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您的電動汽車充電系統具有適當的安全性,有效性和可靠性?
 

【作者: Littelfuse】   2019年05月02日 星期四

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EV充電站有許多不同類型,並為車輛提供不同的充電速度。大多數充電器可分為以下兩種類型:


1.交流充電器,通過公用電力向車輛的車載充電器提供交流(AC)電源


2.直流充電器,繞過車載充電器,為車載電池系統提供直流(DC)電源。


一些充電器可以提供在同一單元內執行交流或直流充電的方法。交流和直流充電器還基於它們提供的不同功率水準,以及充電站和車輛之間發生的通信類型,進一步分類為子類型。雖然電動汽車充電站在結構上可能有所不同,但它們必須滿足三個基本目標,才能成為保持電動汽車在道路上行駛的可行解決方案。它們必須是為了安全、高效和可靠而設計的。



圖一 : 電動汽車充電站在結構上可能有所不同,但它們必須滿足三個基本目標--安全、高效和可靠性。
圖一 : 電動汽車充電站在結構上可能有所不同,但它們必須滿足三個基本目標--安全、高效和可靠性。

本文概述了市場上不同類型的電動汽車充電站,展示了常見的結構以及如何將安全性,效率和可靠性整合到最佳設計中。


交流充電站

交流充電站的作用是安全地從公用電源(電網)向車輛內部的車載充電器提供電力。 車載充電器可將交流電源轉換為直流電源,為車輛電池充電。 由於車輛中的空間和重量限制,車載充電器和交流充電站通常限於較低的功率量(22kW或更低),這意味著緩慢的充電時間(幾個小時)。


額定用於交流保護的熔斷器用於限制在系統發生故障或故障時可能流過的短路或超載電流量。如果由於絕緣層的磨損或電導體的腐蝕或氧化導致佈線和印刷電路板帶有超過預期的電流,熔斷器也可以保護設備本身免受火災危險。為了方便和易於維護,一些熔斷器和熔斷器座具有指示功能,以告知您熔斷器是否已經打開以及哪一個已經打開。


接地故障是使用者或設備損壞的另一種電擊風險。接觸潮濕,接線錯誤和接線絕緣性能下降只是導致接地故障的部分原因。如果使用者可以觸摸的部分電動充電系統的洩漏電流沒有限制安全水準,則存在電擊風險。此外,流到地/地面的過量洩漏電流可能會導致電弧產生足夠的能量來破壞設備並可能損壞設備附近的任何物體。 接地故障繼電器是用於檢測這些類型故障的器件,表明需要採取適當的行動,這往往涉及斷開電源。


除安全性外,電動汽車充電站在室外環境中的設備性能和可靠性是其長期生存的關鍵。交流電網上的電氣瞬變,如雷擊引起的浪湧,或由於電網上其它負載引起的電壓波動,對電動汽車充電站的敏感電子器件來說往往是個問題。


過電壓保護器件,如金屬氧化物壓敏電阻(MOV)和瞬態電壓抑制器(TVS)二極體,在吸收電網瞬態能量和保護負載端敏感系統方面有重要作用。靜電放電(ESD)事件對於交流充電站的一些“智慧”功能也是有影響的,例如帶有觸控式螢幕的用戶顯示器、通訊連接埠以及用於無線支付和通信系統的天線。TVS二極體和聚合物ESD抑制器通常是降低ESD事件相關風險的首選解決方案。


直流充電站

直流充電站的作用是將電源從電網(交流電源)轉換成直流電源,可以直接輸入到車輛的電池系統中,以便對電池進行充電。由於交流電源向直流電源的轉換是在充電站進行的,因此與交流充電站相比,這些裝置可以向車輛提供更高水準的功率(50kW至350kW以及更高)。 這意味著更快的充電時間(30分鐘或更短)。


圖二 : Littelfuse的應用專業知識有助於為電動汽車充電站設計一些最有效的下一代電源轉換器。
圖二 : Littelfuse的應用專業知識有助於為電動汽車充電站設計一些最有效的下一代電源轉換器。

由於直流充電站連接到交流電網,額定用於交流保護的熔斷器也有助於連接到電網。 這些交流熔斷器往往較大,因為大多數直流充電器安裝在三相市電電源上(與交流充電器的單相供電連接相反)。


此外,對地/接地故障保護是整合到直流充電站設計中的重要特徵,不僅適用於交流電網側,還適用於直流輸出側。大多數直流充電器設計為了與交流電網電氣隔離,因此直流側必須保持與其它線路一切隔離,包括接地。用於直流電壓系統的接地故障繼電器有助於檢測是否發生了電氣故障,其中隔離的直流側具有到地/地面的洩漏路徑。這些系統通常用於最大限度地降低對用戶造成電擊危險的風險。


在直流充電站的設計中,除了安全性外,功率轉換效率也是一個很大的挑戰。設計的有效性通常是由充電器能提供給車輛的功率與它從交流電網獲得的功率大小來衡量的。


直流充電站往往採用幾個階段的交流/直流和直流/直流轉換,以獲得最佳的性能水準,同時最小化整個系統的尺寸和成本。功率轉換過程中的效率從功率半導體開始。功率半導體用於開關電源並改變功率流的方向,以產生可轉換為不同電壓或電流水準的交流電級。


功率半導體中的這種切換動作導致溫度升高,該升溫狀況最終消耗到周圍環境並且會減少可用於輸送到車輛的功率。二極體,絕緣柵雙極電晶體(IGBT)和金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)的新增強功能使這些器件變得更加高效。


此外,碳化矽等寬頻隙技術的商業化已經幫助新一代半導體將其開關損耗降至目前市場中的最低水準。隨著這些功率半導體器件的不斷發展,用於開關這些器件的驅動電路類型也在不斷發展。較新的IGBT和MOSFET柵極驅動器正在突破界限,在低壓驅動電路和高壓功率半導體之間提供更快的開關和更高的隔離度。


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