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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。关键词：12V直流控制低功耗交流接触器电动汽车充电桩中图分类号：TM572TP310引言随着《QC/T841-2010电动汽车传导式充电接口》及《Q/GDW485-2010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的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/T841-2010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1220V(AC)16A2332A4400V/750V(DC)125A250A注：公共场所提供的交流供电设备应满足充电模式3的要求表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GB2009.1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GB2009.1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。图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。图2.1低电压吸持接触器装置示意图2.212VDC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]：J1R1L1DC12VC1L2电子灭弧图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.由J1、C1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D1、C3组成的吸合电源[5]，见图2.3，经BTMOS管BT1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D4、C2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BTMOS管BT1的导通与截止。当继电器J1得电时，经电解电容C1和R1吸合，由C1、R1组成RC时间常数电路，控制其JK的常闭接点接通，BTMOS管BT1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，BTMOS管BT1的G极经电阻R4接地，BTMOS管BT1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C1、C2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BTMOS管BT1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。图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D2、D3、D1及C5组成的共地电源向DC-DC模块U1供电，由于U1为DC-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U1、R2、C5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。图2.31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。2、DC-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。3、DC-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0.77VA（DC），0.90VA（AC）。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Us：DC12V-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级24V能效等级判定：1级\1级48V能效等级判定：1级\1级110V能效等级判定：1级\2级220V能效等级判定：1级\2级380V能效等级判定：1级\2级试验结论Ex9C100i低功耗交流接触器正式通过了国家1级能效标准的检验表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。参考文献[1]刘津平、刘昊、刘玉洁,低功耗数控接触器的设计和应用,低压电器，2007，23(5):20-24LIUJinping,LIUHao,LIUYujie,DesignandApplicationofLowConsumptionDigitalControlledContactor,lowvoltageapparatus,2007，23(5):20-24[2]刘昊、刘津平、刘玉洁,一体化数控接触器的设计与实现,低压电器，2008，5（4）：19-23LIUHao,LIUJinping,LIUYujie,Design