【導讀】汽車(chē)電氣化時(shí)代已經(jīng)到來(lái)，隨之帶來(lái)了一波創(chuàng )新技術(shù)的進(jìn)步。然而，在采用這些技術(shù)時(shí)，安全是最需要考慮的因素之一。當今，電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的需求和發(fā)展趨向于減少充電時(shí)間、增加行駛里程，以及質(zhì)量更好的新型電動(dòng)汽車(chē)。然而，減少充電時(shí)間就必須采用更高的系統電壓，增加里程將導致更高的工作電流。這些都對電動(dòng)汽車(chē)在電路保護設計方面提出了更高要求，需要仔細考慮。
圖源：JustSuper/adobe.stock.com
在電子產(chǎn)品日益多樣化和復雜化的今天，能有效防止電子元器件在受到過(guò)壓、過(guò)流、浪涌、電磁干擾等情況下不受損壞的電路保護器件，幾乎成為所有電子產(chǎn)品中的標配。
根據Precedence Research的預測，全球電路保護市場(chǎng)的價(jià)值將從2021年的445億美元增長(cháng)到2030年的808.2億美元，從2021年到2030年的復合年增長(cháng)率將達到5.9%。不斷增長(cháng)的汽車(chē)工業(yè)，以及消費電子產(chǎn)品的廣泛使用是推動(dòng)市場(chǎng)增長(cháng)的關(guān)鍵因素之一。隨著(zhù)自動(dòng)駕駛汽車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)和混合動(dòng)力汽車(chē)的持續增長(cháng)，現在的汽車(chē)充滿(mǎn)了尖端電子設備，與此同時(shí)，對汽車(chē)電路保護的需求正在急劇增加。
圖1：2020年到2030年全球電路保護市場(chǎng)趨勢預測
（圖源：Precedence Research）
電動(dòng)汽車(chē)的充電類(lèi)型及其功率容量
據估計，2020年全球范圍內道路上行駛的電動(dòng)汽車(chē)（EV）約有550萬(wàn)輛，到2025年，這個(gè)數字將超過(guò)2,400萬(wàn)。目前，大規模推廣電動(dòng)汽車(chē)的一個(gè)重要限制是支持長(cháng)途旅行所需的公共充電基礎設施。根據統計，2020年，全球公共充電樁保有量約為130.8萬(wàn)臺。遺憾的是，這些充電樁中幾乎沒(méi)有一個(gè)能在接近燃油車(chē)加油的時(shí)間范圍內為電動(dòng)汽車(chē)充滿(mǎn)電。
目前，電動(dòng)汽車(chē)充電樁主要有快充和慢充兩種模式。交流充電樁就是大家俗稱(chēng)的“慢充樁”，它通過(guò)與交流電網(wǎng)連接來(lái)提供交流電源。當使用交流充電樁進(jìn)行充電時(shí)，充滿(mǎn)電量大約需要5-8小時(shí)。直流充電樁也就是我們平時(shí)所說(shuō)的“快充樁”，即便是最新的大功率直流充電樁也需要30分鐘內才能將電動(dòng)汽車(chē)電池充電至80%容量。
當前的充電樁主要有三種類(lèi)型：帶有電纜控制盒（ICCB）的AC1級充電樁主要針對住宅充電；AC2級即適用住宅也可用于公共設施；第三種類(lèi)型是用于公共和商業(yè)設置的直流快速充電站。
AC1
AC1級使用標準120VAC電源插座，對于200km的行程，充電時(shí)間長(cháng)達20小時(shí)，這些充電樁是最基本的和最便宜的。
AC2
AC2的電源為240VAC及以上，除了公共場(chǎng)所，它們也可以用在家庭的標準240VAC插座中，其充電時(shí)間為5-6小時(shí)（200km行程），根據充電點(diǎn)的數量或可用功率，充電成本較高。根據現場(chǎng)所需的充電點(diǎn)數量，AC2級交流電源以?xún)煞N不同的方式配置，一些是單個(gè)集成（<175kW）電源柜和充電點(diǎn)，而另一些則是具有多個(gè)分布式充電點(diǎn)的大型電源柜（>175kW）。
直流快速充電（DCFC）
DCFC是目前最快的電動(dòng)汽車(chē)充電方法（200km需30分鐘），但也是最昂貴的。它們通過(guò)AC到DC功率轉換模塊連接到電力公用電網(wǎng)，輸出直流電壓范圍為120VDC至920VDC，預計未來(lái)電壓可能會(huì )更高。
很顯然，設計工程師在開(kāi)發(fā)充電樁時(shí)必將面臨多重挑戰，首當其沖的就是安全性，因為用戶(hù)在為車(chē)輛充電時(shí)必須與超過(guò)300kW的充電樁電源連接。其他重要的設計參數還包括降低功耗、在最大溫升下保持高效率，以及暴露在室外的充電樁必須可靠運行等。
圖2：三種主流的充電樁類(lèi)型
（圖源：CITEL官網(wǎng)）
電動(dòng)汽車(chē)中的電路保護考慮
火災是電動(dòng)汽車(chē)供電設備安裝的首要危險。雖然火災可能由多種原因引起，但最常見(jiàn)的原因是安裝充電樁的建筑物或結構內的電線(xiàn)和電源的老化。無(wú)論是AC1級還是AC2級充電樁，所有電氣接線(xiàn)應滿(mǎn)足電動(dòng)車(chē)輛供電設備的充電要求，并應與每個(gè)設備的技術(shù)規范兼容。這里所需的電涌保護裝置（SPD）的保護點(diǎn)重點(diǎn)在主配電盤(pán)。
根據IEC 61643-11，在交流網(wǎng)絡(luò )中，產(chǎn)生的雷電電流可達每相12.5kA。主配電盤(pán)輸入端的SPD必須具有抵御雷電等外來(lái)強瞬態(tài)電流沖擊的能力。此外，它們還必須無(wú)泄漏電流，并且對由于低壓網(wǎng)絡(luò )故障可能出現的短期電壓峰值不敏感。這是確保設備長(cháng)使用壽命和高SPD可靠性的有效措施。
涉及電動(dòng)汽車(chē)供電設備的另一個(gè)潛在危險是接地故障斷路器（GFCI）故障。標準電動(dòng)汽車(chē)充電樁通過(guò)GFCI電源插座連接到其電源，可有效防止電擊的發(fā)生。然而，報告顯示，在世界一些地區GFCI斷路器的故障率達到57%，閃電、老化和磨損等是導致這些設備故障的主要原因。因此，在安裝電動(dòng)汽車(chē)供電設備之前，我們還應徹底檢查其連接的GFCI，以確保不存在任何損壞。
Phoenix Contact的熱磁設備斷路器CB TM1 16A F1 P有1個(gè)PDT觸點(diǎn)，標稱(chēng)工作電流為16A，絕緣電阻Riso > 100MΩ（500VDC），可靠性高，發(fā)生故障時(shí)可實(shí)現快速熔斷。
圖3：熱磁設備斷路器CB TM1 16A F1 P
（圖源：Phoenix Contact）
如前所述，為縮短電動(dòng)汽車(chē)電池的充電時(shí)間，我們可以借助直流充電樁來(lái)實(shí)現“快充”。這些充電樁的額定功率高達350kW，充電電流更是達到400A。實(shí)際使用中隱藏著(zhù)一個(gè)巨大的技術(shù)挑戰，那就是充電所需的高功率、高電流引發(fā)的過(guò)熱問(wèn)題。因此，必須適當監測充電樁、連接器系統、母線(xiàn)、電力電子設備和高壓電池的溫度，以確保充電過(guò)程的安全性和有效性。不完善的溫度監測可導致系統元件磨損，縮短壽命甚至出現故障。極端情況下，重度過(guò)熱還可能導致電池著(zhù)火。
針對電動(dòng)汽車(chē)的溫度監測應用，TDK專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了特殊的NTC溫度傳感器，這些傳感器可穩定檢測EV電池的充電過(guò)程。2021年底，TDK最新推出的L860片式NTC熱敏電阻，可直接嵌入到IGBT功率模塊中，其特性對應于常見(jiàn)的MELF-R/T曲線(xiàn)。與其他技術(shù)相比，該方案建立了NTC芯片與功率模塊的出色熱耦合，從而實(shí)現了極短的響應時(shí)間和高精度的溫度測量和控制。
圖4：TDK L860片式NTC熱敏電阻
（圖源：TDK）
對于直流充電樁而言，在與交流電源的連接處，充電樁還需要使用快速作用的大電流保險絲，以防止過(guò)載電流和短路情況的發(fā)生。這個(gè)保險絲必須具有足夠大的電流中斷額定值，以確保其能可靠工作。
Littelfuse JTD Indicator? POWR-PRO? 保險絲額定電壓、600A最大額定電流以及IEC Type 2保護特性。JTD Indicator? POWR-PRO?保險絲擁有的限流時(shí)間延遲特性，可減少麻煩的保險絲開(kāi)路。此外，這些保險絲均采用緊湊型封裝，易于集成，并提供肉眼可見(jiàn)的燒斷指示和最大的保護。
圖5：Littelfuse JTD系列保險絲
（圖源：Littelfuse）
與交流充電樁一樣，直流充電樁也應包含浪涌保護裝置（SPD），以承受高能瞬態(tài)沖擊。實(shí)際應用中也可考慮使用功率TVS二極管以實(shí)現快速響應和低電壓箝位，在這里TVS二極管可作為一級浪涌保護器的二級保護。
可見(jiàn)，過(guò)電壓保護（OVP）、過(guò)電流保護（OCP）、欠電壓保護（UVP）和欠電流保護（UCP）等這些保護措施，在確保電動(dòng)汽車(chē)充電時(shí)的安全同樣發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。限于篇幅，這里不再進(jìn)行詳細討論。
結語(yǔ)
充電裝置和其連接的車(chē)輛都具有敏感的電子部件，它們都需要防止過(guò)電壓、過(guò)流、高溫升、雷電浪涌等因素帶來(lái)的沖擊。隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)的日益普及，以及新的“快速充電”技術(shù)的推廣，對可靠和安全的充電基礎設施的需求也在增加，這一趨勢必將利好電路保護市場(chǎng)。
2021年，全球電路保護市場(chǎng)規模達到428億美元。展望未來(lái)，IMARC集團預計，到2027年該領(lǐng)域的市場(chǎng)規模將達到579億美元，2022-2027年的復合年增長(cháng)率（CAGR）為5.6%，其中電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)的貢獻功不可沒(méi)。
電動(dòng)汽車(chē)是當今和未來(lái)的熱門(mén)話(huà)題，其進(jìn)一步發(fā)展取決于及時(shí)建設適當的充電樁網(wǎng)絡(luò )。通用的解決方案常常無(wú)法全面涵蓋特殊場(chǎng)景，正如瑞士軍刀無(wú)法取代真正精良的工具一樣。對于電動(dòng)汽車(chē)充電樁和電動(dòng)汽車(chē)而言，也許很難在市場(chǎng)上找到理想的、統一的電路保護方案。但找到最薄弱、最要害的點(diǎn)位，正確評估應用場(chǎng)景，并施加正確的保護措施，就能有效防止故障甚至火災的發(fā)生。
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