【導讀】電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展正在穩步駛入快車(chē)道。根據IEA的《Global EV Outlook 2023》顯示，2022年全球電動(dòng)汽車(chē)的銷(xiāo)量突破了1,000萬(wàn)輛，市場(chǎng)滲透率也從2021年的9%增加到了14%；而這一強勁的增長(cháng)勢頭在2023年還將持續，2023年電動(dòng)汽車(chē)銷(xiāo)量將有望達到1,400萬(wàn)輛，同比增長(cháng)35%，滲透率則會(huì )攀升至18%。
電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)快速增長(cháng)的驅動(dòng)力，除了全球節能減排的大趨勢以及各個(gè)國家和地區的產(chǎn)業(yè)扶持戰略，與電動(dòng)汽車(chē)配套的基礎設施——特別是充電樁——的長(cháng)足發(fā)展也是一個(gè)十分關(guān)鍵的因素。
IEA的研究數據顯示，截至2022年底，全球共有270萬(wàn)個(gè)公共充電點(diǎn)（Charging Point），其中僅2022年就部署了90多萬(wàn)個(gè)，比2021年的存量增加了約55%；預計到2030年，全球電動(dòng)汽車(chē)公共充電點(diǎn)的數量將達到1,270萬(wàn)個(gè)。
圖1：全球電動(dòng)汽車(chē)充電基礎設置發(fā)展趨勢
（圖源：IEA）
同樣的趨勢也在中國得到印證。根據中國充電聯(lián)盟公布的新數據，截止到2023年8月，全國充電基礎設施累計數量達到了720.8萬(wàn)臺，同比增長(cháng)了67%，以同期新能源汽車(chē)銷(xiāo)量測算，樁車(chē)增量比達到了1:2.7，為電動(dòng)汽車(chē)的快速發(fā)展提供了有力的支撐。
充電樁的技術(shù)趨勢
值得注意的是，今天充電樁市場(chǎng)的發(fā)展不是一個(gè)簡(jiǎn)單數量上的增加，而是通過(guò)技術(shù)和產(chǎn)品的迭代升級，不斷提升電動(dòng)汽車(chē)用戶(hù)的體驗，消除他們的里程焦慮。
具體來(lái)講，充電樁技術(shù)的演進(jìn)呈現出兩大趨勢。第一是充電的全場(chǎng)景覆蓋，即以多樣化的產(chǎn)品，如家用交流樁、公共交流樁、壁掛盒、直流快充樁等，覆蓋家庭、工作和商用場(chǎng)所、加油站、車(chē)隊充電、充電運營(yíng)商等不同應用場(chǎng)景的需要；同時(shí)，充電樁智能化和網(wǎng)聯(lián)化的趨勢，也在催生各種新的商業(yè)和運營(yíng)模式，讓用戶(hù)實(shí)現“隨處可充”的愿望。
另一個(gè)趨勢就是追求更高的充電功率。這一點(diǎn)很好理解，如果將電動(dòng)汽車(chē)的電池類(lèi)比成燃油車(chē)的“油箱”，那么充電功率越大，就能夠在越短的時(shí)間內將其“注滿(mǎn)”。顯然，與燃油車(chē)只需幾分鐘就能加滿(mǎn)油的體驗相比，電動(dòng)汽車(chē)以小時(shí)計算的充電時(shí)間顯然是不能令用戶(hù)滿(mǎn)意的，因此提高充電功率也就成了充電樁技術(shù)攻堅的重點(diǎn)。
按照充電功率的大小，充電樁可以被分為兩類(lèi)：一類(lèi)是有效功率22kW以?xún)鹊穆錁?，一?lèi)是功率在22kW到400kW及以上的快充樁。前者通常采用交流充電的方式，將來(lái)自電網(wǎng)的交流電源通過(guò)交流插座或充電樁輸送到汽車(chē)中，由車(chē)載充電器（OBC）完成AC/DC電源轉換，并向電池組提供直流電壓和電流；而后者則是采用直流充電技術(shù)，即在車(chē)外充電基礎設施中完成AC/DC轉換，直接通過(guò)直流電壓和電流為電池充電。
由于交流充電受制于車(chē)內空間等限制，功率難于大幅提升；而直流充電的電源轉換在車(chē)外，在空間、重量和熱管理等方面的約束條件較為寬松，因此目前提升充電功率的角逐主要集中在直流充電領(lǐng)域，特別是50kW以上的“超快”充電，更是各大廠(chǎng)商力爭的制高點(diǎn)。
圖2：交流充電和直流充電架構
（圖源：Yolé Development）
以特斯拉為例，其V3第三代超級充電站的峰值功率為250kW，補能5分鐘可支持超過(guò)120km的續航，據稱(chēng)下一代V4超級充電站的充電功率將達到350kW。
不過(guò)，所有這些令人興奮的技術(shù)路線(xiàn)都不是一蹴而就的，必須從每一個(gè)技術(shù)環(huán)節入手進(jìn)行同步提升，任何一環(huán)的缺失，都可能成為致命的短板。比如，面對越來(lái)越高的充電功率，選擇一顆可支持更大電流的被動(dòng)元件，就是一個(gè)新的挑戰。
大電流功率電感的選型
在充電樁的功率轉換系統中，功率電感是不可或缺的一個(gè)被動(dòng)元件。而高功率、大電流的應用場(chǎng)景，對于功率電感的性能會(huì )提出新的要求。
這主要是因為電感元件的線(xiàn)圈具有一定的電阻，通過(guò)電流時(shí)必然會(huì )產(chǎn)生功率損耗，電流增加后，一方面會(huì )影響電源系統的效率，增加能耗，另一方面則會(huì )導致電感的發(fā)熱升溫，加之汽車(chē)應用高溫環(huán)境的沖擊，很容易造成電感飽和，影響整體的性能。
此外，充電樁是一種安全和可靠性敏感型的應用，在其中工作的功率電感還需要提供出色的磁屏蔽特性，避免EMI問(wèn)題，同時(shí)還要具備強烈振動(dòng)、沖擊、高溫等惡劣環(huán)境的耐受能力。綜合上面這些要求不難看出，一款能夠滿(mǎn)足充電樁應用要求、合格的功率電感必須在材料、結構、工藝等方面進(jìn)行綜合優(yōu)化，提供優(yōu)秀的電氣和機械性能，這樣才能夠保證這一高功率應用的要求。
Würth Elektronik的WE-HCF系列SMD大電流電感器就是按照這樣的要求而打造的儲能電感器，其采用2818封裝，支持極高的輸出功率和效率，是DC/DC開(kāi)關(guān)穩壓器等系統的理想選擇。
WE-HCF系列電感器的磁芯采用損耗極低的MnZn材料，磁導率提高了35%，因此電感器可在很寬工作電流范圍內保持穩定，其飽和電流可達75A，比市場(chǎng)上的其它標準產(chǎn)品約高出10%。同時(shí)，WE-HCF系列電感器直流電阻降低了10%，額定電流高達32A，為實(shí)現高效率提供了保障。此外，其還具有磁屏蔽特性，-40°C至 +125°C很寬的工作溫度范圍，因此這種具有高額定電流、高飽和電流特性的功率電感器，非常適合于在充電樁設計中使用。
圖3：WE-HCF SMD大電流電感器
（圖源：Würth Elektronik）
如果在追求大電流的同時(shí)，對于功率電感器的外形尺寸也有更苛刻的要求，那么Würth Elektronik的WE-MAPI微型大電流功率電感器是個(gè)不錯的選擇。WE-MAPI系列功率電感器有多種封裝尺寸可供選擇，可至1.6mm x 1.6mm x 1.0mm，是目前市場(chǎng)上尺寸很小的金屬合金電感器之一，而其額定電流可達14.95A。
圖4：WE-MAPI微型大電流功率電感器
（圖源：Würth Elektronik）
WE-MAPI微型大電流功率電感器主要的特性?xún)?yōu)勢包括：
● 采用創(chuàng )新的鐵合金磁芯材料，磁芯損耗極低，效率極高。
● 采用創(chuàng )新的無(wú)引線(xiàn)框架設計，獲得更佳共面性。
● 繞組與元件之間采用無(wú)焊料或焊點(diǎn)的直接連接，實(shí)現了更高的可靠性。
● 巧妙的結構設計顯著(zhù)提高磁芯利用率，以及電流處理能力。
● 更低的寄生電容可實(shí)現更低交流損耗。
● 自屏蔽結構帶來(lái)了極佳的EMI性能。
圖5：WE-MAPI功率電感器具有更低的交流和直流損耗（圖源：Würth Elektronik）
圖6：WE-MAPI功率電感器出色的溫度穩定性
（圖源：Würth Elektronik）
圖7：創(chuàng )新的鐵合金磁芯材料實(shí)現了更高磁芯利用率（圖源：Würth Elektronik）
WE-MAPI電感器的其他特性還包括：低可聽(tīng)噪聲、低漏磁噪聲；-40℃至+125℃的寬工作溫度范圍；堅固外形，大焊盤(pán)設計，提供較高的機械穩定性。這些優(yōu)勢疊加，使其成為了DC/DC轉化器和其他高功率、小型化、高效電源系統的不二之選。
大電流PCB端子實(shí)現安全供電
高功率充電樁的設計中，開(kāi)發(fā)者需要處理高達幾十A甚至數百A的電流，這樣的挑戰會(huì )出現在這個(gè)功率鏈路中的每一個(gè)環(huán)節，除了上文提到的電感器，也包括互連元件——如PCB連接端子。
在充電樁大電流端子的選擇上，工程師需要考慮以下三個(gè)方面的問(wèn)題：
大功率連接的效率
隨著(zhù)電流的提高，即使是很小的連接電阻，也會(huì )導致較大的功耗，并造成發(fā)熱的現象。這對于節能和系統的可靠性、安全性，都會(huì )造成不良影響。因此，盡可能降低端接的連接電阻，也就成了衡量大電流端子特性的一個(gè)硬指標。
端子連接的環(huán)境耐受性
充電樁的應用環(huán)境復雜，面臨著(zhù)溫度、濕度、氣體等環(huán)境極端因素的考驗，由環(huán)境因素導致的大電流連接點(diǎn)的氧化或腐蝕，會(huì )導致連接效率的下降、功耗的增加，甚至是設備故障。
端子的裝配工藝
盡管廣泛使用的表面貼裝元件在裝配效率和節省空間等方面優(yōu)勢明顯，但是一般來(lái)講，通孔回流焊PCB端子能夠比表面貼裝產(chǎn)品承載更大的電流，同時(shí)具有較高的機械穩定性，當然相應的裝配成本也會(huì )比較高。如何能夠平衡這些因素，提供一種高性?xún)r(jià)比的解決方案，是大電流端子設計中的一個(gè)重要課題。
針對這些設計訴求，Würth Elektronik推出了REDCUBE端子，該系列產(chǎn)品包括四個(gè)子門(mén)類(lèi)，適用于不同的應用場(chǎng)景和工藝類(lèi)型，但都具有低接觸電阻、低自發(fā)熱的特性，這也是支持大電流應用的首要條件，比如REDCUBE系列中的PRESS-FIT端子就可傳輸高達500A的電流。
REDCUBE SMD大電流端子
顧名思義，這是結合了表面貼裝和大電流支持兩個(gè)特性的產(chǎn)品：其與SMD印刷電路板制造工藝兼容，具有成本效益，同時(shí)可以支持高達85A的板對板連接。以7466003R SMD端子為例，其采用M3螺紋端接，黃銅主體和鍍錫工藝確保其良好的接觸特性，在20°C時(shí)額定電流為70A，優(yōu)化的結構設計使得端子重量均勻分配，減少表面貼裝時(shí)發(fā)生“立起”的情況，避免出現焊膏可能無(wú)法達到的“死角”，圓形基底面還有利于提高制造產(chǎn)出率。
圖8：REDCUBE SMD端子
（圖源：Würth Elektronik）
REDCUBE THR通孔PCB端子
REDCUBE THR端子將通孔技術(shù)高機械穩定性的優(yōu)勢與高效的元件拾放安裝和回流焊工藝相結合，可提供出色的焊接效果和高達85A載流能力。REDCUBE THR端子由鍍了錫的實(shí)心黃銅制成，采用M5螺紋端接，與沖壓端子相比，具有更高的載流能力和更好的扭矩承受能力。端子底部的9個(gè)插針排列成3×3的網(wǎng)格，以實(shí)現更佳的可焊性和機械穩定性。同時(shí)，REDCUBE THR端子的外形低矮，有利于端子周?chē)臍饬髁鲃?dòng)，改善冷卻效果。上述這些優(yōu)化設計，使得REDCUBE THR端子成為大功率、高可靠應用的理想選擇。
圖9：REDCUBE THR通孔PCB端子
（圖源：Würth Elektronik）
PRESS-FIT壓接式大電流端子
針對更大電流的電源和工業(yè)應用，Würth Elektronik推出了額定電流高達500A的 REDCUBE PRESS-FIT端子產(chǎn)品線(xiàn)。不同于其他端子裝配時(shí)采用的焊接工藝，REDCUBE PRESS-FIT采用了一種特殊的壓裝工藝，即將端子通過(guò)機械方式壓入鍍錫的PCB孔中，端子壓入PCB孔中所產(chǎn)生的摩擦力形成了冷焊連接，連接的接觸電阻僅有200μΩ，且具有氣密性，PCB連接的可靠性也更高——其FIT值是SMD焊點(diǎn)的30倍！一句話(huà)總結：如果你想找一款支持更大電流、更高可靠性和機械穩固性的PCB端子，REDCUBE PRESS-FIT系列無(wú)疑是上佳之選。
圖10：PRESS-FIT壓接式大電流端子
（圖源：Würth Elektronik）
REDCUBE PLUG可插拔端子
在REDCUBE PRESS-FIT壓接式技術(shù)基礎上，Würth Elektronik又開(kāi)發(fā)了一種可插拔的REDCUBE PLUG可插拔端子，其采用無(wú)螺紋的連接方式，無(wú)需工具即可快捷地完成連接操作，并可支持高達120A的電流。REDCUBE PLUG外殼材料采用玻璃纖維增強塑料，具有高耐熱性，即使在高環(huán)境溫度下也不會(huì )變形。使用時(shí)，只需手動(dòng)按壓端子頂部，就可以將插座完全暴露出來(lái)，方便插入鍍錫插頭；松開(kāi)外殼頂部即可將插頭鎖住，操作十分便利。在需要較頻繁配置和維修的連接場(chǎng)景中，REDCUBE PLUG可插拔端子帶來(lái)的價(jià)值顯而易見(jiàn)。
圖11：REDCUBE PLUG可插拔端子
（圖源：Würth Elektronik）
可見(jiàn)，有了上述這幾類(lèi)REDCUBE端子，在充電樁的設計中，無(wú)論遇到什么樣的電流等級、裝配工藝、可靠性等要求，工程師都能夠輕松應對。
本文小結
電動(dòng)汽車(chē)的火爆，也在推動(dòng)充電樁市場(chǎng)的繁榮。在可以預見(jiàn)的未來(lái)，無(wú)論是便捷的家用壁掛式充電盒，還是數百kW的超快直流充電樁，都將有巨大的市場(chǎng)增長(cháng)空間，同時(shí)對于高功率、大電流功率元件的需求也會(huì )持續加碼。
圖12：Würth Elektronik充電樁整體解決方案
（圖源：Würth Elektronik）
Würth Elektronik已經(jīng)針對這一市場(chǎng)做好了產(chǎn)品布局，從大電流功率電感器到PCB端子，都可提供成熟的解決方案供工程師選擇。因此，為高功率充電樁開(kāi)發(fā)選料時(shí)，想找大電流元件，往這兒瞧準沒(méi)錯！
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