高性能磁传感器加速电动汽车充电

到 2050 年，环境政策正在引导我们在世界上大多数主要城市实现零排放目标。实现零排放交通对于减少许多城市环境中存在的污染空气颗粒物并控制相关的健康问题至关重要。为此，出现了支持电动汽车 (EV) 快速充电基础设施的创业和技术战略。

中国是蓬勃发展的电动汽车行业的领先市场，其次是美国和欧洲。政府的雄心壮志正在推动中国的电动汽车发展势头。该国的目标是在未来两年内使道路上的电动汽车数量超过 600 万辆。由于电动汽车中的电池仍然庞大且昂贵，因此现在的重点是建立高效的充电基础设施。先进的磁性元件可以帮助设计人员为不断发展的充电网络实现产品的安全性、可靠性和高性能。

图 1：电动汽车中使用的传感器和设备

微控制器、用于电源控制的电源管理 IC 和各种传感器完善了 EV 的电子生态系统（图 1）。

电动车

插电式电动汽车是一种可以从外部电源充电的机动车辆。有两种基本类型：

纯电动汽车 (BEV) 是完全电动的，没有内燃机。他们从外部电源中获得所需的所有能量。

插电式混合动力电动汽车 (PHEV) 具有基于内燃机的推进系统，该系统与电气管理系统协同工作。充电控制由电动汽车和充电站之间的通信协议支持。该协议使用脉宽调制 (PWM) 信号来控制充电周期。

电动汽车充电模式

电动汽车充电站是为汽车电池提供电能的网络基础设施。根据 IEC 61851 标准化的充电站配备了一系列符合汽车标准的连接器。一般来说，电动汽车充电分为三种主要类型，根据输出功率和为电动汽车或插电式混合电动汽车电池充电所需的充电时间进行分类。

快速充电模型可以是交流电或直流电。最快的交流充电器的标称输出功率约为 40 kW，而大多数快速直流充电器的最小输出功率为 50 kW。两者都可以在大约 40 到 60 分钟内为大多数电动汽车充电 80%，具体取决于电池容量。

2 级快速充电结构的功率范围从 7 kW 到 22 kW，通常可以在三到四个小时内为电动汽车充满电。慢速充电器也常用于过夜、家庭使用。它们的标称输出功率约为 3 kW，通常需要 6 到 12 小时才能为纯电动汽车提供一个完整的充电器，或者为 PHEV 提供两到四个小时。

IEC 62196 国际标准对四种充电模式进行了分类，描述了电动汽车和充电设备的一般特性。模式 1 是一种低电流交流充电方法，主要用于轻型车辆，例如轻便摩托车。出于安全原因，在某些地区（包括美国和欧洲）禁止使用模式 1。该模式不提供特定保护（除了家用四边形的磁热差动保护）或车辆与充电硬件结构之间的任何通信。

模式 2 是一种 AC 方法，用作临时解决方案。它是介于模式 1 和模式 3（稍后描述）之间的中间模式。当必须使用合适的低功率适配器为配备模式 3 充电的车辆充电时，使用模式 2。它依赖于通用的 Schuko 连接器。配备电缆内控制箱（ICCB）或电缆内控制和保护装置（IC-CPD）的电缆用于执行差动保护功能。此模式主要用于家庭加注或偶尔或紧急加注，通常用于公寓和商业停车场。

图 2：IC-CPD 的一般框图

IC-CPD 非常适合灵活、安全地为车辆充电。IC-CPD 控制系统（图 2）分为两个部分：控制电子设备和电力电子设备。控制部分包括微控制器、驱动电路和控制导频。控制飞行员主要负责 EV 和能源之间的通信，处理可能流过的最大允许电流为电池充电。在图 2 的电力电子侧，需要两个继电器，以便在出现故障时可以关闭充电过程。

EV 充电要求剩余电流传感器满足新标准，包括 IEC 62752 和 IEC 60364-7-722，并避免在车辆电池 (DC) 连接到家用电源 (AC) 时出现危险情况。传感器对于检测泄漏电流至关重要，这些泄漏电流可以通过 IC-CPD 流入电池，然后流入 A 型剩余电流装置 (RCD)，从而关闭 RCD 的安全功能。Vacuumschmelze (VAC) 提供一种基于磁门原理的传感器，即使在恶劣的电气和环境条件下也能提供出色的分辨率和精度（图 3 和图 4）。这种紧凑的传感器设计非常适合 IC-CPD，但也可以与壁挂式充电盒一起使用，以进行模式 3 充电。

图 3：Vacuumschmelze VAC 4641-X900 传感器的典型应用

将 VAC 差分电流 (DI) 传感器集成到 IC-CPD 或壁装盒中，可以以低成本为 EV 充电电子设备提供全电流灵敏度和电气安全性。如果传感器检测到故障电流，相应的输出将改变其状态。提供用于单相或三相系统的集成初级导体的设计变体以及直通变体。从热设计的角度来看，VAC 4641-X900 能够承受高达 80 A 的满载电流。差动电流的测量范围在 0 到 300 mA 之间。从直流到千赫兹，测量分辨率0.2mA，完全兼容欧美相关标准。

图 4：VAC 4641-X900 传感器内部

模式 3 是推荐的日常充电交流方式，包括重要的智能控制功能。模式 3 类型 2 连接器是欧洲的标准连接器，由欧盟指令和若干标准（例如 IEC 61851）确定，供私人或公共使用。在标准的三相系统时间内使用 11 kW 到 43 kW 的功率（图 5），模式 3 在充电时间方面比模式 2 有所改进。

图5：公共充电站框图

模式 3 的控制电子设备更加复杂，增加了人机界面、计费界面和远程服务应用程序通信等功能。在电力电子方面，模式 3 需要对所有三相进行电流测量，以及在计费过程中进行可靠的电能计量。对于电流测量，VAC 提供基于磁场探头设计的闭环电流传感器，以实现高测量精度。紧凑型设计可提供用于直接 PCB 安装的集成初级导体。标准产品组合范围广泛，但 VAC 还可以提供具有成本效益设计的定制解决方案。VAC 电流互感器允许测量功率，提供具有高动态范围和高输出信号的非常线性的测量。

图 6：电动汽车充电模式概览

模式 4 是目前直流最快的充电方式。目标是在 15 分钟内为大约 80% 的电池充电。典型的充电功率介于 150 kW 和 400 kW 之间（图 6）。

在模式 1、2 和 3 中，电池充电器电路安装在车辆上并直接由电源电压 (220/400 V) 供电。在模式 4 中，充电器安装在充电站中。因此，汽车以直流电充电至蓄电池的实际充电电压。但是电压是由汽车的控制系统调节的，它可以使用合适的通信协议远程控制放置在交货点的电池充电器。根据使用的系统，充电电压可达 1,000 V，电流可达 400 A；通常需要冷却以保持较低的电池温度。目前用于模式 4 充电的系统是 CHAdeMO（“CHArge de MOve”，或移动充电），适用于高达 62.5 kW（500 V，125 A）的充电。有了这个系统，

除了这四种模式外，还有其他模式正在测试或等待标准化。使用放置在停车场路面上的特殊板的“无线”（感应式、电容式）充电方法越来越相关。带有“桨”的感应充电基于没有电触点的插入式连接器。随着直流低压配电网络的发展，使用固定充电电压的未调节直流充电是未来潜在的有趣选择。

图 7：直流充电站的一般框图

图 7 显示了直流充电站的框图。电力电子设备中需要一个 AC/DC 转换器。电源变压器可保证 IEC 61851 定义的安全电流隔离。材料选择由浅损耗和高激励水平定义，实现了非常紧凑的低散热解决方案。纳米晶 VAC 解决方案表现出较低的能量损失，以适应 EV 应用。

审核编辑：刘清