如何克服快速高效電動車充電基礎設施的設計挑戰

電動車 (EV) 充電解決方案需要一系列電源轉換技術來支援家庭和辦公室充電器的交流電 (AC) 設計，以及用於長途旅程充電用的直流電 (DC) 快速充電系統。所有類型的 EV 充電器之間的共同點在於需要多種接觸器、繼電器、連接器和必要的被動元件，以支援面臨的高電壓和電流，還要提供緊湊設計與需求的高效率，以支援更快、更安全、更小、更高效率且靈活的 EV 充電基礎設施。

設計高效率且靈活的 EV 充電器需要多種緊湊的高電壓裝置。這些裝置必須提供低電阻以及安全可靠的操作。在某些情況下，這些裝置若會暴露於嚴峻的工作環境，就需要更長的電氣開關壽命。有些安全裝置，如緊急停止開關，就必須達到 IP67 標準。其他項目，如電磁干擾 (EMI) 濾波器、端子台和接觸器等，則須具備指定的國際效能認證。

本文將概述交流和直流 EV 充電器的設計以及一些相關的區域標準。接著會回顧對更高功率 EV 充電器的需求，並展望極速充電 (XFC) 的未來。最後再簡單介紹 EV 充電系統中接觸器、繼電器、連接器、功率電阻、開關、EMI 濾波器和電源模塊互連系統的用途，並提供 TE Connectivity 範例產品的連結。

區域標準

針對交流和直流 EV 充電所制訂的標準有相當多套。各個區域都有自己一套作法。在北美 (NA)，SAE J1772 制訂三種等級的 EV 充電，歐洲則採用 IEC 61851 標準並詳細定義四種充電模式。中國在交流與直流充電上皆採用 GB/T 20234 標準；日本則採行日本汽車研究所 (JARI) 的交流充電標準，以及 CHAdeMO 的直流充電標準。交流充電通常使用最多 22 kW 左右，而直流充電可提供更多電力。此外，交流充電需要車載充電器 (OBC)，而直流充電器可直接連接電池組 (圖 1)。簡單比較北美和歐洲的充電標準，就可概略瞭解以下要說明的充電器設計和使用案例。

圖 1：交流充電使用 OBC，而直流充電可將能量直接饋入電池。(圖片來源：TE Connectivity)

北美制訂兩個等級的交流充電。第 1 級使用壁式插座提供最高達 1.9 kW 的電力，而第 2 級則使用最高達 19.2 kW 的充電站。第 1 級充電器主要用於住宅，而第 2 級充電器則用於住宅和商業環境。歐洲有三種交流充電模式。模式 1 類似於北美的第 1 級，而模式 3 類似於北美的第 2 級。歐洲還有一種中等類型：模式2，採用類似模式 1 的壁式插頭，但在連接電纜上添加保護電路，因此可提供兩倍的電力。

快還要更快

快速交流充電器，如北美的第 2 級和歐洲的模式 3，皆比要花 10 至 12 小時將 EV 充飽電的替代方案更快。即便如此，快速交流電仍然需要幾個小時才能將耗盡的電池組充飽電，這對於汽車長時間停放在辦公室、家中或其他位置的情況下仍相當實用。然而，這速度仍然不夠快，無法顯著減輕電動車駕駛的里程焦慮。

這就是開發大功率模式 3 交流充電器和第 4 級直流充電器的原因。直流快速充電的充電速率取決於充電器的可用電流和電池組的電壓。直流快速充電器最初是針對 400 V 電池組而開發。要使用 400 V、200 A 的充電器充飽 80% 的電量，大約需要 50 分鐘。將電流提高到 350 A 具有挑戰性，但這樣做就可在大約 29 分鐘內為 400 V 電池組提供 80% 的電量。雖然提高電流會減少需要的充電時間，但要讓電動車充電成為比其他加油方法更省時的替代方案，要做的還有很多。目標是達到 10 分鐘的充電時間，這大概是填滿內燃機 (ICE) 車輛油箱所需的時間。

直流快速充電的下一個階段將是極速充電 (XFC)。為了達到 XFC，電池組電壓會從 400 V提高到 800 V，而 1 kV 電池組也即將問世。XFC 充電器技術正在開發中，可在 350 至 500 A 下提供 1 kV，讓充電時間縮短至 10 分鐘或更短。隨著 XFC 的進展，里程焦慮將不復存在。

除了開發 XFC 技術外，設計人員還面臨著達到緊湊設計和高效率的壓力，以支援更安全、更小、更高效率和更靈活的 EV 充電。這需要先進的元件和先進的設計。

圖 2：需要先進元件來開發電動車用的更緊湊、更高功率充電解決方案。(圖片來源：TE Connectivity)

塞進狹小空間

XFC 充電器的設計採用碳化矽 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 功率半導體開發，可提供高效率、緊湊的電源轉換解決方案。然而，電源轉換只是 EV 充電器設計其中的一個要素而已。

EV 充電器需要緊湊且堅固的電路板和訊號連接器以便進行控制和監測。也需要節省空間的繼電器和接觸器，以處理更快速充電方案相關的更高電壓。EV 充電器中的功率電阻需要高絕緣電阻、低表面溫度、出色的電阻溫度係數 (TCR) 效能，更要在有限空間內耗散高功率，並採用防火結構。

輔助電源供應器和其他電路則需要緊湊的電磁干擾 (EMI) 濾波器來消除控制邏輯和監測電路的干擾。必須使用具有 IP65 防護等級和足夠致動力的緊急停止開關，以免意外切換並耐受惡劣環境。

第 2 級／模式 3 交流充電器

以下清單詳細介紹第 2 級和模式 3 交流充電器設計所需的一些關鍵元件。以下所列數字對應圖 3 中的圈選數字。

1. 功率繼電器，如 TE 的 T92 系列，可在交流充電站中當作主開關。這些雙軸單切 (DPST) 繼電器的額定電流高達 50 A，可用於極端溫度。T92HP7D1X-12 型號經過最佳化，可提供優異的散熱效能，可在高達85°C 的溫度提供 50 A 和 600 Vac 額定值。
2. 需要使用像 TE Dynamic Mini 系列這樣的電路板和訊號連接器，來支援內部 PCB 電源和訊號連接。這些連接器含有有定位聲的確閉閂鎖機制，有利於現場安裝和維護。額定工作溫度介於 -40 至 125°C，可滿足交流充電設備的需求。例如，1-2834461-2 型號就具有 12 腳位並採用 0.071 in (1.8 mm) 中心線。
3. 功率電阻對於監測、管理和確保安全操作來說非常重要。必須具有高絕緣電阻、低 TCR (如 300 ppm/°C)、低表面溫升和防火結構。TE 的 SQ 系列與 1 Ω ±5% 5W 型號 SQPW51R0J 一樣，皆適用於交流充電器。
4. 緊急停止開關對於交流充電器的安全非常重要。TE 的 PBE16 系列按鈕式緊急停止開關提供發光和非發光款式。這些開關符合 IEC 60947-5-1 和 IEC 60947-5-5 的要求。例如，PBES16L1CR 型號的防護等級為 IP65，具有 20 牛頓 (N) 致動力，可避免意外致動。
5. 充電站的輔助電源需具備 EMI 濾波器，以免干擾電源監測和控制用的數位電路運行。還需要輔助電源來驅動電源轉換部分的功率半導體。TE 的 6609065-3 型號是一款單相 EMI 濾波器，可在 250 Vac 和 50 或 60 Hz 時提供 6 A 額定電流。
6. 最後，佈線和面板識別也需要電氣解決方案，以加快現場的組裝和維護。標籤必須容易安裝且高度耐用。例如，TE 的 PL-027008-2.5-9 是一種聚酯黏性標籤，可用於 EV 充電站等電氣機櫃。

圖 3：第 2 級和模式 3 交流充電器所需的關鍵元件。(圖片來源：TE Connectivity)

快速和 XFC 直流

從高層次來看，第 2 級和模式 3 交流充電器所需的元件類型，似乎與快速直流充電器所使用的相似。但是，兩者之間還是有一些微妙而明顯的差異。

交流充電站通常使用繼電器進行功率控制，而直流充電器則需使用接觸器。雖然繼電器和接觸器都是使用 12 Vdc 等低電壓來切換更高電壓電路的開關，但兩者使用不同的接觸器結構，並針對不同的電壓和電流位準進行最佳化。繼電器的額定電壓通常高達 600 V，而接觸器的額定值則為 800 V 或更高。此外，繼電器通常限制在數十安培內，而接觸器則可切換數百安培。例如，TE 的 EV200AAANA 接觸器額定值為 900 V 和 500 A，適用於快速直流充電器。

直流充電器所用的訊號連接器和功率電阻，與交流設計所使用的有所不同。直流充電器涉及更複雜的控制，例如與 EV 電池組進行通訊，而這在交流設計中就不需要。AC 和 DC 充電器均可享受 0.050" x 0.050" (1.00 mm x 1.00 mm) 中心線的板對板細間距連接器所帶來的優勢，但直流充電器可能需要更高的引腳數，例如 30 腳位的 1MM-R-D15-VS-00-F-TBP。

此外，直流充電器中更高的功率位準可以從鋁殼功率電阻獲益 (如 TE 的 HS 系列)。這些繞線電阻非常穩定，可以在表面溫度相對較低的受限空間內耗散高功率。例如，HSA1010RJ 型號的額定值為 10 Ω ±5% 和 10 W。此系列的其他型號額定值高達 82 kΩ、300 W。

雖然相同類型的緊急停止開關通常可用於交流和直流充電器，但若需要 EMI 濾波器，直流充電器可能需要更大的濾波器或更多的濾波器，視設計而定。

交流和直流充電器之間還有另一個差異在於直流充電器需要電源端子台，如 TE 的 ENTRELEC 緊湊型電源塊，以便進行內部配電。CBS50-2P 型號的額定值為 150 A 和 1 kV。

圖 4：快速直流充電器所需的元件，有很多都跟第 2 級和模式 3 交流充電器相同，但也有一些細微的區別。(圖片來源：TE Connectivity)

結論

先進的電動車充電器設計對於減輕里程焦慮，以及促成電動車的大規模部署都至關重要。這些先進的充電器將使用更高的電壓和電流，將充電時間縮短至約 10 分鐘，能讓電動車充電與內燃機車輛的加油時間相當。如本文所述，設計人員需要各種緊湊、高效且可耐受環境的元件，以促成快速交流和直流充電器，以及未來幾代的 XFC 設計。