【導(dǎo)讀】汽車電氣化時(shí)代已經(jīng)到來，隨之帶來了一波創(chuàng)新技術(shù)的進(jìn)步。然而，在采用這些技術(shù)時(shí)，安全是最需要考慮的因素之一。當(dāng)今，電動(dòng)汽車市場(chǎng)的需求和發(fā)展趨向于減少充電時(shí)間、增加行駛里程，以及質(zhì)量更好的新型電動(dòng)汽車。然而，減少充電時(shí)間就必須采用更高的系統(tǒng)電壓，增加里程將導(dǎo)致更高的工作電流。這些都對(duì)電動(dòng)汽車在電路保護(hù)設(shè)計(jì)方面提出了更高要求，需要仔細(xì)考慮。
圖源：JustSuper/adobe.stock.com
在電子產(chǎn)品日益多樣化和復(fù)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(hù)器件，幾乎成為所有電子產(chǎn)品中的標(biāo)配。
根據(jù)Precedence Research的預(yù)測(cè)，全球電路保護(hù)市場(chǎng)的價(jià)值將從2021年的445億美元增長(zhǎng)到2030年的808.2億美元，從2021年到2030年的復(fù)合年增長(zhǎng)率將達(dá)到5.9%。不斷增長(zhǎng)的汽車工業(yè)，以及消費(fèi)電子產(chǎn)品的廣泛使用是推動(dòng)市場(chǎng)增長(zhǎng)的關(guān)鍵因素之一。隨著自動(dòng)駕駛汽車、電動(dòng)汽車和混合動(dòng)力汽車的持續(xù)增長(zhǎng)，現(xiàn)在的汽車充滿了尖端電子設(shè)備，與此同時(shí)，對(duì)汽車電路保護(hù)的需求正在急劇增加。
圖1：2020年到2030年全球電路保護(hù)市場(chǎng)趨勢(shì)預(yù)測(cè)
（圖源：Precedence Research）
電動(dòng)汽車的充電類型及其功率容量
據(jù)估計(jì)，2020年全球范圍內(nèi)道路上行駛的電動(dòng)汽車（EV）約有550萬(wàn)輛，到2025年，這個(gè)數(shù)字將超過2,400萬(wàn)。目前，大規(guī)模推廣電動(dòng)汽車的一個(gè)重要限制是支持長(zhǎng)途旅行所需的公共充電基礎(chǔ)設(shè)施。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年，全球公共充電樁保有量約為130.8萬(wàn)臺(tái)。遺憾的是，這些充電樁中幾乎沒有一個(gè)能在接近燃油車加油的時(shí)間范圍內(nèi)為電動(dòng)汽車充滿電。
目前，電動(dòng)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(dāng)使用交流充電樁進(jìn)行充電時(shí)，充滿電量大約需要5-8小時(shí)。直流充電樁也就是我們平時(shí)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(dòng)汽車電池充電至80%容量。
當(dāng)前的充電樁主要有三種類型：帶有電纜控制盒（ICCB）的AC1級(jí)充電樁主要針對(duì)住宅充電；AC2級(jí)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(jí)使用標(biāo)準(zhǔn)120VAC電源插座，對(duì)于200km的行程，充電時(shí)間長(zhǎng)達(dá)20小時(shí)，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(chǎng)所，它們也可以用在家庭的標(biāo)準(zhǔn)240VAC插座中，其充電時(shí)間為5-6小時(shí)（200km行程），根據(jù)充電點(diǎn)的數(shù)量或可用功率，充電成本較高。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)所需的充電點(diǎn)數(shù)量，AC2級(jí)交流電源以兩種不同的方式配置，一些是單個(gè)集成（<175kW）電源柜和充電點(diǎn)，而另一些則是具有多個(gè)分布式充電點(diǎn)的大型電源柜（>175kW）。
直流快速充電（DCFC）
DCFC是目前最快的電動(dòng)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(jì)未來電壓可能會(huì)更高。
很顯然，設(shè)計(jì)工程師在開發(fā)充電樁時(shí)必將面臨多重挑戰(zhàn)，首當(dāng)其沖的就是安全性，因?yàn)橛脩粼跒檐囕v充電時(shí)必須與超過300kW的充電樁電源連接。其他重要的設(shè)計(jì)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(yùn)行等。
圖2：三種主流的充電樁類型
（圖源：CITEL官網(wǎng)）
電動(dòng)汽車中的電路保護(hù)考慮
火災(zāi)是電動(dòng)汽車供電設(shè)備安裝的首要危險(xiǎn)。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(wú)論是AC1級(jí)還是AC2級(jí)充電樁，所有電氣接線應(yīng)滿足電動(dòng)車輛供電設(shè)備的充電要求，并應(yīng)與每個(gè)設(shè)備的技術(shù)規(guī)范兼容。這里所需的電涌保護(hù)裝置（SPD）的保護(hù)點(diǎn)重點(diǎn)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(dá)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(qiáng)瞬態(tài)電流沖擊的能力。此外，它們還必須無(wú)泄漏電流，并且對(duì)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(zhǎng)使用壽命和高SPD可靠性的有效措施。
涉及電動(dòng)汽車供電設(shè)備的另一個(gè)潛在危險(xiǎn)是接地故障斷路器（GFCI）故障。標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)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(bào)告顯示，在世界一些地區(qū)GFCI斷路器的故障率達(dá)到57%，閃電、老化和磨損等是導(dǎo)致這些設(shè)備故障的主要原因。因此，在安裝電動(dòng)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(gè)PDT觸點(diǎn)，標(biāo)稱工作電流為16A，絕緣電阻Riso > 100MΩ（500VDC），可靠性高，發(fā)生故障時(shí)可實(shí)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(dòng)汽車電池的充電時(shí)間，我們可以借助直流充電樁來實(shí)現(xiàn)“快充”。這些充電樁的額定功率高達(dá)350kW，充電電流更是達(dá)到400A。實(shí)際使用中隱藏著一個(gè)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(dāng)監(jiān)測(cè)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(cè)可導(dǎo)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(dǎo)致電池著火。
針對(duì)電動(dòng)汽車的溫度監(jiān)測(cè)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(cè)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(duì)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(shí)現(xiàn)了極短的響應(yīng)時(shí)間和高精度的溫度測(cè)量和控制。
圖4：TDK L860片式NTC熱敏電阻
（圖源：TDK）
對(duì)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(xiǎn)絲，以防止過載電流和短路情況的發(fā)生。這個(gè)保險(xiǎn)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(xiǎn)絲額定電壓、600A最大額定電流以及IEC Type 2保護(hù)特性。JTD Indicator? POWR-PRO?保險(xiǎn)絲擁有的限流時(shí)間延遲特性，可減少麻煩的保險(xiǎn)絲開路。此外，這些保險(xiǎn)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(hù)。
圖5：Littelfuse JTD系列保險(xiǎn)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(hù)裝置（SPD），以承受高能瞬態(tài)沖擊。實(shí)際應(yīng)用中也可考慮使用功率TVS二極管以實(shí)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(jí)浪涌保護(hù)器的二級(jí)保護(hù)。
可見，過電壓保護(hù)（OVP）、過電流保護(hù)（OCP）、欠電壓保護(hù)（UVP）和欠電流保護(hù)（UCP）等這些保護(hù)措施，在確保電動(dòng)汽車充電時(shí)的安全同樣發(fā)揮著關(guān)鍵作用。限于篇幅，這里不再進(jìn)行詳細(xì)討論。
結(jié)語(yǔ)
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(dòng)汽車的日益普及，以及新的“快速充電”技術(shù)的推廣，對(duì)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(shì)必將利好電路保護(hù)市場(chǎng)。
2021年，全球電路保護(hù)市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到428億美元。展望未來，IMARC集團(tuán)預(yù)計(jì)，到2027年該領(lǐng)域的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到579億美元，2022-2027年的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）為5.6%，其中電動(dòng)汽車市場(chǎng)的貢獻(xiàn)功不可沒。
電動(dòng)汽車是當(dāng)今和未來的熱門話題，其進(jìn)一步發(fā)展取決于及時(shí)建設(shè)適當(dāng)?shù)某潆姌毒W(wǎng)絡(luò)。通用的解決方案常常無(wú)法全面涵蓋特殊場(chǎng)景，正如瑞士軍刀無(wú)法取代真正精良的工具一樣。對(duì)于電動(dòng)汽車充電樁和電動(dòng)汽車而言，也許很難在市場(chǎng)上找到理想的、統(tǒng)一的電路保護(hù)方案。但找到最薄弱、最要害的點(diǎn)位，正確評(píng)估應(yīng)用場(chǎng)景，并施加正確的保護(hù)措施，就能有效防止故障甚至火災(zāi)的發(fā)生。
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