系統(tǒng)的效率，增加能耗，另一方面則會(huì)導(dǎo)致電感的發(fā)熱升溫，加之汽車應(yīng)用高溫環(huán)境的沖擊，很容易造成電感飽和，影響整體的性能。

此外，充電樁是一種安全和可靠性敏感型的應(yīng)用，在其中工作的功率電感還需要提供出色的磁屏蔽特性，避免EMI問(wèn)題，同時(shí)還要具備強(qiáng)烈振動(dòng)、沖擊、高溫等惡劣環(huán)境的耐受能力。綜合上面這些要求不難看出，一款能夠滿足充電樁應(yīng)用要求、合格的功率電感必須在材料、結(jié)構(gòu)、工藝等方面進(jìn)行綜合優(yōu)化，提供優(yōu)秀的電氣和機(jī)械性能，這樣才能夠保證這一高功率應(yīng)用的要求。

Würth Elektronik的WE-HCF系列SMD大電流電感器就是按照這樣的要求而打造的儲(chǔ)能電感器，其采用2818封裝，支持極高的輸出功率和效率，是DC/DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器等系統(tǒng)的理想選擇。

WE-HCF系列電感器的磁芯采用損耗極低的MnZn材料，磁導(dǎo)率提高了35%，因此電感器可在很寬工作電流范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，其飽和電流可達(dá)75A，比市場(chǎng)上的其它標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品約高出10%。同時(shí)，WE-HCF系列電感器直流電阻降低了10%，額定電流高達(dá)32A，為實(shí)現(xiàn)高效率提供了保障。此外，其還具有磁屏蔽特性，-40°C至 +125°C很寬的工作溫度范圍，因此這種具有高額定電流、高飽和電流特性的功率電感器，非常適合于在充電樁設(shè)計(jì)中使用。

圖3：WE-HCF SMD大電流電感器

（圖源：Würth Elektronik）

如果在追求大電流的同時(shí)，對(duì)于功率電感器的外形尺寸也有更苛刻的要求，那么Würth Elektronik的WE-MAPI微型大電流功率電感器是個(gè)不錯(cuò)的選擇。WE-MAPI系列功率電感器有多種封裝尺寸可供選擇，可至1.6mm x 1.6mm x 1.0mm，是目前市場(chǎng)上尺寸很小的金屬合金電感器之一，而其額定電流可達(dá)14.95A。

圖4：WE-MAPI微型大電流功率電感器

（圖源：Würth Elektronik）

WE-MAPI微型大電流功率電感器主要的特性優(yōu)勢(shì)包括：

• 采用創(chuàng)新的鐵合金磁芯材料，磁芯損耗極低，效率極高。

• 采用創(chuàng)新的無(wú)引線框架設(shè)計(jì)，獲得更佳共面性。

• 繞組與元件之間采用無(wú)焊料或焊點(diǎn)的直接連接，實(shí)現(xiàn)了更高的可靠性。

• 巧妙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯著提高磁芯利用率，以及電流處理能力。

• 更低的寄生電容可實(shí)現(xiàn)更低交流損耗。

• 自屏蔽結(jié)構(gòu)帶來(lái)了極佳的EMI性能。

圖5：WE-MAPI功率電感器具有更低的交流和直流損耗（圖源：Würth Elektronik）

圖6：WE-MAPI功率電感器出色的溫度穩(wěn)定性

（圖源：Würth Elektronik）

圖7：創(chuàng)新的鐵合金磁芯材料實(shí)現(xiàn)了更高磁芯利用率（圖源：Würth Elektronik）

WE-MAPI電感器的其他特性還包括：低可聽(tīng)噪聲、低漏磁噪聲；-40℃至+125℃的寬工作溫度范圍；堅(jiān)固外形，大焊盤設(shè)計(jì)，提供較高的機(jī)械穩(wěn)定性。這些優(yōu)勢(shì)疊加，使其成為了DC/DC轉(zhuǎn)化器和其他高功率、小型化、高效電源系統(tǒng)的不二之選。

大電流PCB端子實(shí)現(xiàn)安全供電

高功率充電樁的設(shè)計(jì)中，開(kāi)發(fā)者需要處理高達(dá)幾十A甚至數(shù)百A的電流，這樣的挑戰(zhàn)會(huì)出現(xiàn)在這個(gè)功率鏈路中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，除了上文提到的電感器，也包括互連元件——如PCB連接端子。

在充電樁大電流端子的選擇上，工程師需要考慮以下三個(gè)方面的問(wèn)題：

大功率連接的效率

隨著電流的提高，即使是很小的連接電阻，也會(huì)導(dǎo)致較大的功耗，并造成發(fā)熱的現(xiàn)象。這對(duì)于節(jié)能和系統(tǒng)的可靠性、安全性，都會(huì)造成不良影響。因此，盡可能降低端接的連接電阻，也就成了衡量大電流端子特性的一個(gè)硬指標(biāo)。

端子連接的環(huán)境耐受性

充電樁的應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，面臨著溫度、濕度、氣體等環(huán)境極端因素的考驗(yàn)，由環(huán)境因素導(dǎo)致的大電流連接點(diǎn)的氧化或腐蝕，會(huì)導(dǎo)致連接效率的下降、功耗的增加，甚至是設(shè)備故障。

端子的裝配工藝

盡管廣泛使用的表面貼裝元件在裝配效率和節(jié)省空間等方面優(yōu)勢(shì)明顯，但是一般來(lái)講，通孔回流焊PCB端子能夠比表面貼裝產(chǎn)品承載更大的電流，同時(shí)具有較高的機(jī)械穩(wěn)定性，當(dāng)然相應(yīng)的裝配成本也會(huì)比較高。如何能夠平衡這些因素，提供一種高性價(jià)比的解決方案，是大電流端子設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要課題。

針對(duì)這些設(shè)計(jì)訴求，Würth Elektronik推出了REDCUBE端子，該系列產(chǎn)品包括四個(gè)子門類，適用于不同的應(yīng)用場(chǎng)景和工藝類型，但都具有低接觸電阻、低自發(fā)熱的特性，這也是支持大電流應(yīng)用的首要條件，比如REDCUBE系列中的PRESS-FIT端子就可傳輸高達(dá)500A的電流。

REDCUBE SMD大電流端子

顧名思義，這是結(jié)合了表面貼裝和大電流支持兩個(gè)特性的產(chǎn)品：其與SMD印刷電路板制造工藝兼容，具有成本效益，同時(shí)可以支持高達(dá)85A的板對(duì)板連接。以7466003R SMD端子為例，其采用M3螺紋端接，黃銅主體和鍍錫工藝確保其良好的接觸特性，在20°C時(shí)額定電流為70A，優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使得端子重量均勻分配，減少表面貼裝時(shí)發(fā)生“立起”的情況，避免出現(xiàn)焊膏可能無(wú)法達(dá)到的“死角”，圓形基底面還有利于提高制造產(chǎn)出率。

圖8：REDCUBE SMD端子

（圖源：Würth Elektronik）

REDCUBE THR通孔PCB端子

REDCUBE THR端子將通孔技術(shù)高機(jī)械穩(wěn)定性的優(yōu)勢(shì)與高效的元件拾放安裝和回流焊工藝相結(jié)合，可提供出色的焊接效果和高達(dá)85A載流能力。REDCUBE THR端子由鍍了錫的實(shí)心黃銅制成，采用M5螺紋端接，與沖壓端子相比，具有更高的載流能力和更好的扭矩承受能力。端子底部的9個(gè)插針排列成3×3的網(wǎng)格，以實(shí)現(xiàn)更佳的可焊性和機(jī)械穩(wěn)定性。同時(shí)，REDCUBE THR端子的外形低矮，有利于端子周圍的氣流流動(dòng)，改善冷卻效果。上述這些優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得REDCUBE THR端子成為大功率、高可靠應(yīng)用的理想選擇。

圖9：REDCUBE THR通孔PCB端子

（圖源：Würth Elektronik）

PRESS-FIT壓接式大電流端子

針對(duì)更大電流的電源和工業(yè)應(yīng)用，Würth Elektronik推出了額定電流高達(dá)500A的 REDCUBE PRESS-FIT端子產(chǎn)品線。不同于其他端子裝配時(shí)采用的焊接工藝，REDCUBE PRESS-FIT采用了一種特殊的壓裝工藝，即將端子通過(guò)機(jī)械方式壓入鍍錫的PCB孔中，端子壓入PCB孔中所產(chǎn)生的摩擦力形成了冷焊連接，連接的接觸電阻僅有200μΩ，且具有氣密性，PCB連接的可靠性也更高——其FIT值是SMD焊點(diǎn)的30倍！一句話總結(jié)：如果你想找一款支持更大電流、更高可靠性和機(jī)械穩(wěn)固性的PCB端子，REDCUBE PRESS-FIT系列無(wú)疑是上佳之選。

圖10：PRESS-FIT壓接式大電流端子

（圖源：Würth Elektronik）

REDCUBE PLUG可插拔端子

在REDCUBE PRESS-FIT壓接式技術(shù)基礎(chǔ)上，Würth Elektronik又開(kāi)發(fā)了一種可插拔的REDCUBE PLUG可插拔端子，其采用無(wú)螺紋的連接方式，無(wú)需工具即可快捷地完成連接操作，并可支持高達(dá)120A的電流。REDCUBE PLUG外殼材料采用玻璃纖維增強(qiáng)塑料，具有高耐熱性，即使在高環(huán)境溫度下也不會(huì)變形。使用時(shí)，只需手動(dòng)按壓端子頂部，就可以將插座完全暴露出來(lái)，方便插入鍍錫插頭；松開(kāi)外殼頂部即可將插頭鎖住，操作十分便利。在需要較頻繁配置和維修的連接場(chǎng)景中，REDCUBE PLUG可插拔端子帶來(lái)的價(jià)值顯而易見(jiàn)。

圖11：REDCUBE PLUG可插拔端子

（圖源：Würth Elektronik）

可見(jiàn)，有了上述這幾類REDCUBE端子，在充電樁的設(shè)計(jì)中，無(wú)論遇到什么樣的電流等級(jí)、裝配工藝、可靠性等要求，工程師都能夠輕松應(yīng)對(duì)。

本文小結(jié)

電動(dòng)汽車的火爆，也在推動(dòng)充電樁市場(chǎng)的繁榮。在可以預(yù)見(jiàn)的未來(lái)，無(wú)論是便捷的家用壁掛式充電盒，還是數(shù)百kW的超快直流充電樁，都將有巨大的市場(chǎng)增長(zhǎng)空間，同時(shí)對(duì)于高功率、大電流功率元件的需求也會(huì)持續(xù)加碼。

圖12：Würth Elektronik充電樁整體解決方案

（圖源：Würth Elektronik）

Würth Elektronik已經(jīng)針對(duì)這一市場(chǎng)做好了產(chǎn)品布局，從大電流功率電感器到PCB端子，都可提供成熟的解決方案供工程師選擇。因此，為高功率充電樁開(kāi)發(fā)選料時(shí)，想找大電流元件，往這兒瞧準(zhǔn)沒(méi)錯(cuò)！

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