到 2050 年，環(huán)境政策正在引導我們在世界上大多數(shù)主要城市實現(xiàn)零排放目標。實現(xiàn)零排放交通對于減少許多城市環(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。

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

圖 1：電動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）。

電動車

插電式電動汽車是一種可以從外部電源充電的機動車輛。有兩種基本類型：

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

插電式混合動力電動汽車 (PHEV) 具有基于內(nèi)燃機的推進系統(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) 信號來控制充電周期。

電動汽車充電模式

電動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 標準化的充電站配備了一系列符合汽車標準的連接器。一般來說，電動汽車充電分為三種主要類型，根據(jù)輸出功率和為電動汽車或插電式混合電動汽車電池充電所需的充電時間進行分類。

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)電動汽車充電 80%，具體取決于電池容量。

2 級快速充電結(jié)構(gòu)的功率范圍從 7 kW 到 22 kW，通常可以在三到四個小時內(nèi)為電動汽車充滿電。慢速充電器也常用于過夜、家庭使用。它們的標稱輸出功率約為 3 kW，通常需要 6 到 12 小時才能為純電動汽車提供一個完整的充電器，或者為 PHEV 提供兩到四個小時。

IEC 62196 國際標準對四種充電模式進行了分類，描述了電動汽車和充電設(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)（包括美國和歐洲）禁止使用模式 1。該模式不提供特定保護（除了家用四邊形的磁熱差動保護）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，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)控制和保護裝置（IC-CPD）的電纜用于執(zhí)行差動保護功能。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。

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）分為兩個部分：控制電子設(shè)備和電力電子設(shè)備?？刂撇糠职ㄎ⒖刂破?、驅(qū)動電路和控制導頻?？刂骑w行員主要負責 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)，需要兩個繼電器，以便在出現(xiàn)故障時可以關(guān)閉充電過程。

EV 充電要求剩余電流傳感器滿足新標準，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) 時出現(xiàn)危險情況。傳感器對于檢測泄漏電流至關(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)計非常適合 IC-CPD，但也可以與壁掛式充電盒一起使用，以進行模式 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)的集成初級導體的設(shè)計變體以及直通變體。從熱設(shè)計的角度來看，VAC 4641-X900 能夠承受高達 80 A 的滿載電流。差動電流的測量范圍在 0 到 300 mA 之間。從直流到千赫茲，測量分辨率0.2mA，完全兼容歐美相關(guān)標準。

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 連接器是歐洲的標準連接器，由歐盟指令和若干標準（例如 IEC 61851）確定，供私人或公共使用。在標準的三相系統(tǒng)時間內(nèi)使用 11 kW 到 43 kW 的功率（圖 5），模式 3 在充電時間方面比模式 2 有所改進。

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，增加了人機界面、計費界面和遠程服務(wù)應(yīng)用程序通信等功能。在電力電子方面，模式 3 需要對所有三相進行電流測量，以及在計費過程中進行可靠的電能計量。對于電流測量，VAC 提供基于磁場探頭設(shè)計的閉環(huán)電流傳感器，以實現(xiàn)高測量精度。緊湊型設(shè)計可提供用于直接 PCB 安裝的集成初級導體。標準產(chǎn)品組合范圍廣泛，但 VAC 還可以提供具有成本效益設(shè)計的定制解決方案。VAC 電流互感器允許測量功率，提供具有高動態(tài)范圍和高輸出信號的非常線性的測量。

圖 6：電動汽車充電模式概覽

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)議遠程控制放置在交貨點的電池充電器。根據(jù)使用的系統(tǒng)，充電電壓可達 1,000 V，電流可達 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”，或移動充電），適用于高達 62.5 kW（500 V，125 A）的充電。有了這個系統(tǒng)，

除了這四種模式外，還有其他模式正在測試或等待標準化。使用放置在停車場路面上的特殊板的“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 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水平定義，實現(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