0 引言

隨著《QC/T 841-2010電動汽車傳導式充電接口》及《Q/GDW 485-2010電動汽車交流充電樁技術條件》等標準的相繼出臺，電動汽車的充電模式以及對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，由于其采用先進的電子控制方式和低功耗的設計^[1]，克服了交流接觸器傳統(tǒng)直流控制設計方法導致的線圈線徑細、線圈繞線匝數(shù)多等缺點，并有效地降低了交流接觸器的啟動功率，達到了國家交流接觸器1級能效等級。目前，電動汽車充電樁至少會配有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，不但可以省掉一個中間繼電器，而且通過穩(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。

1 電動汽車充電標準的解析

1.1 電動汽車充電模式

《QC/T 841-2010電動汽車傳導式充電接口》汽車行業(yè)標準明確規(guī)定了電動汽車的充電模式分為四種，見表1.1。

表1.1  不同充電模式供電設備額定值

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

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

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

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

根據(jù)該行業(yè)標準，電動汽車充電樁的建設以充電模式3為主，即220VAC單相32A，標準同時提出了，充電設備對低壓電器安全防護的功能要求：

1．交流充電樁應具有急停開關，實現(xiàn)在充電過程中緊急切斷輸出電源，同時解除充電插頭的閉鎖；

2.主回路也具備帶負載可分合電流；

3.交流充電樁應具備過負載保護、短路保護、漏電保護功能；

4.在充電過程中，充電連接異常時，交流充電樁應立即啟動切斷輸出電源。

關于主回路可分合負載電流的低壓電器，國家電網(wǎng)的標準是采用交流接觸器，南方電網(wǎng)的標準是采用塑殼斷路器加電動操作機構。而從頻繁操作電壽命的角度上看，接觸器的電壽命遠大于塑殼斷路器，更適合用于頻繁分合負載電流。國家電網(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、漏電保護器、交流接觸器，見圖1.1。

圖1.1 國家電網(wǎng)充電樁低壓電器系統(tǒng)圖

1.2 充電樁對12VDC控制交流接觸器的要求

由于電動汽車充電樁的人機交互功能，付費功能和通訊功能的控制電路板通常需要一個25W以上功率、12VDC輸出的AC-DC的穩(wěn)壓電源。這個穩(wěn)壓電源可以直接驅動12VDC控制的交流接觸器，可以省掉一個中間繼電器^[2]，同時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家標準是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)設計方法存在線圈繞線匝數(shù)多、啟動功率大的缺點，特別是12VDC低電壓的控制時，為了足夠的吸合力，會造成吸合電流過大，從而造成啟動功率高。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計方法，可以從根本上解決這一系列的問題。

2 產(chǎn)品技術方案

2.1 產(chǎn)品整體設計方案

該產(chǎn)品由傳統(tǒng)的交流操作改為直流吸持，并且采用非永磁結構的直流化、高效電源轉換和低成本方案^[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到國家1級能效等級標準，有功功率節(jié)電率可高達85％以上，從而取得較高的節(jié)電效益。同時12VDC-380VDC控制的交流接觸器，啟動功率低、線圈發(fā)熱小、線圈繞線匝數(shù)少、吸持噪音小，可以廣泛應用在智能化控制的領域。方案中涉及的低電壓吸持接觸器裝置，見圖2.1。

圖2.1 低電壓吸持接觸器裝置示意圖

2.2 12VDC控制的技術難點及方案

交流接觸器采用12VDC電壓規(guī)格控制的技術難點在于：

1.參照GB14048.1動作條件中規(guī)定：接觸器應在US=85%時正常閉合，因此，低電壓控制的設計難度在于，提高電磁轉換效率保證接觸器在10.2V的條件下正常閉合；

2.12VDC規(guī)格交流接觸器多應用于電子電路直接驅動的場合，因此，在確保低電壓正常閉合的同時，更應降低接觸器的啟動功率；

技術方案，見圖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觸點切換接觸器吸合與吸持，機械觸點結構簡單，接觸電阻低、過載能力強有利于提高的電磁轉換效率，配以電子滅弧電路使繼電器電壽命大幅度提高；

2．電容C1和電子滅弧均為無極性器件,使得控制電路為無極性電路方便應用；

3.由J1、C1組成LC時間電路，在控制起動時間常數(shù)的同時設定了起動門檻，從而消除了觸頭抖動；

4.通過優(yōu)化勵磁線圈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)品啟動過程的設計

啟動控制電路的電源一路是由D1、C3組成的吸合電源^[5]，見圖2.3，經(jīng)BTMOS管BT1向起動線圈L1提供勵磁驅動電流，啟動控制電路的電源的另一路是由D4、C2組成的啟動控制電路電源，繼電器J1通過其JK的觸點切換，控制BTMOS管BT1的導通與截止。當繼電器J1得電時，經(jīng)電解電容C1和R1吸合，由C1、R1組成RC時間常數(shù)電路，控制其JK的常閉接點接通，BTMOS管BT1經(jīng)電阻R3得電導通，使勵磁電流流經(jīng)起動線圈L1，接觸器吸合，經(jīng)啟動線圈L1完成吸合過程。當電解電容C1經(jīng)過一段時間的充電后電位升高，R1的阻值較大，不能維持繼電器J1的導通，經(jīng)約100ms的延時后，繼電器J1分斷，其JK復位到常閉接點，BTMOS管BT1的G極經(jīng)電阻R4接地，BTMOS管BT1截止。在啟動控制電路中，電阻R1的作用一是在吸合時用于調節(jié)繼電器J1的導通時間，二是在接觸器分斷后用于釋放電解電容C1、C2的所儲電量，并為下次吸合做準備。電解電容C1的作用是調節(jié)繼電器J1的導通時間，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現(xiàn)象的發(fā)生。二極管D5的作用是當BTMOS管BT1截止后，釋放起動線圈L1的能量，實現(xiàn)由吸合轉為吸持的平穩(wěn)過渡。

圖2.3 驅動電路原理圖

2.3 產(chǎn)品吸持過程的設計^[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開關電源模塊，工作時會產(chǎn)生峰-峰值超過600mA的周期性尖峰電流，極大地影響了吸持功率檢測中的（均方根）電流值的檢測。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直流電壓時，會產(chǎn)生周期性尖峰電流，直接影響吸持功率均方根值的檢測。即在輸入交流電壓時，經(jīng)整流后的脈動直流電壓，只是當其電壓幅值大于C5電壓值時，才能為C5快速充電，吸持周期性尖峰電流波形與其對應的電壓波形相差甚遠，致使電路的PF值過小。在本發(fā)明由DC-DC模塊U1、R2、C5構成的平抑尖峰電流電路中，（PFC）電阻R2的作用是平抑脈動直流電壓向C5充電的尖峰電流，使均方根電流的檢測值由之前的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級能效等級要求。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轉換模塊，其輸出電壓值1.5V、電流值500mA，當其輸出端在向勵磁線圈L2提供大于230mA的直流吸持電流時，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磁線圈L2的一端之間，起到隔離該勵磁線圈起動時的高電壓的作用，在吸合電路動作時，依靠防倒流二極管D6阻擋反向高電壓的沖擊，保證接觸器吸合動作過程完結后，及時進入穩(wěn)定的吸持狀態(tài)。輔助吸持勵磁線圈L2通過增加線圈匝數(shù)和線徑的方式，調節(jié)不同規(guī)格產(chǎn)品的吸持電流。與傳統(tǒng)技術相比，該裝置在滿足1級能效等級對吸持功率要求的同時，解決了傳統(tǒng)限流技術中元器件溫升大的難題。

圖2.3 1級能效的電流波形圖

3 產(chǎn)品的特性及實驗

實現(xiàn)的直流控制的1級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, 當轉換效率60%時，U1輸入功率：0.575VA。

4、接觸器通過1級能效等級檢驗結果，見表3.1：吸持功率0.77VA（DC），0.90VA（AC）。

表3.1 委外試驗分析報告

4 結語

    隨著新能源行業(yè)的發(fā)展，智能化系統(tǒng)對傳統(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，將越來越多地融入智能化的系統(tǒng)平臺。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用于電動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、便捷化設計提供了有力的支持。