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12VDC控制交流接触器在电动汽车充电桩中的设计与应用

--12VDC控制交流接触器在电动汽车充电桩中的设计与应用

供稿:tremain 2011/12/31 11:24:38

0 人气:574

  • 关键词: 12V直流控制 低功耗 交流接触器
  • 摘要:本文介绍了一种新型的12VDC控制交流接触器在电动汽车充电桩的应用设计。电动汽车充电桩通常配有一个功率在25w以上12VDC输出的AC-DC的稳压电源,这种稳压源可以直接驱动这种新型的交流接触器。这种交流接触器采用电子化控制和直流线圈模式,克服了交流接触器传统直流控制设计方法导致的线圈线径细、线圈绕线匝数多等缺点,并有效地降低了交流接触器的启动功率,达到了国家交流接触器1级能效等级,同时具有线圈温升低、吸持噪音小等优势,为充电桩低功耗、高可靠性、低成本、便捷化设计提供了有力的支持。

0 引言

随着《QC/T 841-2010电动汽车传导式充电接口》及《Q/GDW 485-2010电动汽车交流充电桩技术条件》等标准的相继出台,电动汽车的充电模式以及对低压电器提出的要求也日渐清晰。一种新型的12VDC直流控制交流接触器,由于其采用先进的电子控制方式和低功耗的设计[1],克服了交流接触器传统直流控制设计方法导致的线圈线径细、线圈绕线匝数多等缺点,并有效地降低了交流接触器的启动功率,达到了国家交流接触器1级能效等级。目前,电动汽车充电桩至少会配有25W 12VDC输出的AC-DC的稳压电源,可以直接控制这种新型交流接触器,不但可以省掉一个中间继电器,而且通过稳压电源直接控制的接触器,由于电压保持稳定,操作更可靠,同时还具有直流控制交流接触器线圈温升低、吸持功耗低、吸持噪音小等优势。

1 电动汽车充电标准的解析

1.1 电动汽车充电模式

QC/T 841-2010电动汽车传导式充电接口》汽车行业标准明确规定了电动汽车的充电模式分为四种,见表1.1

充电模式

额定电压

额定电流

1

220V(AC)

16A

2

3

32A

4

400V/750V(DC)

125A

250A

注:公共场所提供的交流供电设备应满足充电模式3的要求

1.1  不同充电模式供电设备额定值

1.充电模式1:将电动汽车连接到交流电网时,在电源侧使用了符合GB 2009.1要求的额定电流不小于16A的插头插座,在电源侧使用了相线、中性线和接地保护的导体,并且在电源侧使用了漏电保护器。

2.充电模式2:将电动汽车连接到交流电网时,在电源侧使用了符合GB 2009.1要求的插头插座,在电源侧使用了相线、中性线和接地保护的导体,并且在充电连接电缆上安装了控制导线装置。

3.充电模式3:将电动汽车连接到交流电网时,使用了专用供电设备,将电动汽车与交流电网直接连接,并且在专用供电设备上安装了控制导引装置。

4.充电模式4:将电动汽车连接到交流电网时,使用了非车载充电机,将电动汽车与交流电网间接连接。

根据该行业标准,电动汽车充电桩的建设以充电模式3为主,即220VAC单相32A,标准同时提出了,充电设备对低压电器安全防护的功能要求:

1.交流充电桩应具有急停开关,实现在充电过程中紧急切断输出电源,同时解除充电插头的闭锁;

2.主回路也具备带负载可分合电流;

3.交流充电桩应具备过负载保护、短路保护、漏电保护功能;

4.在充电过程中,充电连接异常时,交流充电桩应立即启动切断输出电源。

关于主回路可分合负载电流的低压电器,国家电网的标准是采用交流接触器,南方电网的标准是采用塑壳断路器加电动操作机构。而从频繁操作电寿命的角度上看,接触器的电寿命远大于塑壳断路器,更适合用于频繁分合负载电流。国家电网充电桩低压电器系统图,包括防雷器、电能表、微型短路器、漏电保护器、交流接触器,见图1.1

1.1 国家电网充电桩低压电器系统图

1.2 充电桩对12VDC控制交流接触器的要求

由于电动汽车充电桩的人机交互功能,付费功能和通讯功能的控制电路板通常需要一个25W以上功率、12VDC输出的AC-DC的稳压电源。这个稳压电源可以直接驱动12VDC控制的交流接触器,可以省掉一个中间继电器[2],同时不用从主回路母排引出交流二次回路控制线。接触器吸合电压的国家标准是85%-110%,在市电电压不稳定的情况,容易造成接触器不吸合。通过稳压电源直接控制的接触器,由于电压保持稳定,接触器的操作更可靠和稳定。直流控制的传统设计方法存在线圈绕线匝数多、启动功率大的缺点,特别是12VDC低电压的控制时,为了足够的吸合力,会造成吸合电流过大,从而造成启动功率高。上海诺雅克研发的9ci系列低功耗接触器,加入电子化控制的设计方法,可以从根本上解决这一系列的问题。

2 产品技术方案

2.1 产品整体设计方案

该产品由传统的交流操作改为直流吸持,并且采用非永磁结构的直流化、高效电源转换和低成本方案[3],可节省铁心和短路环中占绝大部分的损耗功率,使得交流接触器的吸持功率可达到国家1级能效等级标准,有功功率节电率可高达85%以上,从而取得较高的节电效益。同时12VDC-380VDC控制的交流接触器,启动功率低、线圈发热小、线圈绕线匝数少、吸持噪音小,可以广泛应用在智能化控制的领域。方案中涉及的低电压吸持接触器装置,见图2.1

2.1 低电压吸持接触器装置示意图

2.2 12VDC控制的技术难点及方案

交流接触器采用12VDC电压规格控制的技术难点在于:

1.参照GB14048.1动作条件中规定:接触器应在US=85%时正常闭合,因此,低电压控制的设计难度在于,提高电磁转换效率保证接触器在10.2V的条件下正常闭合;

2.12VDC规格交流接触器多应用于电子电路直接驱动的场合,因此,在确保低电压正常闭合的同时,更应降低接触器的启动功率;

技术方案,见图2.2,交流接触器12VDC控制电路其特征为[4]

2.2 交流接触器12VDC控制电路

1.采用继电器J1触点切换接触器吸合与吸持,机械触点结构简单,接触电阻低、过载能力强有利于提高的电磁转换效率,配以电子灭弧电路使继电器电寿命大幅度提高;

2.电容C1和电子灭弧均为无极性器件,使得控制电路为无极性电路方便应用;

3.J1C1组成LC时间电路,在控制起动时间常数的同时设定了起动门槛,从而消除了触头抖动;

4.通过优化励磁线圈L1的“匝安”比例,降低控制电源电流;

5.控制电路体积小、可靠性高、成本低。

2.3 产品启动过程的设计

启动控制电路的电源一路是由D1C3组成的吸合电源[5],见图2.3,经BTMOSBT1向起动线圈L1提供励磁驱动电流,启动控制电路的电源的另一路是由D4C2组成的启动控制电路电源,继电器J1通过其JK的触点切换,控制BTMOSBT1的导通与截止。当继电器J1得电时,经电解电容C1R1吸合,由C1R1组成RC时间常数电路,控制其JK的常闭接点接通,BTMOSBT1经电阻R3得电导通,使励磁电流流经起动线圈L1,接触器吸合,经启动线圈L1完成吸合过程。当电解电容C1经过一段时间的充电后电位升高,R1的阻值较大,不能维持继电器J1的导通,经约100ms的延时后,继电器J1分断,其JK复位到常闭接点,BTMOSBT1G极经电阻R4接地,BTMOSBT1截止。在启动控制电路中,电阻R1的作用一是在吸合时用于调节继电器J1的导通时间,二是在接触器分断后用于释放电解电容C1C2的所储电量,并为下次吸合做准备。电解电容C1的作用是调节继电器J1的导通时间,以及在电容C1充电后电位升高,可以抵抗控制电源的快速脉冲电源电压的干扰,最大限度地降低接触器触头抖动现象的发生。二极管D5的作用是当BTMOSBT1截止后,释放起动线圈L1的能量,实现由吸合转为吸持的平稳过渡。

2.3 驱动电路原理图

2.3 产品吸持过程的设计[6]

吸持控制电路电源经由D2D3 D1C5组成的共地电源向DC-DC模块U1供电,由于U1DC-DC开关电源模块,工作时会产生峰-峰值超过600mA的周期性尖峰电流,极大地影响了吸持功率检测中的(均方根)电流值的检测。究其原因,如果电源电压能够均衡的向电容C5充电,电路的PF值等于1,但在输入整流后脉动直流电压时,会产生周期性尖峰电流,直接影响吸持功率均方根值的检测。即在输入交流电压时,经整流后的脉动直流电压,只是当其电压幅值大于C5电压值时,才能为C5快速充电,吸持周期性尖峰电流波形与其对应的电压波形相差甚远,致使电路的PF值过小。在本发明由DC-DC模块U1R2C5构成的平抑尖峰电流电路中,(PFC)电阻R2的作用是平抑脉动直流电压向C5充电的尖峰电流,使均方根电流的检测值由之前的59.9mA降为如图2.3所示的38.6mA,使接触器吸持功率符合了1级能效等级要求。吸持控制电路中的DC-DC模块U1是一种小体积、低电压输出的DC-DC转换模块,其输出电压值1.5V、电流值500mA,当其输出端在向励磁线圈L2提供大于230mA的直流吸持电流时,其输入端的DC电流值仅为27mA。二极管D6连接在吸持控制电路的输出端和辅助吸持励磁线圈L2的一端之间,起到隔离该励磁线圈起动时的高电压的作用,在吸合电路动作时,依靠防倒流二极管D6阻挡反向高电压的冲击,保证接触器吸合动作过程完结后,及时进入稳定的吸持状态。辅助吸持励磁线圈L2通过增加线圈匝数和线径的方式,调节不同规格产品的吸持电流。与传统技术相比,该装置在满足1级能效等级对吸持功率要求的同时,解决了传统限流技术中元器件温升大的难题。

2.3 1级能效的电流波形图

3 产品的特性及实验

实现的直流控制的1级能耗非永磁交流接触器装置具有如下特性:

1、满足吸持条件:线圈匝数:L1+L2 = 350T,线圈电阻:3.0Ω,吸持电流:≥220mA

2DC-DC模块(U1)输出电压:1.5V,二极管(D5)压降:0.81V,线圈(L1+L2)施加电压:0.69V,线圈吸持电流:230mA

3DC-DC模块(U1)的输出功率:1.5V ×0.23A = 0.345VA, 当转换效率60%时,U1输入功率:0.575VA

4、接触器通过1级能效等级检验结果,见表3.1:吸持功率0.77VADC),0.90VAAC)。

项目编号

P2011.25

试验项目

能源效率检测

试件名称

低功耗交流接触器

型号/规格

Ex9C100i-12V-380V

试验目的

能效等级判定

试验依据

按照GB21518的规定  单位:VA

试验要求

判定UsDC12V-380V/AC24V-380V

试验方法

正常吸持10分钟后,检测吸持功率。

试验结果

标准规定值:1.0\36.6

实测值:0.81(DC12V)

实测值:0.54(DC24V)\ 0.80(AC24V)

实测值:0.55(DC48V)\ 1.0(AC48V)

实测值:0.74(DC110V)\ 1.34(AC110V)

实测值:0.76(DC220V)\ 2.16(AC220V)

实测值:0.90(DC380V)\ 2.28(AC380V)

试验结果

分析

12V能效等级判定:1

24V能效等级判定:1\1

48V能效等级判定:1\1

110V能效等级判定:1\2

220V能效等级判定:1\2

380V能效等级判定:1\2

试验结论

Ex9C100i低功耗交流接触器正式通过了国家1级能效标准的检验

3.1 委外试验分析报告

4 结语

    随着新能源行业的发展,智能化系统对传统低压电器提出了更高的要求,电子化直流控制的低压电器产品是系统智能化的基础,将越来越多地融入智能化的系统平台。上海诺雅克电气公司研发的9ci系列12VDC控制低功耗交流接触器已应用于电动汽车交流充电桩系统,并为充电桩低功耗、高可靠性、低成本、便捷化设计提供了有力的支持。

 

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