設計安全、高效又可靠的EV充電站

作者 : Littelfuse

考量到充電站的重要性、所涉及的功率水準和所需的投資,電動車充電系統的設計者必須對安全性、效率和可靠性進行規劃...

市場對於電動和混合動力車輛的接受度要依賴充電站網路,因為消費者不會想在一個無法為車輛充電的地方耗盡電量。電動車的採用與否還取決於充電時間的縮短,目標是使電動車充電時間與傳統的充電時間持平;這又取決於充電功率超過50kw的大功率充電站,而這些充電站相對更昂貴。

考量到充電站的重要性、所涉及的功率水準和所需的投資,電動車充電系統的設計者必須對安全性、效率和可靠性進行規劃:

  • 安全──消費者安全至上,在直流充電站出現之前,一般大眾還沒有接觸到比他們在家裡看到的牆上插座120V更高的電源。新型電動車充電器可提供400至1,000V直流電,電動車充電器必須將電擊和其他危險的威脅降至最低。
  • 高效──功率轉換是直流快速充電系統的關鍵,將功率轉換中的損耗降至最低,可確保為車輛電池充電提供最大功率,並減少熱量積聚。
  • 可靠──安裝後,即使在最惡劣的室外條件下,電動車充電設備也必須可靠地運作10年或更長時間,以確保獲得可接受的投資回報。

 

直流充電站的所有六個功能部件都需要電路保護。

安全性

電動車充電站的兩大安全威脅是電擊和過電流。電擊通常是由接地故障引起的。

電擊

接地故障是通電的導體與地面或設備框架之間的意外接觸,絕緣擊穿是典型的元兇。此外,灰塵和濕氣可能會導致意外的電力傳輸。潮濕多塵的環境(例如在室外設備周圍發現的環境)需要進行認真的設計。

在設計的輸入端需要交流接地故障保護,以保護元件免受破壞性故障的影響,並在設備框架或外殼通電時保護用戶免受電擊。接地故障保護元件在相線導體上使用電流互感器,以確保所有來自電源的電流都在相同的導體上返回,或者它讀取變壓器中性線與地面之間連接中的電流。系統中任何地方的接地故障都會透過該路徑返回電流。

同樣,輸出端也需要接地故障保護,如此一來當使用者拿起容量為1,000 V的

基於碳化矽的元件,例如Littelfuse的1200V、80mOhm MOSFET,已針對傳統矽元件所沒有的高功率,低電阻和低功率轉換損耗進行了最佳化。

基於碳化矽的元件,例如Littelfuse的1200V、80mOhm MOSFET,已針對傳統矽元件所沒有的高功率,低電阻和低功率轉換損耗進行了最佳化。

的充電槍時,手柄或框架就不會通電。在輸出端安裝了一個直流接地故障監視器,以檢測是否有接地洩漏並立即切斷電源。由於輸出端未接地,接地故障監控器依靠兩條母線之間的接地參考模組來建立中性點,該中性點用作檢測低級接地故障的參考。

過電流

根據其性質,車輛充電站連接到具有可輸出高故障電流的電源。電氣故障,包括引發接地故障的電氣故障,可能會汲取高電流。這可能具有非常大的破壞性,損壞元件、扭曲母線、引發火災,甚至會引起電弧閃光事件(這種爆炸可能會傷害或殺死任何站在附近的人)。

根據熔斷器的分斷能力,基於正常運作電流的額定值及其時間-電流曲線特性選擇熔斷器。 在出現高值過電流時,「限流熔斷器」會快速運作,以限制峰值通過電流。除非快速中斷,否則即使是中等過電流也會使系統元件過熱,損壞絕緣和導體。然而,最嚴重的將是許多電子元件的損壞,其中許多元件甚至容易受到低值過電流的影響。

高效率

功率半導體元件將交流電轉換成汽車電池充電所需的直流電。為了使充電水準與車輛電池所需的電量相匹配,功率半導體元件通過開關控制充電,這一過程自然會以熱量的形式造成功率損失。在電動車充電應用中,熱量會帶來工程技術方面的挑戰。這就是為什麼在功率轉換中會採用基於碳化矽(SiC)和氮化鎵(GaN)技術的先進技術元件。與矽元件相比,它們可提供超快速開關,從而降低了功耗。

碳化矽 MOSFET元件現在可以同時具有高工作電壓和快速開關速度,這一組合通常是傳統功率電晶體所不具備的。為了適應車輛充電應用,它們必須在高結溫下工作,並且具有低閘極電阻、低閘極電荷、低輸出電容和超低導通電阻的特點。設計人員更喜歡能提供高功率密度、減小濾波器元件尺寸和重量的元件,從而降低成本和空間需求。

可靠性

一些壓敏電阻,例如Littelfuse的UltraMOV金屬氧化物壓敏電阻系列中的壓敏電阻,是為要求高峰值浪湧電流額定值和高能量吸收能力的應用而設計的。

一些壓敏電阻,例如Littelfuse的UltraMOV金屬氧化物壓敏電阻系列中的壓敏電阻,是為要求高峰值浪湧電流額定值和高能量吸收能力的應用而設計的。

與設計壽命為三到五年的筆記型電腦之類的消費性電子裝置不同,直流充電站價格昂貴,因此購買者需要使它們持續使用10年或更長時間才能取得投資報酬,僅半導體一項內容的價值就從交流充電器中的350美元到350 kW充電系統中的3,500美元以上不等。適當的電路保護將使該投資長期可靠地運作。

半導體元件對電氣威脅很敏感,必須藉由熔斷器保護其免受過電流的影響。這些元件通常由矽或碳化矽製成,並且具有較低的耐熱容量。傳統的熔斷器足以保護其中的大多數,但需要專門的高速直流熔斷器來保護功率半導體元件──例如功率轉換器(逆變器、整流器等)中使用的MOSFET、IGBT、二極體和晶閘管。這種熔斷器具有特定的時間-電流特性,因此與傳統的交流輸入熔斷器相比,它們的運作速度非常快。

對敏感的半導體元件的另一個威脅是過電壓。如果電動車充電

像Littelfuse的SMF表面黏著系列元件這樣的TVS二極體,專門設計用於保護敏感電子設備免受雷擊和其它瞬態電壓事件引起的電壓瞬變。

像Littelfuse的SMF表面黏著系列元件這樣的TVS二極體,專門設計用於保護敏感電子設備免受雷擊和其它瞬態電壓事件引起的電壓瞬變。

器位於配備大型馬達的工業設施附近,打開和關閉這些馬達會在電源中產生電壓浪湧。另外,如果充電站附近遭受雷擊,電磁能量可能會在附近的電源線上引起電壓浪湧,該電壓浪湧可能會透過交流電源輸入線傳到充電器中。所以必須使用過壓保護元件吸收該能量,防止它損壞使充電器正常工作的敏感電子元件。

電路保護元件採用不同的技術製造。 儘管許多類型的元件都可以使用,但最好選擇適應該應用的理想技術的元件。 在直流充電系統中,大功率瞬態抑制器(TVS)二極體或金屬氧化物壓敏電阻(MOV)通常是最佳的抑制元件。其他類型的保護元件──例如保護晶閘管,氣體放電管和多層壓敏電阻(MLV)或抑制裝置的組合──也通常被指定。

當它用於保護敏感電路時,瞬態抑制器的反應時間是極其重要的,如果抑制器動作緩慢,系統上出現快速上升的瞬態電壓,那麼在抑制開始之前,受保護的負載兩端的電壓可能會上升到破壞水準。電動車充電站設計可實現可靠,高效和安全的目標。

本文由Littelfuse供稿

 

 

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