12VDC控制交流接觸器在電動汽車充電樁中的設(shè)計與應(yīng)用

1、12VDC控制交流接觸器在電動汽車充電樁中的設(shè)計與應(yīng)用摘要：本文介紹了一種新型的12VDC控制交流接觸器在電動汽車充電樁的應(yīng)用設(shè)計。電動汽車充電樁通常配有一個功率在25w以上12VDC輸出的AC-DC的穩(wěn)壓電源，這種穩(wěn)壓源可以直接驅(qū)動這種新型的交流接觸器。這種交流接觸器采用電子化控制和直流線圈模式，克服了交流接觸器傳統(tǒng)直流控制設(shè)計方法導(dǎo)致的線圈線徑細(xì)、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(dá)到了國家交流接觸器1級能效等級，同時具有線圈溫升低、吸持噪音小等優(yōu)勢，為充電樁低功耗、高可靠性、低成本、便捷化設(shè)計提供了有力的支持。關(guān)鍵詞：12V直流控制 低功耗 交流接觸器 電動汽車充

2、電樁 中圖分類號：TM572 TP310 引言隨著QC/T 841-2010電動汽車傳導(dǎo)式充電接口及Q/GDW 485-2010電動汽車交流充電樁技術(shù)條件等標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)的電子控制方式和低功耗的設(shè)計1，克服了交流接觸器傳統(tǒng)直流控制設(shè)計方法導(dǎo)致的線圈線徑細(xì)、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(dá)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

3、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(biāo)準(zhǔn)的解析1.1 電動汽車充電模式QC/T 841-2010電動汽車傳導(dǎo)式充電接口汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定了電動汽車的充電模式分為四種，見表1.1。充電模式額定電壓額定電流1220V(AC)16A2332A4400V/750V(DC)125A250A注：公共場所提供的交流供電設(shè)備應(yīng)滿足充電模式3的要求表1.1 不同充電模式供電設(shè)備額定值1.充電模式1：將電動汽車連接到交流電網(wǎng)時，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

4、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：將電動汽車連接到交流電網(wǎng)時，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：將電動汽車連接到交流電網(wǎng)時，使用了專用供電設(shè)備，將電動汽車與交流電網(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：將電動汽車連接到交流電網(wǎng)時，使用了非車載充電機(jī)，將電動汽車與交流電網(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)同時提出了，充電設(shè)備對低壓電器安全防

5、護(hù)的功能要求：1交流充電樁應(yīng)具有急停開關(guān)，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(fù)載可分合電流；3.交流充電樁應(yīng)具備過負(fù)載保護(hù)、短路保護(hù)、漏電保護(hù)功能；4.在充電過程中，充電連接異常時，交流充電樁應(yīng)立即啟動切斷輸出電源。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，見圖1.1。圖1.1 國家電網(wǎng)充電樁低壓電器系統(tǒng)圖1

6、.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(jī)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(qū)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(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

7、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(shè)計方法，可以從根本上解決這一系列的問題。2 產(chǎn)品技術(shù)方案2.1 產(chǎn)品整體設(shè)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(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)到國家1級能效等級標(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(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，見圖2.1。圖2.1 低電壓吸持接觸器裝置示意圖

8、2.2 12VDC控制的技術(shù)難點及方案交流接觸器采用12VDC電壓規(guī)格控制的技術(shù)難點在于：1.參照GB14048.1動作條件中規(guī)定：接觸器應(yīng)在US=85%時正常閉合，因此，低電壓控制的設(shè)計難度在于，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)動的場合，因此，在確保低電壓正常閉合的同時，更應(yīng)降低接觸器的啟動功率；技術(shù)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(jī)械觸點結(jié)構(gòu)簡單，接觸電阻低、過載能力強(qiáng)有利于提高的電磁轉(zhuǎn)換效率，配以電子滅弧電路

9、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(yīng)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(shè)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(shè)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(qū)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(dǎo)通與截止。當(dāng)繼電器J1得電時，經(jīng)電解電容C1和R

10、1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(dǎo)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(dāng)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(dǎo)通，經(jīng)約100ms的延時后，繼電器J1分?jǐn)啵銳K復(fù)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(diào)節(jié)繼電器J1的導(dǎo)通時間，二是在接觸器分?jǐn)嗪笥糜卺尫烹娊怆娙軨1、C2的所儲電量，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)通時間，以及在電容C1充電

11、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(dāng)BTMOS管BT1截止后，釋放起動線圈L1的能量，實現(xiàn)由吸合轉(zhuǎn)為吸持的平穩(wěn)過渡。圖2.3 驅(qū)動電路原理圖2.3 產(chǎn)品吸持過程的設(shè)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(guān)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

12、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(dāng)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(yīng)的電壓波形相差甚遠(yuǎn)，致使電路的PF值過小。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(zhuǎn)換模塊，其輸出電壓值1.5V、電流值500mA，當(dāng)其輸出端在向勵磁線圈L2提供大于230mA的

13、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(jié)后，及時進(jìn)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(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級能效等級對吸持功率要求的同時，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

14、 = 350T，線圈電阻：3.0，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，U1輸入功率：0.575VA。4、接觸器通過1級能效等級檢驗結(jié)果，見表3.1：吸持功率0.77VA（DC），0.90VA（AC）。項目編號P2011.25試驗項目能源效率檢測試件名稱低功耗交流接觸器型號/規(guī)格Ex9C100i-（12V-380V）試驗?zāi)康哪苄У燃壟卸ㄔ囼炓罁?jù)按照GB21

15、518的規(guī)定 單位：VA試驗要求判定Us：DC12V-380V/AC24V-380V試驗方法正常吸持10分鐘后，檢測吸持功率。試驗結(jié)果標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值：1.036.6實測值：0.81(DC12V)實測值：0.54(DC24V) 0.80(AC24V)實測值：0.55(DC48V) 1.0(AC48V) 實測值：0.74(DC110V) 1.34(AC110V)實測值：0.76(DC220V) 2.16(AC220V) 實測值：0.90(DC380V) 2.28(AC380V)試驗結(jié)果分析12V能效等級判定：1級24V能效等級判定：1級1級48V能效等級判定：1級1級110V能效等級判定：1級2級22

16、0V能效等級判定：1級2級380V能效等級判定：1級2級試驗結(jié)論Ex9C100i低功耗交流接觸器正式通過了國家1級能效標(biāo)準(zhǔn)的檢驗表3.1 委外試驗分析報告4 結(jié)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(chǔ)，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(yīng)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(shè)計提供了有力的支持。參考文獻(xiàn)1 劉津平、劉昊、劉玉潔,低功耗數(shù)控接觸器的設(shè)計和應(yīng)用,低壓電器，2007，23(5):20-24LIUJinping, L

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