作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

電動汽車 (EV) 在減少溫室氣體 (GHG) 排放以應對氣候變化方面發(fā)揮著越來越重要的作用。然而，要成功設計和部署電動汽車以及諸如電池充電器等電動汽車供電設備 (EVSE)，設計人員必須克服各種各樣的技術挑戰(zhàn)。想這些挑戰(zhàn)包括過壓和過流電路保護、電磁干擾抑制 (EMI) 、具有寬輸入和寬工作溫度范圍的電源設計，以及需要不斷減輕重量以提高電動汽車續(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，這類電源的輸入電壓應為 85 V 至 305 VAC ，溫度范圍應為 -40°C 至 +85°C。為了解決重量問題，設計人員需要用汽車級以太網(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。

本文將簡要介紹電動汽車充電器的基本分極。然后討論每種與輔助 AC/DC 電源（輔助電源）相關的充電器的不同需求，給出過壓和過流保護選項，并介紹如何實現(xiàn)以太網(wǎng)連接和抑制 EMI 以避免高速信號失真。以 [Bel Fuse]、[Signal Transformer]、[Stewart Connector]和 [CUI]等供應商提供的解決方案為例，說明如何解決各種設計問題。

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）將是電動汽車普及的關鍵。請注意，EV 電池充電器位于電動汽車內部，而充電樁指的是外部充電站。北美 EV 連接器標準 SAE J1772 定義了四種 EV 充電級別：

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

雖然 SAE 分別定義了以上兩個 DC 級別，但它們經(jīng)常被混用，稱為 3 級或 DC 快充。除了輸入電壓和功率級別不同外，AC 充電樁還要求在車輛中安裝單獨的車載充電器 (OBC) ，以處理 AC/DC 轉換和 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；功率轉換和 BMS 功能都置于充電樁中。每一級充電都包括了車輛與充電樁之間的通信（信號）（圖 1）。

圖 1：電動汽車充電通常分為三個級別。第 3 級（底部）結合了 SAE J1772 規(guī)定的兩個 DC 充電級別。（圖片來源：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輛控制器時，需要通過輔助電源實現(xiàn)對充電樁的一般操作和信號功能。信號協(xié)議的目的是利用充電樁和車輛之間的連續(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) 和保護電路，通常還需要單獨的 DC/DC 轉換器，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計。例如，1 級充電器設計簡單，對電源的需求極低，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 級充電樁較為復雜，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 級為 120 V AC ，2 級為 208 V 至 240 V AC 。

3 級充電樁則與前兩級大不相同。充電樁的內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。該級充電樁可提供單路輸出，如提供 24 VDC 輸出為整個系統(tǒng)供電。該系統(tǒng)將通過一系列分布式 DC/DC 轉換器來提供信號所需的 12 VDC 電壓，為 BMS 提供單獨的 12 VDC 電壓，為 MCU 和其他元器件提供 3.3 VDC 電壓。除了 EMC 和標準保護功能外，這些電源解決方案還需要進行功率因數(shù)校正 (PFC) ，以及在開啟時防止高浪涌電流。

輔助電源

對于設計人員來說，好消息是他們不必從頭開始構建輔助電源。相反，Bel Fuse 旗下的 CUI 部門現(xiàn)已為各種類型的 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 系列都提供過流和短路保護功能，PSK 系列增加了過壓保護功能。

對于 3 級充電樁，CUI 的 [VGS 系列]AC/DC 電源可提供高達 350 W 的功率。這些電源具有短路、過流、過壓和過熱保護功能，以及浪涌電流限制和有源 PFC 功能。這些電源符合 CISPR/EN55032 B 類輻射/傳導排放標準和 IEC 61000-3-2 A 類諧波限制標準。[VGS-100W-24]就屬于這類電源。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、2 級和 1 級 EV 充電樁。（圖片來源：Jeff Shepard）

過流保護

為了給高壓電軌提供過流保護，Bel Fuse 提供額定電壓為 240 V、500 V和 1,000 V 的堅固快動型[陶瓷保險絲]。這些產(chǎn)品專為 EV 主電池組、接線盒、充電樁和相關應用而設計，符合 JASO D622/ISO 8820-8 公路車輛保險絲標準的要求。[0ALEB9100-PD] 型管狀螺栓安裝陶瓷保險絲的額定電流為 10 A，電壓為 500 V（圖 3）。

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

過溫保護

過溫保護對于 EV 充電樁和電池組也很重要。針對這些應用，Bel Fuse 提供 [0ZT 系列]高溫自恢復保險絲。這些正溫度系數(shù) (PTC) 器件的工作溫度范圍為 -40°C 至 +125°C，可提供實現(xiàn)穩(wěn)定可靠的過溫保護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 高溫自恢復保險絲是用于過溫保護的 OZT 系列 PTC 器件的一部分，適用于 EV 充電樁和 BMS。（圖片來源：Bel Fuse）

連接和完整的信號

除了輔助電源和保護功能外，EV 充電樁還需要高速連接和高度的信號完整性，以確保可靠運行。基于 IEEE 802.3ch 的車載以太網(wǎng)可輕松滿足這些要求，其數(shù)據(jù)傳輸速率高達 10 Gbits/s。汽車以太網(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，一方面是汽車以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸率高，另一方面是這種技術通過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)技術的使用預計將繼續(xù)增長。該標準將通過塑料光纖 (POF) 提供多千兆位汽車以太網(wǎng)。POF 在汽車應用中的一些優(yōu)勢包括高彈性應變極限、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，針對當今的汽車設計，Bel Fuse 的 Stewart Connector 部門提供符合 SAE/USCAR2-6 標準關于振動和密封要求的汽車級 RJ45 [以太網(wǎng)模塊連接器]。這類連接器采用直角和垂直安裝設計，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 100 W 的以太網(wǎng)供電 (PoE)。這種 PoE 連接器通常面臨串擾和回波損耗方面的難題，因此對其觸點設計進行了優(yōu)化，以便在高頻應用中實現(xiàn)高性能。這類連接器經(jīng)過優(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 為水平方向設計（圖 5）。

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

為確保信號完整性，Bel Fuse 的信號變壓器部門提供 [SPDL 系列]表面貼裝共模扼流圈，用于抑制差模噪聲的 EMI。該器件能過濾以太網(wǎng)和其他高速接口上的信號，幾乎不會造成信號失真。這些共模扼流圈的額定電流高達 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，并將信號失真降至最低。（圖片來源：Signal Transformer）

結束語

在支持大規(guī)模使用 EV 以及隨之而來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 充電樁類型。為確保成功設計和安全部署 EV 和 EVSE，設計人員可利用現(xiàn)成的專用系統(tǒng)和設備實現(xiàn)電源轉換和輸送、電路保護以及抑制 EMI。