0 引言

隨著《QC/T 841-2010電動(dòng)汽車傳導(dǎo)式充電接口》及《Q/GDW 485-2010電動(dòng)汽車交流充電樁技術(shù)條件》等標(biāo)準(zhǔn)的相繼出臺(tái)，電動(dòng)汽車的充電模式以及對(duì)低壓電器提出的要求也日漸清晰。一種新型的12VDC直流控制交流接觸器，由于其采用先進(jìn)的電子控制方式和低功耗的設(shè)計(jì)^[1]，克服了交流接觸器傳統(tǒng)直流控制設(shè)計(jì)方法導(dǎo)致的線圈線徑細(xì)、線圈繞線匝數(shù)多等缺點(diǎn)，并有效地降低了交流接觸器的啟動(dòng)功率，達(dá)到了國(guó)家交流接觸器1級(jí)能效等級(jí)。目前，電動(dòng)汽車充電樁至少會(huì)配有25W 的12VDC輸出的AC-DC的穩(wěn)壓電源，可以直接控制這種新型交流接觸器，不但可以省掉一個(gè)中間繼電器，而且通過(guò)穩(wěn)壓電源直接控制的接觸器，由于電壓保持穩(wěn)定，操作更可靠，同時(shí)還具有直流控制交流接觸器線圈溫升低、吸持功耗低、吸持噪音小等優(yōu)勢(shì)。

1 電動(dòng)汽車充電標(biāo)準(zhǔn)的解析

1.1 電動(dòng)汽車充電模式

《QC/T 841-2010電動(dòng)汽車傳導(dǎo)式充電接口》汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了電動(dòng)汽車的充電模式分為四種，見(jiàn)表1.1。

表1.1  不同充電模式供電設(shè)備額定值

1.充電模式1：將電動(dòng)汽車連接到交流電網(wǎng)時(shí)，在電源側(cè)使用了符合GB 2009.1要求的額定電流不小于16A的插頭插座，在電源側(cè)使用了相線、中性線和接地保護(hù)的導(dǎo)體，并且在電源側(cè)使用了漏電保護(hù)器。

2.充電模式2：將電動(dòng)汽車連接到交流電網(wǎng)時(shí)，在電源側(cè)使用了符合GB 2009.1要求的插頭插座，在電源側(cè)使用了相線、中性線和接地保護(hù)的導(dǎo)體，并且在充電連接電纜上安裝了控制導(dǎo)線裝置。

3.充電模式3：將電動(dòng)汽車連接到交流電網(wǎng)時(shí)，使用了專用供電設(shè)備，將電動(dòng)汽車與交流電網(wǎng)直接連接，并且在專用供電設(shè)備上安裝了控制導(dǎo)引裝置。

4.充電模式4：將電動(dòng)汽車連接到交流電網(wǎng)時(shí)，使用了非車載充電機(jī)，將電動(dòng)汽車與交流電網(wǎng)間接連接。

根據(jù)該行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，電動(dòng)汽車充電樁的建設(shè)以充電模式3為主，即220VAC單相32A，標(biāo)準(zhǔn)同時(shí)提出了，充電設(shè)備對(duì)低壓電器安全防護(hù)的功能要求：

1．交流充電樁應(yīng)具有急停開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)在充電過(guò)程中緊急切斷輸出電源，同時(shí)解除充電插頭的閉鎖；

2.主回路也具備帶負(fù)載可分合電流；

3.交流充電樁應(yīng)具備過(guò)負(fù)載保護(hù)、短路保護(hù)、漏電保護(hù)功能；

4.在充電過(guò)程中，充電連接異常時(shí)，交流充電樁應(yīng)立即啟動(dòng)切斷輸出電源。

關(guān)于主回路可分合負(fù)載電流的低壓電器，國(guó)家電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)是采用交流接觸器，南方電網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)是采用塑殼斷路器加電動(dòng)操作機(jī)構(gòu)。而從頻繁操作電壽命的角度上看，接觸器的電壽命遠(yuǎn)大于塑殼斷路器，更適合用于頻繁分合負(fù)載電流。國(guó)家電網(wǎng)充電樁低壓電器系統(tǒng)圖，包括防雷器、電能表、微型短路器、漏電保護(hù)器、交流接觸器，見(jiàn)圖1.1。

圖1.1 國(guó)家電網(wǎng)充電樁低壓電器系統(tǒng)圖

1.2 充電樁對(duì)12VDC控制交流接觸器的要求

由于電動(dòng)汽車充電樁的人機(jī)交互功能，付費(fèi)功能和通訊功能的控制電路板通常需要一個(gè)25W以上功率、12VDC輸出的AC-DC的穩(wěn)壓電源。這個(gè)穩(wěn)壓電源可以直接驅(qū)動(dòng)12VDC控制的交流接觸器，可以省掉一個(gè)中間繼電器^[2]，同時(shí)不用從主回路母排引出交流二次回路控制線。接觸器吸合電壓的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)是85%-110%，在市電電壓不穩(wěn)定的情況，容易造成接觸器不吸合。通過(guò)穩(wěn)壓電源直接控制的接觸器，由于電壓保持穩(wěn)定，接觸器的操作更可靠和穩(wěn)定。直流控制的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法存在線圈繞線匝數(shù)多、啟動(dòng)功率大的缺點(diǎn)，特別是12VDC低電壓的控制時(shí)，為了足夠的吸合力，會(huì)造成吸合電流過(guò)大，從而造成啟動(dòng)功率高。上海諾雅克研發(fā)的9ci系列低功耗接觸器，加入電子化控制的設(shè)計(jì)方法，可以從根本上解決這一系列的問(wèn)題。

2 產(chǎn)品技術(shù)方案

2.1 產(chǎn)品整體設(shè)計(jì)方案

該產(chǎn)品由傳統(tǒng)的交流操作改為直流吸持，并且采用非永磁結(jié)構(gòu)的直流化、高效電源轉(zhuǎn)換和低成本方案^[3]，可節(jié)省鐵心和短路環(huán)中占絕大部分的損耗功率，使得交流接觸器的吸持功率可達(dá)到國(guó)家1級(jí)能效等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，有功功率節(jié)電率可高達(dá)85％以上，從而取得較高的節(jié)電效益。同時(shí)12VDC-380VDC控制的交流接觸器，啟動(dòng)功率低、線圈發(fā)熱小、線圈繞線匝數(shù)少、吸持噪音小，可以廣泛應(yīng)用在智能化控制的領(lǐng)域。方案中涉及的低電壓吸持接觸器裝置，見(jiàn)圖2.1。

圖2.1 低電壓吸持接觸器裝置示意圖

2.2 12VDC控制的技術(shù)難點(diǎn)及方案

交流接觸器采用12VDC電壓規(guī)格控制的技術(shù)難點(diǎn)在于：

1.參照GB14048.1動(dòng)作條件中規(guī)定：接觸器應(yīng)在US=85%時(shí)正常閉合，因此，低電壓控制的設(shè)計(jì)難度在于，提高電磁轉(zhuǎn)換效率保證接觸器在10.2V的條件下正常閉合；

2.12VDC規(guī)格交流接觸器多應(yīng)用于電子電路直接驅(qū)動(dòng)的場(chǎng)合，因此，在確保低電壓正常閉合的同時(shí)，更應(yīng)降低接觸器的啟動(dòng)功率；

技術(shù)方案，見(jiàn)圖2.2，交流接觸器12VDC控制電路其特征為^[4]：

圖2.2 交流接觸器12VDC控制電路

1.采用繼電器J1觸點(diǎn)切換接觸器吸合與吸持，機(jī)械觸點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，接觸電阻低、過(guò)載能力強(qiáng)有利于提高的電磁轉(zhuǎn)換效率，配以電子滅弧電路使繼電器電壽命大幅度提高；

2．電容C1和電子滅弧均為無(wú)極性器件,使得控制電路為無(wú)極性電路方便應(yīng)用；

3.由J1、C1組成LC時(shí)間電路，在控制起動(dòng)時(shí)間常數(shù)的同時(shí)設(shè)定了起動(dòng)門檻，從而消除了觸頭抖動(dòng)；

4.通過(guò)優(yōu)化勵(lì)磁線圈L1的“匝安”比例，降低控制電源電流；

5.控制電路體積小、可靠性高、成本低。

2.3 產(chǎn)品啟動(dòng)過(guò)程的設(shè)計(jì)

啟動(dòng)控制電路的電源一路是由D1、C3組成的吸合電源^[5]，見(jiàn)圖2.3，經(jīng)BTMOS管BT1向起動(dòng)線圈L1提供勵(lì)磁驅(qū)動(dòng)電流，啟動(dòng)控制電路的電源的另一路是由D4、C2組成的啟動(dòng)控制電路電源，繼電器J1通過(guò)其JK的觸點(diǎn)切換，控制BTMOS管BT1的導(dǎo)通與截止。當(dāng)繼電器J1得電時(shí)，經(jīng)電解電容C1和R1吸合，由C1、R1組成RC時(shí)間常數(shù)電路，控制其JK的常閉接點(diǎn)接通，BTMOS管BT1經(jīng)電阻R3得電導(dǎo)通，使勵(lì)磁電流流經(jīng)起動(dòng)線圈L1，接觸器吸合，經(jīng)啟動(dòng)線圈L1完成吸合過(guò)程。當(dāng)電解電容C1經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的充電后電位升高，R1的阻值較大，不能維持繼電器J1的導(dǎo)通，經(jīng)約100ms的延時(shí)后，繼電器J1分?jǐn)?，?span lang="EN-US">JK復(fù)位到常閉接點(diǎn)，BTMOS管BT1的G極經(jīng)電阻R4接地，BTMOS管BT1截止。在啟動(dòng)控制電路中，電阻R1的作用一是在吸合時(shí)用于調(diào)節(jié)繼電器J1的導(dǎo)通時(shí)間，二是在接觸器分?jǐn)嗪笥糜卺尫烹娊怆娙?span lang="EN-US">C1、C2的所儲(chǔ)電量，并為下次吸合做準(zhǔn)備。電解電容C1的作用是調(diào)節(jié)繼電器J1的導(dǎo)通時(shí)間，以及在電容C1充電后電位升高，可以抵抗控制電源的快速脈沖電源電壓的干擾，最大限度地降低接觸器觸頭抖動(dòng)現(xiàn)象的發(fā)生。二極管D5的作用是當(dāng)BTMOS管BT1截止后，釋放起動(dòng)線圈L1的能量，實(shí)現(xiàn)由吸合轉(zhuǎn)為吸持的平穩(wěn)過(guò)渡。

圖2.3 驅(qū)動(dòng)電路原理圖

2.3 產(chǎn)品吸持過(guò)程的設(shè)計(jì)^[6]

吸持控制電路電源經(jīng)由D2、D3 、D1及C5組成的共地電源向DC-DC模塊U1供電，由于U1為DC-DC開(kāi)關(guān)電源模塊，工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生峰-峰值超過(guò)600mA的周期性尖峰電流，極大地影響了吸持功率檢測(cè)中的（均方根）電流值的檢測(cè)。究其原因，如果電源電壓能夠均衡的向電容C5充電，電路的PF值等于1，但在輸入整流后脈動(dòng)直流電壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生周期性尖峰電流，直接影響吸持功率均方根值的檢測(cè)。即在輸入交流電壓時(shí)，經(jīng)整流后的脈動(dòng)直流電壓，只是當(dāng)其電壓幅值大于C5電壓值時(shí)，才能為C5快速充電，吸持周期性尖峰電流波形與其對(duì)應(yīng)的電壓波形相差甚遠(yuǎn)，致使電路的PF值過(guò)小。在本發(fā)明由DC-DC模塊U1、R2、C5構(gòu)成的平抑尖峰電流電路中，（PFC）電阻R2的作用是平抑脈動(dòng)直流電壓向C5充電的尖峰電流，使均方根電流的檢測(cè)值由之前的59.9mA降為如圖2.3所示的38.6mA，使接觸器吸持功率符合了1級(jí)能效等級(jí)要求。吸持控制電路中的DC-DC模塊U1是一種小體積、低電壓輸出的DC-DC轉(zhuǎn)換模塊，其輸出電壓值1.5V、電流值500mA，當(dāng)其輸出端在向勵(lì)磁線圈L2提供大于230mA的直流吸持電流時(shí)，其輸入端的DC電流值僅為27mA。二極管D6連接在吸持控制電路的輸出端和輔助吸持勵(lì)磁線圈L2的一端之間，起到隔離該勵(lì)磁線圈起動(dòng)時(shí)的高電壓的作用，在吸合電路動(dòng)作時(shí)，依靠防倒流二極管D6阻擋反向高電壓的沖擊，保證接觸器吸合動(dòng)作過(guò)程完結(jié)后，及時(shí)進(jìn)入穩(wěn)定的吸持狀態(tài)。輔助吸持勵(lì)磁線圈L2通過(guò)增加線圈匝數(shù)和線徑的方式，調(diào)節(jié)不同規(guī)格產(chǎn)品的吸持電流。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，該裝置在滿足1級(jí)能效等級(jí)對(duì)吸持功率要求的同時(shí)，解決了傳統(tǒng)限流技術(shù)中元器件溫升大的難題。

圖2.3 1級(jí)能效的電流波形圖

3 產(chǎn)品的特性及實(shí)驗(yàn)

實(shí)現(xiàn)的直流控制的1級(jí)能耗非永磁交流接觸器裝置具有如下特性：

1、滿足吸持條件：線圈匝數(shù)：L1+L2 = 350T，線圈電阻：3.0Ω，吸持電流：≥220mA。

2、DC-DC模塊（U1）輸出電壓：1.5V，二極管（D5）壓降：0.81V，線圈（L1+L2）施加電壓：0.69V，線圈吸持電流：230mA。

3、DC-DC模塊（U1）的輸出功率：1.5V ×0.23A = 0.345VA, 當(dāng)轉(zhuǎn)換效率60%時(shí)，U1輸入功率：0.575VA。

4、接觸器通過(guò)1級(jí)能效等級(jí)檢驗(yàn)結(jié)果，見(jiàn)表3.1：吸持功率0.77VA（DC），0.90VA（AC）。

表3.1 委外試驗(yàn)分析報(bào)告

4 結(jié)語(yǔ)

    隨著新能源行業(yè)的發(fā)展，智能化系統(tǒng)對(duì)傳統(tǒng)低壓電器提出了更高的要求，電子化直流控制的低壓電器產(chǎn)品是系統(tǒng)智能化的基礎(chǔ)，將越來(lái)越多地融入智能化的系統(tǒng)平臺(tái)。上海諾雅克電氣公司研發(fā)的9ci系列12VDC控制低功耗交流接觸器已應(yīng)用于電動(dòng)汽車交流充電樁系統(tǒng)，并為充電樁低功耗、高可靠性、低成本、便捷化設(shè)計(jì)提供了有力的支持。