如何实施电动汽车 (EV) 和及其供电设备的保护、辅助电源和连接

作者：Jeff Shepard

电动汽车 (EV) 在减少温室气体 (GHG) 排放以应对气候变化方面发挥着越来越重要的作用。然而，要成功设计和部署电动汽车以及诸如电池充电器等电动汽车供电设备 (EVSE)，设计人员必须克服各种各样的技术挑战。想这些挑战包括过压和过流电路保护、电磁干扰抑制 (EMI) 、具有宽输入和宽工作温度范围的电源设计，以及需要不断减轻重量以提高电动汽车续航能力的需求。

例如，EVSE 系统中的电池管理系统 (BMS) 和控制接口需要辅助 AC/DC 电源，这类电源的输入电压应为 85 V 至 305 VAC ，温度范围应为 -40°C 至 +85°C。为了解决重量问题，设计人员需要用汽车级以太网取代成熟的 CAN 总线，前者可以使用更轻的电缆支持更高的带宽。

本文将简要介绍电动汽车充电器的基本分极。然后讨论每种与辅助 AC/DC 电源（辅助电源）相关的充电器的不同需求，给出过压和过流保护选项，并介绍如何实现以太网连接和抑制 EMI 以避免高速信号失真。以 Bel Fuse、Signal Transformer、Stewart Connector 和 CUI 等供应商提供的解决方案为例，说明如何解决各种设计问题。

EV 和 EVSE 充电要求介绍

部署大量 EVSE（包括电池充电器和充电桩）将是电动汽车普及的关键。请注意，EV 电池充电器位于电动汽车内部，而充电桩指的是外部充电站。北美 EV 连接器标准 SAE J1772 定义了四种 EV 充电级别：

· AC 1 级使用 120 VAC 电压，输出高达 16 A 或 1.9 kW；AC 2 级使用 208 V 至 240 V AC 电压，输出高达 80 A 或者 19.2 kW
· DC 1 级使用高达 1,000 VDC 的电压，输出高达 80 A 或 80 kW
· DC 2 级使用高达 1,000 VDC 的电压，输出高达 400 A 或 400 kW

虽然 SAE 分别定义了以上两个 DC 级别，但它们经常被混用，称为 3 级或 DC 快充。除了输入电压和功率级别不同外，AC 充电桩还要求在车辆中安装单独的车载充电器 (OBC) ，以处理 AC/DC 转换和 BMS 功能，从而安全高效地为电池组充电。在 DC 快充的情况下，不需要 OBC；功率转换和 BMS 功能都置于充电桩中。每一级充电都包括了车辆与充电桩之间的通信（信号）（图 1）。

图 1：电动汽车充电通常分为三个级别。第 3 级（底部）结合了 SAE J1772 规定的两个 DC 充电级别。（图片来源：CUI）

辅助电源需求

根据 SAE J1772 的要求，连接充电桩控制器与车辆控制器时，需要通过辅助电源实现对充电桩的一般操作和信号功能。信号协议的目的是利用充电桩和车辆之间的连续双向连接，确保充电的高效性、安全性。

基本电源要求 AC/DC 电源，为信号传输提供 12 VDC 电压，工作温度范围为 -40°C 至 +85°C。完整的解决方案需要有电磁兼容性 (EMC) 和保护电路，通常还需要单独的 DC/DC 转换器，为其他元器件提供较低的电压，例如向微控制器单元 (MCU) 供电的 3.3 V 电压。

具体的功率需求取决于充电桩设计。例如，1 级充电器设计简单，对电源的需求极低，辅助电源可由安装在印刷电路板（PC 板）上的小型 5 W AC/DC 电源提供。2 级充电桩较为复杂，需要约 50 W 的辅助功率。这两种充电桩都采用单相 AC 输入，但输入电压要求不同：1 级为 120 VAC，2 级为 208 V 至 240 VAC。

3 级充电桩则与前两级大不相同。充电桩的内充电电路使用三相电源，通常为 480 VAC。辅助电源采用单相电源供电，且需要宽输入电压范围，如 85 V 至 305 VAC。输出功率也较高，通常为 150 W 或以上，从而可以实现更多的功能，包括如支付功能、显示屏和 BMS 等其他控制功能。该级充电桩可提供单路输出，如提供 24 VDC 输出为整个系统供电。该系统将通过一系列分布式 DC/DC 转换器来提供信号所需的 12 VDC 电压，为 BMS 提供单独的 12 VDC 电压，为 MCU 和其他元器件提供 3.3 VDC 电压。除了 EMC 和标准保护功能外，这些电源解决方案还需要进行功率因数校正 (PFC) ，以及在开启时防止高浪涌电流。

辅助电源

对于设计人员来说，好消息是他们不必从头开始构建辅助电源。相反，Bel Fuse 旗下的 CUI 部门现已为各种类型的 EV 充电桩提供了现成的解决方案。例如，PBO 系列 3 W、5 W、8 W 和 10 W 板载 AC/DC 电源适用于 1 级充电器。PBO-5C-12 型的输入电压为 85 V 至 305 VAC，输出功率为 5 W，直输出电压为 12 VDC，额定工作温度范围为 -40°C 至 +85°C。

二级充电桩需要更多辅助电源，可使用 PSK 系列 AC/DC电源，如封闭式 10 W PSK-10D-12。该电源在 12 VDC 压下可提供 830 mA 电流。该电源的输入电压范围和工作温度与 PBO-5C-12 相同。PBO 和 PSK 系列都提供过流和短路保护功能，PSK 系列增加了过压保护功能。

对于 3 级充电桩，CUI 的 VGS 系列 AC/DC 电源可提供高达 350 W 的功率。这些电源具有短路、过流、过压和过热保护功能，以及浪涌电流限制和有源 PFC 功能。这些电源符合 CISPR/EN55032 B 类辐射/传导排放标准和 IEC 61000-3-2 A 类谐波限制标准。VGS-100W-24 就属于这类电源。该电源的输出功率为 108 W，输出电压为 24 VDC，典型效率为 89.5%（图 2）。

图 2：VGS（左）、PSK（中）和 PBO（右）AC/DC 电源（未按比例绘制）分别适用于 3 级、2 级和 1 级 EV 充电桩。（图片来源：Jeff Shepard）

过流保护

为了给高压电轨提供过流保护，Bel Fuse 提供额定电压为 240 V、500 V和 1,000 V 的坚固快动型陶瓷保险丝。这些产品专为 EV 主电池组、接线盒、充电桩和相关应用而设计，符合 JASO D622/ISO 8820-8 公路车辆保险丝标准的要求。0ALEB9100-PD 型管状螺栓安装陶瓷保险丝的额定电流为 10 A，电压为 500 V（图 3）。

图 3：0ALEB9100-PD 螺栓安装式陶瓷保险丝的额定电流为 10 A，电压为 500 V，适用于各种 EV 应用。（图片来源：Bel Fuse）

过温保护

过温保护对于 EV 充电桩和电池组也很重要。针对这些应用，Bel Fuse 提供 0ZT 系列高温自恢复保险丝。这些正温度系数 (PTC) 器件的工作温度范围为 -40°C 至 +125°C，可提供实现稳定可靠的过温保护所需的跳闸电流和保持电流。例如，0ZTH0020FF2E 的额定电压为 30 V，跳闸电流为 500 mA，保持电流为 200 mA（图 4）。与 OZT 系列中的其他 PTC 器件一样，该器件非常适合在高温环境下工作。

图 4：OZTH0020FF2E 高温自恢复保险丝是用于过温保护的 OZT 系列 PTC 器件的一部分，适用于 EV 充电桩和 BMS。（图片来源：Bel Fuse）

连接和完整的信号

除了辅助电源和保护功能外，EV 充电桩还需要高速连接和高度的信号完整性，以确保可靠运行。基于 IEEE 802.3ch 的车载以太网可轻松满足这些要求，其数据传输速率高达 10 Gbits/s。汽车以太网正以 1 Mbit/s 的数据传输速率迅速取代传统的 CAN 总线。具体原因是，一方面是汽车以太网的数据传输率高，另一方面是这种技术通过单根非屏蔽双绞线传输数据，重量轻且成本低。

随着 IEEE 802.3dh 将于 2024 年发布，以太网技术的使用预计将继续增长。该标准将通过塑料光纤 (POF) 提供多千兆位汽车以太网。POF 在汽车应用中的一些优势包括高弹性应变极限、高韧性和高柔性，使其成为替代双绞线以太网布线的良好选择。

同时，针对当今的汽车设计，Bel Fuse 的 Stewart Connector 部门提供符合 SAE/USCAR2-6 标准关于振动和密封要求的汽车级 RJ45 以太网模块连接器。这类连接器采用直角和垂直安装设计，提供多种 LED 配置，工作温度范围为 -40°C 至 +100°C。

这些连接器可支持高达 100 W 的以太网供电 (PoE)。这种 PoE 连接器通常面临串扰和回波损耗方面的难题，因此对其触点设计进行了优化，以便在高频应用中实现高性能。这类连接器经过优化，缩小了体积。

Stewart RJ45 的非 LED 版本（如 SS-60300-011）兼容红外回流焊，而且该系列所有器件的触点都选择性地采用 50 微英寸镀金，以提高性能。SS-60300-011 为水平方向设计（图 5）。

图 5：SS-60300-011 是一款紧凑型水平以太网连接器，可支持汽车应用中的 PoE。（图片来源：Stewart Connector）

为确保信号完整性，Bel Fuse 的信号变压器部门提供 SPDL 系列表面贴装共模扼流圈，用于抑制差模噪声的 EMI。该器件能过滤以太网和其他高速接口上的信号，几乎不会造成信号失真。这些共模扼流圈的额定电流高达 6.5 A，阻抗范围为 90 Ω 至 2200 Ω，工作温度范围为 -40°C 至 +125°C。例如，SPDL3225-101-2P-T 型器件的电气额定值为 5100 Ω（典型值）、50 V 和 150 mA（图 6）。

图 6：SPDL3225-101-2P-T 表面贴装共模扼流圈可控制 EMI，并将信号失真降至最低。（图片来源：Signal Transformer）

结束语

在支持大规模使用 EV 以及随之而来的温室气体减排方面，部署 EV 充电桩等 EVSE 系统非常重要。需要一系列既能支持交流慢充，又能支持直流快充的 EV 充电桩类型。为确保成功设计和安全部署 EV 和 EVSE，设计人员可利用现成的专用系统和设备实现电源转换和输送、电路保护以及抑制 EMI。