如何實(shí)施電動(dòng)汽車(chē) (EV) 和及其供電設(shè)備的保護(hù)、輔助電源和連接

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

電動(dòng)汽車(chē) (EV) 在減少溫室氣體 (GHG) 排放以應(yīng)對(duì)氣候變化方面發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。然而，要成功設(shè)計(jì)和部署電動(dòng)汽車(chē)以及諸如電池充電器等電動(dòng)汽車(chē)供電設(shè)備 (EVSE)，設(shè)計(jì)人員必須克服各種各樣的技術(shù)挑戰(zhàn)。想這些挑戰(zhàn)包括過(guò)壓和過(guò)流電路保護(hù)、電磁干擾抑制 (EMI) 、具有寬輸入和寬工作溫度范圍的電源設(shè)計(jì)，以及需要不斷減輕重量以提高電動(dòng)汽車(chē)?yán)m(xù)航能力的需求。

例如，EVSE 系統(tǒng)中的電池管理系統(tǒng) (BMS) 和控制接口需要輔助 AC/DC 電源，這類(lèi)電源的輸入電壓應(yīng)為 85 V 至 305 VAC ，溫度范圍應(yīng)為 -40°C 至 +85°C。為了解決重量問(wèn)題，設(shè)計(jì)人員需要用汽車(chē)級(jí)以太網(wǎng)取代成熟的 CAN 總線，前者可以使用更輕的電纜支持更高的帶寬。

本文將簡(jiǎn)要介紹電動(dòng)汽車(chē)充電器的基本分極。然后討論每種與輔助 AC/DC 電源（輔助電源）相關(guān)的充電器的不同需求，給出過(guò)壓和過(guò)流保護(hù)選項(xiàng)，并介紹如何實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)連接和抑制 EMI 以避免高速信號(hào)失真。以 [Bel Fuse]、[Signal Transformer]、[Stewart Connector]和 [CUI]等供應(yīng)商提供的解決方案為例，說(shuō)明如何解決各種設(shè)計(jì)問(wèn)題。

EV 和 EVSE 充電要求介紹

部署大量 EVSE（包括電池充電器和充電樁）將是電動(dòng)汽車(chē)普及的關(guān)鍵。請(qǐng)注意，EV 電池充電器位于電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)部，而充電樁指的是外部充電站。北美 EV 連接器標(biāo)準(zhǔn) SAE J1772 定義了四種 EV 充電級(jí)別：

• AC 1 級(jí)使用 120 VAC 電壓，輸出高達(dá) 16 A 或 1.9 kW；AC 2 級(jí)使用 208 V 至 240 V AC 電壓，輸出高達(dá) 80 A 或者 19.2 kW
• DC 1 級(jí)使用高達(dá) 1,000 VDC 的電壓，輸出高達(dá) 80 A 或 80 kW
• DC 2 級(jí)使用高達(dá) 1,000 VDC 的電壓，輸出高達(dá) 400 A 或 400 kW

雖然 SAE 分別定義了以上兩個(gè) DC 級(jí)別，但它們經(jīng)常被混用，稱為 3 級(jí)或 DC 快充。除了輸入電壓和功率級(jí)別不同外，AC 充電樁還要求在車(chē)輛中安裝單獨(dú)的車(chē)載充電器 (OBC) ，以處理 AC/DC 轉(zhuǎn)換和 BMS 功能，從而安全高效地為電池組充電。在 DC 快充的情況下，不需要 OBC；功率轉(zhuǎn)換和 BMS 功能都置于充電樁中。每一級(jí)充電都包括了車(chē)輛與充電樁之間的通信（信號(hào)）（圖 1）。

圖 1：電動(dòng)汽車(chē)充電通常分為三個(gè)級(jí)別。第 3 級(jí)（底部）結(jié)合了 SAE J1772 規(guī)定的兩個(gè) DC 充電級(jí)別。（圖片來(lái)源：CUI）

輔助電源需求

根據(jù) SAE J1772 的要求，連接充電樁控制器與車(chē)輛控制器時(shí)，需要通過(guò)輔助電源實(shí)現(xiàn)對(duì)充電樁的一般操作和信號(hào)功能。信號(hào)協(xié)議的目的是利用充電樁和車(chē)輛之間的連續(xù)雙向連接，確保充電的高效性、安全性。

基本電源要求 AC/DC 電源，為信號(hào)傳輸提供 12 VDC 電壓，工作溫度范圍為 -40°C 至 +85°C。完整的解決方案需要有電磁兼容性 (EMC) 和保護(hù)電路，通常還需要單獨(dú)的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，為其他元器件提供較低的電壓，例如向微控制器單元 (MCU) 供電的 3.3 V 電壓。

具體的功率需求取決于充電樁設(shè)計(jì)。例如，1 級(jí)充電器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，對(duì)電源的需求極低，輔助電源可由安裝在印刷電路板（PC 板）上的小型 5 W AC/DC 電源提供。2 級(jí)充電樁較為復(fù)雜，需要約 50 W 的輔助功率。這兩種充電樁都采用單相 AC 輸入，但輸入電壓要求不同：1 級(jí)為 120 V AC ，2 級(jí)為 208 V 至 240 V AC 。

3 級(jí)充電樁則與前兩級(jí)大不相同。充電樁的內(nèi)充電電路使用三相電源，通常為 480 V AC 。輔助電源采用單相電源供電，且需要寬輸入電壓范圍，如 85 V 至 305 V AC 。輸出功率也較高，通常為 150 W 或以上，從而可以實(shí)現(xiàn)更多的功能，包括如支付功能、顯示屏和 BMS 等其他控制功能。該級(jí)充電樁可提供單路輸出，如提供 24 VDC 輸出為整個(gè)系統(tǒng)供電。該系統(tǒng)將通過(guò)一系列分布式 DC/DC 轉(zhuǎn)換器來(lái)提供信號(hào)所需的 12 VDC 電壓，為 BMS 提供單獨(dú)的 12 VDC 電壓，為 MCU 和其他元器件提供 3.3 VDC 電壓。除了 EMC 和標(biāo)準(zhǔn)保護(hù)功能外，這些電源解決方案還需要進(jìn)行功率因數(shù)校正 (PFC) ，以及在開(kāi)啟時(shí)防止高浪涌電流。

輔助電源

對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，好消息是他們不必從頭開(kāi)始構(gòu)建輔助電源。相反，Bel Fuse 旗下的 CUI 部門(mén)現(xiàn)已為各種類(lèi)型的 EV 充電樁提供了現(xiàn)成的解決方案。例如，[PBO 系列] 3 W、5 W、8 W 和 10 W 板載 AC/DC 電源適用于 1 級(jí)充電器。[PBO-5C-12] 型的輸入電壓為 85 V 至 305 V AC ，輸出功率為 5 W，直輸出電壓為 12 V DC ，額定工作溫度范圍為 -40°C 至 +85°C。

二級(jí)充電樁需要更多輔助電源，可使用 [PSK 系列] AC/DC電源，如封閉式 10 W [PSK-10D-12]。該電源在 12 VDC 壓下可提供 830 mA 電流。該電源的輸入電壓范圍和工作溫度與 PBO-5C-12 相同。PBO 和 PSK 系列都提供過(guò)流和短路保護(hù)功能，PSK 系列增加了過(guò)壓保護(hù)功能。

對(duì)于 3 級(jí)充電樁，CUI 的 [VGS 系列]AC/DC 電源可提供高達(dá) 350 W 的功率。這些電源具有短路、過(guò)流、過(guò)壓和過(guò)熱保護(hù)功能，以及浪涌電流限制和有源 PFC 功能。這些電源符合 CISPR/EN55032 B 類(lèi)輻射/傳導(dǎo)排放標(biāo)準(zhǔn)和 IEC 61000-3-2 A 類(lèi)諧波限制標(biāo)準(zhǔn)。[VGS-100W-24]就屬于這類(lèi)電源。該電源的輸出功率為 108 W，輸出電壓為 24 V DC ，典型效率為 89.5%（圖 2）。

圖 2：VGS（左）、PSK（中）和 PBO（右）AC/DC 電源（未按比例繪制）分別適用于 3 級(jí)、2 級(jí)和 1 級(jí) EV 充電樁。（圖片來(lái)源：Jeff Shepard）

過(guò)流保護(hù)

為了給高壓電軌提供過(guò)流保護(hù)，Bel Fuse 提供額定電壓為 240 V、500 V和 1,000 V 的堅(jiān)固快動(dòng)型[陶瓷保險(xiǎn)絲]。這些產(chǎn)品專(zhuān)為 EV 主電池組、接線盒、充電樁和相關(guān)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，符合 JASO D622/ISO 8820-8 公路車(chē)輛保險(xiǎn)絲標(biāo)準(zhǔn)的要求。[0ALEB9100-PD] 型管狀螺栓安裝陶瓷保險(xiǎn)絲的額定電流為 10 A，電壓為 500 V（圖 3）。

圖 3：0ALEB9100-PD 螺栓安裝式陶瓷保險(xiǎn)絲的額定電流為 10 A，電壓為 500 V，適用于各種 EV 應(yīng)用。（圖片來(lái)源：Bel Fuse）

過(guò)溫保護(hù)

過(guò)溫保護(hù)對(duì)于 EV 充電樁和電池組也很重要。針對(duì)這些應(yīng)用，Bel Fuse 提供 [0ZT 系列]高溫自恢復(fù)保險(xiǎn)絲。這些正溫度系數(shù) (PTC) 器件的工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C，可提供實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的過(guò)溫保護(hù)所需的跳閘電流和保持電流。例如，[0ZTH0020FF2E] 的額定電壓為 30 V，跳閘電流為 500 mA，保持電流為 200 mA（圖 4）。與 OZT 系列中的其他 PTC 器件一樣，該器件非常適合在高溫環(huán)境下工作。

圖 4：OZTH0020FF2E 高溫自恢復(fù)保險(xiǎn)絲是用于過(guò)溫保護(hù)的 OZT 系列 PTC 器件的一部分，適用于 EV 充電樁和 BMS。（圖片來(lái)源：Bel Fuse）

連接和完整的信號(hào)

除了輔助電源和保護(hù)功能外，EV 充電樁還需要高速連接和高度的信號(hào)完整性，以確?？煽窟\(yùn)行?；?IEEE 802.3ch 的車(chē)載以太網(wǎng)可輕松滿足這些要求，其數(shù)據(jù)傳輸速率高達(dá) 10 Gbits/s。汽車(chē)以太網(wǎng)正以 1 Mbit/s 的數(shù)據(jù)傳輸速率迅速取代傳統(tǒng)的 CAN 總線。具體原因是，一方面是汽車(chē)以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸率高，另一方面是這種技術(shù)通過(guò)單根非屏蔽雙絞線傳輸數(shù)據(jù)，重量輕且成本低。

隨著 IEEE 802.3dh 將于 2024 年發(fā)布，以太網(wǎng)技術(shù)的使用預(yù)計(jì)將繼續(xù)增長(zhǎng)。該標(biāo)準(zhǔn)將通過(guò)塑料光纖 (POF) 提供多千兆位汽車(chē)以太網(wǎng)。POF 在汽車(chē)應(yīng)用中的一些優(yōu)勢(shì)包括高彈性應(yīng)變極限、高韌性和高柔性，使其成為替代雙絞線以太網(wǎng)布線的良好選擇。

同時(shí)，針對(duì)當(dāng)今的汽車(chē)設(shè)計(jì)，Bel Fuse 的 Stewart Connector 部門(mén)提供符合 SAE/USCAR2-6 標(biāo)準(zhǔn)關(guān)于振動(dòng)和密封要求的汽車(chē)級(jí) RJ45 [以太網(wǎng)模塊連接器]。這類(lèi)連接器采用直角和垂直安裝設(shè)計(jì)，提供多種 LED 配置，工作溫度范圍為 -40°C 至 +100°C。

這些連接器可支持高達(dá) 100 W 的以太網(wǎng)供電 (PoE)。這種 PoE 連接器通常面臨串?dāng)_和回波損耗方面的難題，因此對(duì)其觸點(diǎn)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，以便在高頻應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高性能。這類(lèi)連接器經(jīng)過(guò)優(yōu)化，縮小了體積。

Stewart RJ45 的非 LED 版本（如 [SS-60300-011]）兼容紅外回流焊，而且該系列所有器件的觸點(diǎn)都選擇性地采用 50 微英寸鍍金，以提高性能。SS-60300-011 為水平方向設(shè)計(jì)（圖 5）。

圖 5：SS-60300-011 是一款緊湊型水平以太網(wǎng)連接器，可支持汽車(chē)應(yīng)用中的 PoE。（圖片來(lái)源：Stewart Connector）

為確保信號(hào)完整性，Bel Fuse 的信號(hào)變壓器部門(mén)提供 [SPDL 系列]表面貼裝共模扼流圈，用于抑制差模噪聲的 EMI。該器件能過(guò)濾以太網(wǎng)和其他高速接口上的信號(hào)，幾乎不會(huì)造成信號(hào)失真。這些共模扼流圈的額定電流高達(dá) 6.5 A，阻抗范圍為 90 Ω 至 2200 Ω，工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C。例如，[SPDL3225-101-2P-T] 型器件的電氣額定值為 5100 Ω（典型值）、50 V 和 150 mA（圖 6）。

圖 6：SPDL3225-101-2P-T 表面貼裝共模扼流圈可控制 EMI，并將信號(hào)失真降至最低。（圖片來(lái)源：Signal Transformer）

結(jié)束語(yǔ)

在支持大規(guī)模使用 EV 以及隨之而來(lái)的溫室氣體減排方面，部署 EV 充電樁等 EVSE 系統(tǒng)非常重要。需要一系列既能支持交流慢充，又能支持直流快充的 EV 充電樁類(lèi)型。為確保成功設(shè)計(jì)和安全部署 EV 和 EVSE，設(shè)計(jì)人員可利用現(xiàn)成的專(zhuān)用系統(tǒng)和設(shè)備實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換和輸送、電路保護(hù)以及抑制 EMI。