电动汽车快充很爽，背后的电路保护技术可不简单！
作者：Doctor M
汽车电气化时代已经到来，随之带来了一波创新技术的进步。然而，在采用这些技术时，安全是最需要考虑的因素之一。当今，电动汽车市场的需求和发展趋向于减少充电时间、增加行驶里程，以及质量更好的新型电动汽车。然而，减少充电时间就必须采用更高的系统电压，增加里程将导致更高的工作电流。这些都对电动汽车在电路保护设计方面提出了更高要求，需要仔细考虑。
在电子产品日益多样化和复杂化的今天，能有效防止电子元器件在受到过压、过流、浪涌、电磁干扰等情况下不受损坏的电路保护器件，几乎成为所有电子产品中的标配。
根据Precedence Research的预测，全球电路保护市场的价值将从2021年的445亿美元增长到2030年的808.2亿美元，从2021年到2030年的复合年增长率将达到5.9%。不断增长的汽车工业，以及消费电子产品的广泛使用是推动市场增长的关键因素之一。随着自动驾驶汽车、电动汽车和混合动力汽车的持续增长，现在的汽车充满了尖端电子设备，与此同时，对汽车电路保护的需求正在急剧增加。
图1：2020年到2030年全球电路保护市场趋势预测（图源：Precedence Research）
电动汽车的充电类型及其功率容量
据估计，2020年全球范围内道路上行驶的电动汽车（EV）约有550万辆，到2025年，这个数字将超过2,400万。目前，大规模推广电动汽车的一个重要限制是支持长途旅行所需的公共充电基础设施。根据统计，2020年，全球公共充电桩保有量约为130.8万台。遗憾的是，这些充电桩中几乎没有一个能在接近燃油车加油的时间范围内为电动汽车充满电。
目前，电动汽车充电桩主要有快充和慢充两种模式。交流充电桩就是大家俗称的“慢充桩”，它通过与交流电网连接来提供交流电源。当使用交流充电桩进行充电时，充满电量大约需要5-8小时。直流充电桩也就是我们平时所说的“快充桩”，即便是最新的大功率直流充电桩也需要30分钟内才能将电动汽车电池充电至80%容量。
当前的充电桩主要有三种类型：带有电缆控制盒（ICCB）的AC1级充电桩主要针对住宅充电；AC2级即适用住宅也可用于公共设施；第三种类型是用于公共和商业设置的直流快速充电站。
· AC1
AC1级使用标准120VAC电源插座，对于200km的行程，充电时间长达20小时，这些充电桩是最基本的和最便宜的。
· AC2
AC2的电源为240VAC及以上，除了公共场所，它们也可以用在家庭的标准240VAC插座中，其充电时间为5-6小时 (200km行程)，根据充电点的数量或可用功率，充电成本较高。根据现场所需的充电点数量，AC2级交流电源以两种不同的方式配置，一些是单个集成（<175kW）电源柜和充电点，而另一些则是具有多个分布式充电点的大型电源柜 (>175kW)。
· 直流快速充电（DCFC）
DCFC是目前最快的电动汽车充电方法 (200km需30分钟)，但也是最昂贵的。它们通过AC到DC功率转换模块连接到电力公用电网，输出直流电压范围为120VDC至920VDC，预计未来电压可能会更高。
很显然，设计工程师在开发充电桩时必将面临多重挑战，首当其冲的就是安全性，因为用户在为车辆充电时必须与超过300kW的充电桩电源连接。其他重要的设计参数还包括降低功耗、在最大温升下保持高效率，以及暴露在室外的充电桩必须可靠运行等。
图2：三种主流的充电桩类型（图源：CITEL官网）
电动汽车中的电路保护考虑
火灾是电动汽车供电设备安装的首要危险。虽然火灾可能由多种原因引起，但最常见的原因是安装充电桩的建筑物或结构内的电线和电源的老化。无论是AC1级还是AC2级充电桩，所有电气接线应满足电动车辆供电设备的充电要求，并应与每个设备的技术规范兼容。这里所需的电涌保护装置（SPD）的保护点重点在主配电盘。
根据IEC 61643-11，在交流网络中，产生的雷电电流可达每相12.5kA。主配电盘输入端的SPD必须具有抵御雷电等外来强瞬态电流冲击的能力。此外，它们还必须无泄漏电流，并且对由于低压网络故障可能出现的短期电压峰值不敏感。这是确保设备长使用寿命和高SPD可靠性的有效措施。
涉及电动汽车供电设备的另一个潜在危险是接地故障断路器（GFCI）故障。标准电动汽车充电桩通过GFCI电源插座连接到其电源，可有效防止电击的发生。然而，报告显示，在世界一些地区GFCI断路器的故障率达到57%，闪电、老化和磨损等是导致这些设备故障的主要原因。因此，在安装电动汽车供电设备之前，我们还应彻底检查其连接的GFCI，以确保不存在任何损坏。
Phoenix Contact的热磁设备断路器CB TM1 16A F1 P有1个PDT触点，标称工作电流为16A，绝缘电阻Riso > 100MΩ (500VDC)，可靠性高，发生故障时可实现快速熔断。
图3：热磁设备断路器CB TM1 16A F1 P（图源：Phoenix Contact）
如前所述，为缩短电动汽车电池的充电时间，我们可以借助直流充电桩来实现“快充”。这些充电桩的额定功率高达350kW，充电电流更是达到400A。实际使用中隐藏着一个巨大的技术挑战，那就是充电所需的高功率、高电流引发的过热问题。因此，必须适当监测充电桩、连接器系统、母线、电力电子设备和高压电池的温度，以确保充电过程的安全性和有效性。不完善的温度监测可导致系统元件磨损，缩短寿命甚至出现故障。极端情况下，重度过热还可能导致电池着火。
针对电动汽车的温度监测应用，TDK专门开发了特殊的NTC温度传感器，这些传感器可稳定检测EV电池的充电过程。2021年底，TDK最新推出的L860片式NTC热敏电阻，可直接嵌入到IGBT功率模块中，其特性对应于常见的MELF-R/T曲线。与其他技术相比，该方案建立了NTC芯片与功率模块的出色热耦合，从而实现了极短的响应时间和高精度的温度测量和控制。
图4：TDK L860片式NTC热敏电阻（图源：TDK）
对于直流充电桩而言，在与交流电源的连接处，充电桩还需要使用快速作用的大电流保险丝，以防止过载电流和短路情况的发生。这个保险丝必须具有足够大的电流中断额定值，以确保其能可靠工作。
Littelfuse JTD Indicator® POWR-PRO® 保险丝额定电压、600A最大额定电流以及IEC Type 2保护特性。JTD Indicator® POWR-PRO® 保险丝拥有的限流时间延迟特性，可减少麻烦的保险丝开路。此外，这些保险丝均采用紧凑型封装，易于集成，并提供肉眼可见的烧断指示和最大的保护。
图5：Littelfuse JTD系列保险丝（图源：Littelfuse）
与交流充电桩一样，直流充电桩也应包含浪涌保护装置 (SPD)，以承受高能瞬态冲击。实际应用中也可考虑使用功率TVS二极管以实现快速响应和低电压箝位，在这里TVS二极管可作为一级浪涌保护器的二级保护。
可见，过电压保护 (OVP)、过电流保护 (OCP)、欠电压保护（UVP）和欠电流保护（UCP）等这些保护措施，在确保电动汽车充电时的安全同样发挥着关键作用。限于篇幅，这里不再进行详细讨论。
结语
充电装置和其连接的车辆都具有敏感的电子部件，它们都需要防止过电压、过流、高温升、雷电浪涌等因素带来的冲击。随着电动汽车的日益普及，以及新的“快速充电”技术的推广，对可靠和安全的充电基础设施的需求也在增加，这一趋势必将利好电路保护市场。
2021年，全球电路保护市场规模达到428亿美元。展望未来，IMARC集团预计，到2027年该领域的市场规模将达到579亿美元，2022-2027年的复合年增长率（CAGR）为5.6%，其中电动汽车市场的贡献功不可没。
电动汽车是当今和未来的热门话题，其进一步发展取决于及时建设适当的充电桩网络。通用的解决方案常常无法全面涵盖特殊场景，正如瑞士军刀无法取代真正精良的工具一样。对于电动汽车充电桩和电动汽车而言，也许很难在市场上找到理想的、统一的电路保护方案。但找到最薄弱、最要害的点位，正确评估应用场景，并施加正确的保护措施，就能有效防止故障甚至火灾的发生。
