如何為電動車和電動車供電設備實作保護、輔助電源和連接

電動車 (EV) 在減少溫室氣體 (GHG) 排放，以因應氣候變化問題方面所發揮的作用越來越重要。然而，若要成功設計並部署 EV 和電動車供電設備 (EVSE)，如電池充電器等，設計人員就要應對眾多技術挑戰。其中包括過壓和過電流電路保護、電磁干擾 (EMI) 的抑制、設計具有寬廣輸入和工作溫度範圍的電源供應器，而且要持續減輕重量以提高 EV 續航里程。

例如，EVSE 系統中的電池管理系統 (BMS) 和控制介面，就需要可在 85 至 305 V_AC 輸入電壓範圍和 -40°C 至 +85°C 溫度範圍內運作的輔助 AC/DC 電源。為了解決重量問題，設計人員需要考慮從古老且成熟的 CAN 匯流排轉用汽車級的乙太網路，就可用更輕的電纜支援更大的頻寬。

本文簡要概述電動車充電器的基本等級。接著會探討各種充電器在搭配輔助 AC/DC 電源供應器 (輔助電源) 下的不同需求，並提供過壓和過電流保護選項，也會瞭解如何達到乙太網路連接並抑制 EMI，以免高速訊號失真。也會介紹 Bel Fuse、Signal Transformer、Stewart Connector 與 CUI 等供應商，針對各種設計問題提所推出的實際解決方案範例。

電動車和 EVSE 充電要求簡介

大量 EVSE 的部署，包括電池充電器和充電樁，會是電動車是否廣泛採用的關鍵。請注意，EV 電池充電器位於電動車內部，充電樁是指外部充電站。SAE J1772 是北美的電動車連接器標準，制訂了四個電動車充電等級：

• AC Level 1 使用 120 V_AC 提供高達 16 A 或 1.9 kW。AC Level 2 使用 208 至 240 V_AC 提供高達 80 A 或 19.2 kW
• DC Level 1 使用高達 1,000 V_DC提供高達 80 A 或 80 kW
• DC Level 2 使用高達 1,000 V_DC提供高達 400 A 或 400 kW

雖然 SAE 分別制訂了兩個 DC 等級，但通常被混為一談，稱為 Level 3 或 DC 快充。除了不同的輸入電壓和功率位準外，AC 充電樁還需要車輛中具有另外的車載充電器 (OBC)，來處理必要的 AC/DC 轉換與 BMS 功能，以便安全有效地對電池組充電。在 DC 快充的情況下，則不需要 OBC；電源轉換和 BMS 功能皆在充電樁中進行。每個充電等級都包括車輛和充電樁之間的通訊 (訊號傳輸) (圖 1)。

圖 1：一般公認的電動車充電分為三個等級。Level 3 (底部) 結合了 SAE J1772 制訂的兩個 DC 充電等級。(圖片來源：CUI)

輔助電源要求

根據 SAE J1772 的要求，當充電樁控制器與車輛控制器連接時，就需要輔助電源來支援充電樁的一般操作和訊號傳輸功能。訊號協定可利用充電樁和車輛之間的連續雙向連接，確保安全有效地充電。

基本的電源要求要有 AC/DC 電源供應器提供 12 V_DC 進行訊號傳輸，且工作溫度介於 -40 至+85°C。完整的解決方案需具備電磁相容性 (EMC) 和保護電路，而且通常具有單獨的 DC/DC 轉換器，可供應較低的電壓給其他元件，例如 3.3 V 以供電給微控制器單元 (MCU)。

確切的功率需求取決於充電樁的設計。例如，Level 1 充電器是一種簡單的設計，只有最小的功率需求，因此只需在印刷電路板 (PCB) 上裝一個微型 5 W AC/DC 電源供應器就可當作輔助電源。Level 2 充電樁則較為複雜，需要大約50 W 的輔助電源。兩者都以單相 AC 輸入運作，但輸入電壓的要求則有所不同；Level 1 需要 120 V_AC，Level 2 則需要 208 至 240 V_AC。

Level 3 充電樁的情況則大有不同。充電樁內的充電電路以三相電源運作，通常為 480 V_AC。輔助電源採用單相電源供電，需要寬廣的入電壓範圍，例如 85 至 305 V_AC。輸出功率也更高，通常為 150 瓦或更高，因此可促成更多種功能，包括支付功能、顯示器和 BMS 等附加控制項目。可以採用單一輸出，例如用於整體系統電源的 24 V_DC。此系統將有一系列分散式 DC/DC 轉換器，以供應訊號傳輸所需的 12 V_DC，用於 BMS 的單獨12 V_DC 電軌，以及 MCU 和其他元件用的 3.3 V_DC。除了 EMC 和標準保護功能外，這些電源解決方案還需要功率因數校正(PFC)，以及可在啟動下防止高湧入電流的保護。

輔助電源供應器

對設計人員來說有個好消息，就是不必從頭開始打造輔助電源供應器。因為 Bel Fuse 旗下 CUI 目前就有各種 EV 充電樁用的現成解決方案可供選擇。例如，PBO 系列 就提供 3、5、8 和 10 W 的板載 AC/DC 電源供應器，適用於 Level 1 充電器。PBO-5C-12 型號可在 85 至 305 V_AC 的輸入電壓範圍內提供 5 W 的 12 V_DC 輸出，額定工作溫度範圍為 -40°C 至 +85°C。

Level 2 充電樁則需要更多的輔助電源，可以使用 PSK 系列 AC/DC 電源供應器，例如封閉式的 10 W PSK-10D-12，就可在 12 V_DC 下提供 830 mA。此電源具有與 PBO-5C-12 相同的輸入電壓範圍和工作溫度規格。PBO 和 PSK 系列均具有過電流和短路保護功能，但 PSK 系列增加了過壓保護。

對於 Level 3 充電樁而言，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、過電流、過壓和過溫保護，以及湧入電流限制和主動式 PFC。更符合 CISPR/EN55032 Class B 輻射／傳導排放規定，以及 IEC 61000-3-2 Class A 諧波限制。在此以 VGS-100W-24 型號為例。此產品提供 108 W 功率，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 (非按比例) 分別適用於 Level 3、Level 2 和 Level 1 電動車充電樁。(圖片來源： Jeff Shepard)

過電流保護

為了針對高壓電軌提供過電流保護，Bel Fuse 提供額定電壓為 240、500 和 1,000 V 的快熔式與耐用型陶瓷保險絲。在設計上可用電動車主電池組、接線盒、充電樁和相關應用，並符合道路車輛 JASO D622/ISO 8820-8 保險絲標準的要求。0ALEB9100-PD 型號螺栓安裝式管狀陶瓷保險絲，額定值為 10 A 和 500 V (圖 3)。

圖 3：0ALEB9100-PD 螺栓安裝陶瓷保險絲的額定值為 10 A 和 500 V；此設計可用於各種電動車應用。(圖片來源：Bel Fuse)

過溫保護

過溫保護在電動車充電樁和電池組中也相當重要。針對這些應用，Bel Fuse 有提供 0ZT 系列高溫自復式保險絲。這些正溫度係數 (PTC) 裝置具有 -40°C 至 +125°C 的高工作溫度範圍，並提供所需的跳脫和保持電流，可達到可靠的過溫保護。例如，0ZTH0020FF2E 的額定值為 30 V、跳脫電流為 500 mA、保持電流為 200 mA (圖 4)。與 OZT 系列的其他 PTC 裝置一樣，非常適合在高溫環境中運作。

圖 4：OZTH0020FF2E 高溫自復式保險絲屬於 OZT 系列過溫保護 PTC 裝置成員，適用於電動車充電樁和 BMS。(圖片來源：Bel Fuse)

連接性和訊號完整性

除了輔助電源和保護功能外，電動車充電樁還需要高速連接，以及高度訊號完整性才能可靠運作。汽車乙太網路可輕鬆滿足這些要求，可符合 IEEE 802.3ch 標準的 10 Gbit/s 數據傳輸率。汽車乙太網路正迅速取代傳統的 CAN 匯流排 (數據傳輸率為 1 Mbit/s)。部分原因是汽車乙太網路具有高數據傳輸率，此外也可透過非屏蔽的單一雙絞線電纜傳輸這些數據。這種電纜採用重量輕和最低成本進行設計。

隨著 2024 即將發佈的 IEEE 802.3dh 標準，乙太網路的採用預計會繼續增長。此標準可透過塑膠光纖 (POF) 提供數 Gigabit 的汽車乙太網路。POF 在汽車應用中的一些優點包括高彈性應變限值、高斷裂韌性和高柔韌性，因此是替代雙絞線乙太網路電纜的理想選擇。

同時，對當今的汽車設計來說，Bel Fuse 的 Stewart Connector 事業部就有提供符合 SAE/USCAR2-6 振動和密封要求的汽車級 RJ45 乙太網路模組化連接器。提供直角和垂直安裝設計，具有多種 LED 配置，工作溫度介於 -40°C 至 +100°C。

這些連接器可以配合高達 100 W 的乙太網路供電 (PoE)。由於這類 PoE 連接器經常會遭遇到串音和回波損耗的難題，因此其觸點設計已針對高頻應用的高效能進行最佳化。也針對小覆蓋區設計進行最佳化。

Stewart RJ45 的非 LED 款式 (如 SS-60300-011) 就相容於紅外線迴流焊。此系列中的所有裝置都有選擇性電鍍，鍍上 50 微英寸的金，以提高性能。SS-60300-011 的設計可用於水平方向(圖 5)。

圖 5：SS-60300-011 是一款緊湊的水平方向乙太網路連接器，可支援汽車應用的 PoE。(圖片來源： Stewart Connector)

為了確保訊號完整性，Bel Fuse 的訊號變壓器事業部提供 SPDL 系列表面黏著共模扼流圈，可用於差模雜訊的 EMI 抑制。可透過乙太網路和其他高速介面過濾訊號，且幾乎沒有訊號失真。這些共模扼流圈的額定電流高達 6.5 A，阻抗介於 90 至 2200 Ω，工作溫度範圍為 -40°C 至 +125°C。例如，SPDL3225-101-2P-T 型號的額定值為 5100 Ω (典型)、50 V 和 150 mA (圖 6)。

圖 6：SPDL3225-101-2P-T 表面黏著共模扼流圈能在最小的訊號失真下達到 EMI 控制。(圖片來源：Signal Transformer)

結論

電動車充電樁等 EVSE 系統的部署對於支援大規模 EV 採用以及後續的溫室氣體減排來說非常重要。這需要多種可支援慢速 AC 充電和 DC 快充的電動車充電樁類型才可達成。為了確保順利設計並安全部署 EV 和 EVSE，設計人員可以利用現成的專用系統和裝置進行電源轉換和傳輸、電路保護和 EMI 抑制。

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