【導讀】汽車電氣化時代已經(jīng)到來，隨之帶來了一波創(chuàng)新技術(shù)的進步。然而，在采用這些技術(shù)時，安全是最需要考慮的因素之一。當今，電動汽車市場的需求和發(fā)展趨向于減少充電時間、增加行駛里程，以及質(zhì)量更好的新型電動汽車。然而，減少充電時間就必須采用更高的系統(tǒng)電壓，增加里程將導致更高的工作電流。這些都對電動汽車在電路保護設(shè)計方面提出了更高要求，需要仔細考慮。
圖源：JustSuper/adobe.stock.com
在電子產(chǎn)品日益多樣化和復雜化的今天，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器件，幾乎成為所有電子產(chǎn)品中的標配。
根據(jù)Precedence Research的預(yù)測，全球電路保護市場的價值將從2021年的445億美元增長到2030年的808.2億美元，從2021年到2030年的復合年增長率將達到5.9%。不斷增長的汽車工業(yè)，以及消費電子產(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，對汽車電路保護的需求正在急劇增加。
圖1：2020年到2030年全球電路保護市場趨勢預(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，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，這個數(shù)字將超過2,400萬。目前，大規(guī)模推廣電動汽車的一個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，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能在接近燃油車加油的時間范圍內(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。當使用交流充電樁進行充電時，充滿電量大約需要5-8小時。直流充電樁也就是我們平時所說的“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級使用標準120VAC電源插座，對于200km的行程，充電時間長達20小時，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準240VAC插座中，其充電時間為5-6小時（200km行程），根據(jù)充電點的數(shù)量或可用功率，充電成本較高。根據(jù)現(xiàn)場所需的充電點數(shù)量，AC2級交流電源以兩種不同的方式配置，一些是單個集成（<175kW）電源柜和充電點，而另一些則是具有多個分布式充電點的大型電源柜（>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)計未來電壓可能會更高。
很顯然，設(shè)計工程師在開發(fā)充電樁時必將面臨多重挑戰(zhàn)，首當其沖的就是安全性，因為用戶在為車輛充電時必須與超過300kW的充電樁電源連接。其他重要的設(shè)計參數(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行等。
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考慮
火災(zāi)是電動汽車供電設(shè)備安裝的首要危險。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)與每個設(shè)備的技術(shù)規(guī)范兼容。這里所需的電涌保護裝置（SPD）的保護點重點在主配電盤。
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)備的另一個潛在危險是接地故障斷路器（GFCI）故障。標準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，報告顯示，在世界一些地區(qū)GFCI斷路器的故障率達到57%，閃電、老化和磨損等是導致這些設(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PDT觸點，標稱工作電流為16A，絕緣電阻Riso > 100MΩ（500VDC），可靠性高，發(fā)生故障時可實現(xiàn)快速熔斷。
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間，我們可以借助直流充電樁來實現(xiàn)“快充”。這些充電樁的額定功率高達350kW，充電電流更是達到400A。實際使用中隱藏著一個巨大的技術(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，從而實現(xiàn)了極短的響應(yīng)時間和高精度的溫度測量和控制。
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絲，以防止過載電流和短路情況的發(fā)生。這個保險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? 保險絲額定電壓、600A最大額定電流以及IEC Type 2保護特性。JTD Indicator? POWR-PRO?保險絲擁有的限流時間延遲特性，可減少麻煩的保險絲開路。此外，這些保險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。
圖5：Littelfuse JTD系列保險絲
（圖源：Littelfuse）
與交流充電樁一樣，直流充電樁也應(yīng)包含浪涌保護裝置（SPD），以承受高能瞬態(tài)沖擊。實際應(yīng)用中也可考慮使用功率TVS二極管以實現(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器的二級保護。
可見，過電壓保護（OVP）、過電流保護（OCP）、欠電壓保護（UVP）和欠電流保護（UCP）等這些保護措施，在確保電動汽車充電時的安全同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。限于篇幅，這里不再進行詳細討論。
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市場。
2021年，全球電路保護市場規(guī)模達到428億美元。展望未來，IMARC集團預(yù)計，到2027年該領(lǐng)域的市場規(guī)模將達到579億美元，2022-2027年的復合年增長率（CAGR）為5.6%，其中電動汽車市場的貢獻功不可沒。
電動汽車是當今和未來的熱門話題，其進一步發(fā)展取決于及時建設(shè)適當?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)一的電路保護方案。但找到最薄弱、最要害的點位，正確評估應(yīng)用場景，并施加正確的保護措施，就能有效防止故障甚至火災(zāi)的發(fā)生。
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