高功率充电桩中的大电流元件哪里找？
电动汽车的发展正在稳步驶入快车道。根据IEA的《Global EV Outlook 2023》显示，2022年全球电动汽车的销量突破了1,000万辆，市场渗透率也从2021年的9%增加到了14%；而这一强劲的增长势头在2023年还将持续，2023年电动汽车销量将有望达到1,400万辆，同比增长35%，渗透率则会攀升至18%。
电动汽车市场快速增长的驱动力，除了全球节能减排的大趋势以及各个国家和地区的产业扶持战略，与电动汽车配套的基础设施——特别是充电桩——的长足发展也是一个十分关键的因素。
IEA的研究数据显示，截至2022年底，全球共有270万个公共充电点（Charging Point），其中仅2022年就部署了90多万个，比2021年的存量增加了约55%；预计到2030年，全球电动汽车公共充电点的数量将达到1,270万个。
图1：全球电动汽车充电基础设置发展趋势（图源：IEA）
同样的趋势也在中国得到印证。根据中国充电联盟公布的新数据，截止到2023年8月，全国充电基础设施累计数量达到了720.8万台，同比增长了67%，以同期新能源汽车销量测算，桩车增量比达到了1:2.7，为电动汽车的快速发展提供了有力的支撑。
充电桩的技术趋势
值得注意的是，今天充电桩市场的发展不是一个简单数量上的增加，而是通过技术和产品的迭代升级，不断提升电动汽车用户的体验，消除他们的里程焦虑。
具体来讲，充电桩技术的演进呈现出两大趋势。第一是充电的全场景覆盖，即以多样化的产品，如家用交流桩、公共交流桩、壁挂盒、直流快充桩等，覆盖家庭、工作和商用场所、加油站、车队充电、充电运营商等不同应用场景的需要；同时，充电桩智能化和网联化的趋势，也在催生各种新的商业和运营模式，让用户实现“随处可充”的愿望。
另一个趋势就是追求更高的充电功率。这一点很好理解，如果将电动汽车的电池类比成燃油车的“油箱”，那么充电功率越大，就能够在越短的时间内将其“注满”。显然，与燃油车只需几分钟就能加满油的体验相比，电动汽车以小时计算的充电时间显然是不能令用户满意的，因此提高充电功率也就成了充电桩技术攻坚的重点。
按照充电功率的大小，充电桩可以被分为两类：一类是有效功率22kW以内的慢充桩，一类是功率在22kW到400kW及以上的快充桩。前者通常采用交流充电的方式，将来自电网的交流电源通过交流插座或充电桩输送到汽车中，由车载充电器（OBC）完成AC/DC电源转换，并向电池组提供直流电压和电流；而后者则是采用直流充电技术，即在车外充电基础设施中完成AC/DC转换，直接通过直流电压和电流为电池充电。
由于交流充电受制于车内空间等限制，功率难于大幅提升；而直流充电的电源转换在车外，在空间、重量和热管理等方面的约束条件较为宽松，因此目前提升充电功率的角逐主要集中在直流充电领域，特别是50kW以上的“超快”充电，更是各大厂商力争的制高点。
图2：交流充电和直流充电架构（图源：Yolé Development）
以特斯拉为例，其V3第三代超级充电站的峰值功率为250kW，补能5分钟可支持超过120km的续航，据称下一代V4超级充电站的充电功率将达到350kW。
不过，所有这些令人兴奋的技术路线都不是一蹴而就的，必须从每一个技术环节入手进行同步提升，任何一环的缺失，都可能成为致命的短板。比如，面对越来越高的充电功率，选择一颗可支持更大电流的被动元件，就是一个新的挑战。
大电流功率电感的选型
在充电桩的功率转换系统中，功率电感是不可或缺的一个被动元件。而高功率、大电流的应用场景，对于功率电感的性能会提出新的要求。
这主要是因为电感元件的线圈具有一定的电阻，通过电流时必然会产生功率损耗，电流增加后，一方面会影响电源系统的效率，增加能耗，另一方面则会导致电感的发热升温，加之汽车应用高温环境的冲击，很容易造成电感饱和，影响整体的性能。
此外，充电桩是一种安全和可靠性敏感型的应用，在其中工作的功率电感还需要提供出色的磁屏蔽特性，避免EMI问题，同时还要具备强烈振动、冲击、高温等恶劣环境的耐受能力。综合上面这些要求不难看出，一款能够满足充电桩应用要求、合格的功率电感必须在材料、结构、工艺等方面进行综合优化，提供优秀的电气和机械性能，这样才能够保证这一高功率应用的要求。
Würth Elektronik的WE-HCF系列SMD大电流电感器就是按照这样的要求而打造的储能电感器，其采用2818封装，支持极高的输出功率和效率，是DC/DC开关稳压器等系统的理想选择。
WE-HCF系列电感器的磁芯采用损耗极低的MnZn材料，磁导率提高了35%，因此电感器可在很宽工作电流范围内保持稳定，其饱和电流可达75A，比市场上的其它标准产品约高出10%。同时，WE-HCF系列电感器直流电阻降低了10%，额定电流高达32A，为实现高效率提供了保障。此外，其还具有磁屏蔽特性，-40°C至 +125°C很宽的工作温度范围，因此这种具有高额定电流、高饱和电流特性的功率电感器，非常适合于在充电桩设计中使用。
图3：WE-HCF SMD大电流电感器（图源：Würth Elektronik）
如果在追求大电流的同时，对于功率电感器的外形尺寸也有更苛刻的要求，那么Würth Elektronik的WE-MAPI微型大电流功率电感器是个不错的选择。WE-MAPI系列功率电感器有多种封装尺寸可供选择，可至1.6mm x 1.6mm x 1.0mm，是目前市场上尺寸很小的金属合金电感器之一，而其额定电流可达14.95A。
图4：WE-MAPI微型大电流功率电感器（图源：Würth Elektronik）
WE-MAPI微型大电流功率电感器主要的特性优势包括：
· 采用创新的铁合金磁芯材料，磁芯损耗极低，效率极高。
· 采用创新的无引线框架设计，获得更佳共面性。
· 绕组与元件之间采用无焊料或焊点的直接连接，实现了更高的可靠性。
· 巧妙的结构设计显著提高磁芯利用率，以及电流处理能力。
· 更低的寄生电容可实现更低交流损耗。
· 自屏蔽结构带来了极佳的EMI性能。
图5：WE-MAPI功率电感器具有更低的交流和直流损耗（图源：Würth Elektronik）
图6：WE-MAPI功率电感器出色的温度稳定性（图源：Würth Elektronik）
图7：创新的铁合金磁芯材料实现了更高磁芯利用率（图源：Würth Elektronik）
WE-MAPI电感器的其他特性还包括：低可听噪声、低漏磁噪声；-40℃至+125℃的宽工作温度范围；坚固外形，大焊盘设计，提供较高的机械稳定性。这些优势叠加，使其成为了DC/DC转化器和其他高功率、小型化、高效电源系统的不二之选。
大电流PCB端子实现安全供电
高功率充电桩的设计中，开发者需要处理高达几十A甚至数百A的电流，这样的挑战会出现在这个功率链路中的每一个环节，除了上文提到的电感器，也包括互连元件——如PCB连接端子。
在充电桩大电流端子的选择上，工程师需要考虑以下三个方面的问题：
大功率连接的效率
随着电流的提高，即使是很小的连接电阻，也会导致较大的功耗，并造成发热的现象。这对于节能和系统的可靠性、安全性，都会造成不良影响。因此，尽可能降低端接的连接电阻，也就成了衡量大电流端子特性的一个硬指标。
端子连接的环境耐受性
充电桩的应用环境复杂，面临着温度、湿度、气体等环境极端因素的考验，由环境因素导致的大电流连接点的氧化或腐蚀，会导致连接效率的下降、功耗的增加，甚至是设备故障。
端子的装配工艺
尽管广泛使用的表面贴装元件在装配效率和节省空间等方面优势明显，但是一般来讲，通孔回流焊PCB端子能够比表面贴装产品承载更大的电流，同时具有较高的机械稳定性，当然相应的装配成本也会比较高。如何能够平衡这些因素，提供一种高性价比的解决方案，是大电流端子设计中的一个重要课题。
针对这些设计诉求，Würth Elektronik推出了REDCUBE端子，该系列产品包括四个子门类，适用于不同的应用场景和工艺类型，但都具有低接触电阻、低自发热的特性，这也是支持大电流应用的首要条件，比如REDCUBE系列中的PRESS-FIT端子就可传输高达500A的电流。
REDCUBE SMD大电流端子
顾名思义，这是结合了表面贴装和大电流支持两个特性的产品：其与SMD印刷电路板制造工艺兼容，具有成本效益，同时可以支持高达85A的板对板连接。以7466003R SMD端子为例，其采用M3螺纹端接，黄铜主体和镀锡工艺确保其良好的接触特性，在20°C时额定电流为70A，优化的结构设计使得端子重量均匀分配，减少表面贴装时发生“立起”的情况，避免出现焊膏可能无法达到的“死角”，圆形基底面还有利于提高制造产出率。
图8：REDCUBE SMD端子（图源：Würth Elektronik）
REDCUBE THR通孔PCB端子
REDCUBE THR端子将通孔技术高机械稳定性的优势与高效的元件拾放安装和回流焊工艺相结合，可提供出色的焊接效果和高达85A载流能力。REDCUBE THR端子由镀了锡的实心黄铜制成，采用M5螺纹端接，与冲压端子相比，具有更高的载流能力和更好的扭矩承受能力。端子底部的9个插针排列成3×3的网格，以实现更佳的可焊性和机械稳定性。同时，REDCUBE THR端子的外形低矮，有利于端子周围的气流流动，改善冷却效果。上述这些优化设计，使得REDCUBE THR端子成为大功率、高可靠应用的理想选择。
图9：REDCUBE THR通孔PCB端子（图源：Würth Elektronik）
PRESS-FIT压接式大电流端子
针对更大电流的电源和工业应用，Würth Elektronik推出了额定电流高达500A的 REDCUBE PRESS-FIT端子产品线。不同于其他端子装配时采用的焊接工艺，REDCUBE PRESS-FIT采用了一种特殊的压装工艺，即将端子通过机械方式压入镀锡的PCB孔中，端子压入PCB孔中所产生的摩擦力形成了冷焊连接，连接的接触电阻仅有200μΩ，且具有气密性，PCB连接的可靠性也更高——其FIT值是SMD焊点的30倍！一句话总结：如果你想找一款支持更大电流、更高可靠性和机械稳固性的PCB端子，REDCUBE PRESS-FIT系列无疑是上佳之选。
图10：PRESS-FIT压接式大电流端子（图源：Würth Elektronik）
REDCUBE PLUG可插拔端子
在REDCUBE PRESS-FIT压接式技术基础上，Würth Elektronik又开发了一种可插拔的REDCUBE PLUG可插拔端子，其采用无螺纹的连接方式，无需工具即可快捷地完成连接操作，并可支持高达120A的电流。REDCUBE PLUG外壳材料采用玻璃纤维增强塑料，具有高耐热性，即使在高环境温度下也不会变形。使用时，只需手动按压端子顶部，就可以将插座完全暴露出来，方便插入镀锡插头；松开外壳顶部即可将插头锁住，操作十分便利。在需要较频繁配置和维修的连接场景中，REDCUBE PLUG可插拔端子带来的价值显而易见。
图11：REDCUBE PLUG可插拔端子（图源：Würth Elektronik）
可见，有了上述这几类REDCUBE端子，在充电桩的设计中，无论遇到什么样的电流等级、装配工艺、可靠性等要求，工程师都能够轻松应对。
本文小结
电动汽车的火爆，也在推动充电桩市场的繁荣。在可以预见的未来，无论是便捷的家用壁挂式充电盒，还是数百kW的超快直流充电桩，都将有巨大的市场增长空间，同时对于高功率、大电流功率元件的需求也会持续加码。
图12：Würth Elektronik充电桩整体解决方案（图源：Würth Elektronik）
Würth Elektronik已经针对这一市场做好了产品布局，从大电流功率电感器到PCB端子，都可提供成熟的解决方案供工程师选择。因此，为高功率充电桩开发选料时，想找大电流元件，往这儿瞧准没错！
