村田丨电动汽车充电架构与安全保护解决方案分析

发布时间:2026-05-14 10:06
作者:AMEYA360
来源:村田
阅读量:1172

  随着电动汽车日益普及,充电设备和技术成为关注的焦点,特别是在充电安全方面,这对于确保电动汽车的安全运营至关重要。这包括选择合适的充电设备、采用合理的操作方法以及在充电过程中实施安全防护措施。

村田丨电动汽车充电架构与安全保护解决方案分析

  本文介绍通过村田(Murata)的一系列DC-DC转换器来实现电动汽车充电安全保护架构和系统。

  指数增长的全球电动车充电应用市场

  全球电动车充电应用市场正经历着指数级增长。为了支持各国政府的环境碳中和目标,全球电动汽车充电应用市场目前正经历指数级增长,预计250kW和350kW充电设备的数量将增加33%。电动汽车充电应用具有特定的技术要求,例如需要超低隔离电容,通常低于5pF,最好为3pF。此外,设计还必须考虑共模瞬态抗扰度(CMTI)要求。随着开关频率的不断提高,新一代碳化硅(SiC)现在需要更高水平的dV/dt抗扰能力。在局部放电方面,SiC必须能够支持1200V,某些应用甚至可能增加至1500V。

  此外,随着电动汽车的广泛普及,快充技术得到了显著提升。例如,直流快速充电(DCFC)技术可以在短时间内为电池充满电,从而提升了用户的便利性和体验。

  因此,高效电池技术的研究与应用至关重要。例如,锂离子电池和固态电池等新型电池技术的出现,大幅提升了能量密度以及充放电效率。

  为了吸引更多消费者购买电动汽车并抓住充电站市场的机遇,各国政府和企业正在加大对充电基础设施的投资力度。这包括扩大充电站和充电桩的数量,以满足日益增长的电动汽车需求。此外,智能充电管理系统的应用也变得越来越普遍,使充电效率最大化并实现对充电设备的智能化管理。

  随着可再生能源的开发和应用,电动汽车充电系统也开始整合可再生能源,如太阳能充电站和风能充电设施,从而进一步减少充电过程中的碳排放。此外,无线充电技术是未来发展的重要方向。通过传感器和电磁场,可以无需插拔即可为电动汽车充电,从而提升用户便利性和充电安全性。

  确保快速且安全的电动车充电架构

  全面的电动车充电架构确保快速且安全的充电。电动车充电的技术架构包括若干关键组件和技术,包括充电器、充电控制系统、充电接口、充电网络与智能系统以及充电设备的安全保护。这些组件相互配合,以确保电动车充电的高效、有效和安全。

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  充电器是一种将交流电转换为直流电以给电动车电池充电的设备。充电器类型包括家庭充电器、公共充电站、快速充电器和车载充电器。家庭充电器通常用于住宅或工作场所,功率较低,充电速度较慢。公共充电站位于公共场所或商业区域,供大众使用。快速充电器具有更高的输出功率,可以实现快速充电,从而提高效率和便利性。车载充电器安装在车辆内部,用于给电池或内部电子设备充电。

  充电控制系统在充电过程中管理电流和电压,以确保电动车电池的安全充电和正常运行。它监测电池的温度、电压和电流,并根据需要调整充电速率,以防止过充或放电。

  充电接口是电动汽车与充电设备之间的连接点,通常位于车辆车身或充电端口上。常见的充电接口包括Type 1、Type 2、CHAdeMO、CCS以及其他标准,这些标准可能因地区和车辆类型而有所不同。

  充电网络由充电站、充电点和充电管理系统组成,形成了完整的充电基础设施。智能系统通过互联网连接、软件和传感器,实现智能管理、远程监控和用户服务,从而提升充电系统的效率和便捷性。

  充电设备通常配备安全保护功能,例如过流保护、过压保护和过温保护,以确保充电过程中的安全性和可靠性。电动汽车充电系统通常设计有防水、防尘和防火功能,以满足在不同环境和场景下的多样化使用需求。

  这些组件和技术(如下图的村田NXJ1SxxMC系列电源模块)共同构成了电动汽车充电的技术架构,为电动汽车充电提供了必要的基础设施和安全保障。

村田丨电动汽车充电架构与安全保护解决方案分析

  电动汽车充电安全与可靠至关重要

  在充电过程中,需要考虑和解决多个与安全和保护架构相关的关键方面,包括充电设备的安全性、电池保护、防火防爆设计、正确的充电方法、充电环境以及操作流程,以确保充电过程的安全性和可靠性。

  关于充电设备的安全性,必须使用合格且经过认证的充电设备,避免使用损坏或未经授权的设备,以确保充电过程的安全。对充电设备进行定期检查和维护也是至关重要的,例如检查充电站、充电电缆和接口的状态,以确保其正常运行和安全性能。

  电池安全保护也至关重要。在充电过程中,必须确保电池的温度和电压保持在安全范围内,避免过热、过冷、过充或过放电。使用配备电池管理系统 (BMS) 的充电设备尤为重要,因为它可以在充电过程中监测和调节电流与电压,从而确保电池的安全性和使用寿命。

  此外,充电设备应采用防火和防爆设计,例如防止短路、过载和过电压的保护措施,以降低火灾和爆炸的风险。使用防火和防爆材料及结构设计也可以提高充电设备的安全性和可靠性。

  此外,根据电动车的型号和规格选择合适的充电方式和充电设备至关重要,以避免因不当充电方式引发的安全问题。应避免长期高速充电或过度放电,以确保电池的安全性和使用寿命。

  在充电过程中,确保充电设备和电池处于安全环境中是十分重要的,需避免潮湿、高温环境或在存在爆炸风险的区域进行充电。操作充电设备时,应保持专注,并遵循操作指南,以防因操作错误或不当处理而引发的安全隐患。

  EV充电器用栅极驱动DC-DC转换器

  村田(Murata)推出了一系列专为栅极驱动电路设计的门极驱动DC-DC转换器,这些电路通常用于可再生能源、运动控制、移动技术以及医疗解决方案。

  该系列产品具有3pF的超低隔离电容,为IGBT/SiC和MOS栅极驱动优化的双输出电压,最大承受直流链路电压为3KV。它们在部分放电方面具有高度可靠性,并能提供高达1.6kV下80kV/µS的dv/dt干扰抗扰性。

  村田适用于电动汽车充电应用的主要产品包括MGJ1 SIP、MGJ2B、MGJ1/MGJ2、MGJ3/MGJ6、NXE和NXJ系列。

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  村田最新推出的MGJ1 SIP系列和MGJ2B系列DC-DC转换器,非常适合为桥式电路中IGBT/MOSFET、SiC和GaN的“高侧”和“低侧”门驱动电路供电。选择不对称的输出电压可以实现最佳驱动水平,从而实现最佳系统效率和EMI控制。

  MGJ1 SIP和MGJ2B系列的特点是满足电机驱动和逆变器中桥式电路常见的高隔离度和dv/dt要求。它们的高工作温度等级和坚固结构提供了更长的使用寿命和可靠性。

  MGJ1 SIP系列和MGJ2B系列均具有2.4kV的连续隔离耐压,以及6mm的爬电距离和电气间隙。这些优化的输出电压专为满足主流IGBT/SiC和MOSFET器件的需求而设计。MGJ1 SIP系列支持额定为300Vrms的强化绝缘,功率为1W,而MGJ2B系列则支持额定为300Vrms的强化绝缘,功率为2W。

  MGJ1 SIP系列和MGJ2B系列均为IGBT/MOSFET、SiC和GaN栅极驱动器提供优化的双极性输出电压。这些产品的加强绝缘符合UL62368-1标准认证,但尚未符合如ANSI/AAMI ES60601-1、1 MOPP/2 MOOP等标准的要求。

  MGJ1 SIP系列经过5.2kVDC隔离电压的耐压测试,而MGJ2B系列则经过5.4kVDC隔离电压的测试。这两个系列均具有超低的隔离电容,并支持5V、12V、15V和24V的输入电压。

  MGJ1 SIP 系列提供输出选项,例如 +6V/-3V、+15V/-3V、+15V/-5V、+15V/-9V、+18V/-2.5V 和 +20V/-5V。MGJ2B 系列则提供的输出选项包括 +15V/-3V、+15V/-5V、+15V/-8.7V、+15V/-15V、+17V/-9V、+18V/-2.5V、+18V/-5V3、+20V/-3.5V 和 +20V/-5V。这两个系列可在最高 105°C 的温度下运行,具有超过 200kV/µS 的共模瞬变抗扰度 (CMTI)。它们还支持持续 2.4kVDC 的隔离耐压,并具有部分放电性能特性,采用 SIP 封装形式。

  总 结

  电动汽车充电的安全性是确保电动汽车正常运行和用户安全的关键方面。这需要全面考虑充电设备的安全性、电池管理、防火防爆设计以及正确的充电操作。有效地解决这些方面的问题可以提高充电过程的安全性和可靠性。本文所描述的电动汽车充电安全保护架构和系统可以通过村田(Murata)的一系列DC-DC转换器来实现。

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村田丨毫米波雷达,未来发展的潜力是与传感器融合!
  一般来说,雷达(RaDAR:Radio Detection And Ranging)是一种通过向目标物体发射电磁波(电波)并测量从目标物体反射回来的电波来检测与目标物体之间的距离和方位的装置。因此,毫米波雷达是指使用毫米波作为电波的雷达。与红外线和摄像头相比,毫米波雷达即使在雨、雪、雾等恶劣天气条件下也能保持检测能力,不仅可以检测与目标物体之间的距离和方位,还能检测目标物体的移动速度。本文介绍具有此类特征的毫米波雷达的检测原理、应用事例及其未来发展潜力。  01  什么是毫米波?  图1显示了毫米波(也写作“mmWave”)在电波分类中所处的范围。一般来说,它指的是频率在30GHz到300GHz之间、波长在1mm到10mm之间的电波,之所以称为“毫米波”,是因为其波长以mm(毫米)为单位。(注:实际上,毫米波的频率范围并没有严格的定义。例如,目前全球分配给5G通信的26GHz频带和28GHz频带也被视为毫米波。)  图1 按频率分类的电磁波分类  毫米波具有强直线传播性和可以确保宽频带宽的特征,总结如以下两个方面:  直线传播性:  如图1所示,由于毫米波的频率接近光的频率,因此它像光一样具有很强的直线传播性,由此可以得出以下结论:  由于墙壁等物体的遮蔽以及非常恶劣天气的影响,毫米波的强度会衰减  也由于这个原因,毫米波不适合远距离通信  在短距离通信中,毫米波与近处的毫米波系统之间不容易发生干扰  可以穿透布料和树脂等  频带宽  毫米波频带是一个尚未开发的领域,且是一个需求量很少的频带,因此可以确保较宽的频带宽。(目前,比GHz更低的频率范围基本上都已被使用,确保带宽会受到电波法和商业因素的限制。)  在雷达中,增加频带宽有助于提高距离检测(参照第2节)的精度,因此可以说频带宽是一项重要的规格。另外,在移动通信等当中,增加频带宽有助于实现通信速度的高速化。  02  毫米波雷达的方式及特征  如前所述,毫米波雷达向目标物体发射毫米波,并接收来自目标物体的反射波以检测对象物体位置的装置,能检测的上限为大约300m范围内的物体。  目前,低功率雷达可以使用的频带有24GHz频带、60GHz频带、76GHz频带和79GHz频带,每个频带都规定了各自的技术条件。其中,24GHz频带的波长为12.5mm,不在毫米波定义的10mm至1mm范围内,因此有时被称为“准毫米波”;毫米波频带(60GHz频带、76GHz频带和79GHz频带)具有较宽的带宽,因此能够进行高精度检测。  脉冲方式和FMCW方式是毫米波雷达的代表性方式。FMCW是Frequency Modulated Continuous Wave的缩写,意思是使用对频率进行调制后的连续波的方式。两种方式的特征及相互对比如下:  脉冲方式:  向目标物体发射宽度很短的脉冲,脉冲宽度从几十纳秒到几微秒不等,通过测量到接收到反射脉冲为止的时间来确定与目标物体之间的距离、速度和角度(图2)。该方式的检测原理简单,电路构成也比FMCW方式更简单。  FMCW方式:  这种方式向目标物体发射对连续波进行频率调制后的发送波,然后从发送波与反射波之间的频率差来确定与目标物体之间的距离、速度和角度。此外,它还可以测量与目标物体之间的相对移动速度(图2)。  图2 通过毫米波雷达检测目标物体的示意图  图3显示了FMCW方式发射波的示意图。它有时被称为Chirp波形。  图3 Chirp波形的示意图(Chirp指鸟鸣)  03  FMCW方式毫米波雷达:构成和检测  毫米波雷达有多种方式,但基本都是从FMCW方式发展而来的方式。因此,下面将对FMCW方式毫米波雷达的构成和目标物体检测的大概原理进行说明。尽管它构成简单,但可以获取距离、速度和角度等复合信息。  图4 通过毫米波雷达进行的目标物体检测  毫米波雷达的构成  毫米波雷达主要由以下几部分构成:  合成器:生成待发送的毫米波频带电波(发送波)  发射天线:发射发送波  接收天线:接收反射波  混频器:将发射信号和接收信号进行组合  DSP:即数字信号处理装置,实施计算处理  检测的原理  毫米雷达波的检测原理主要包括这四个步骤:  发送波的生成:通过合成器生成毫米波频带的发送波。  毫米波的发射:将发送波从发射天线连续发射至目标物体。  反射波的接收:通过接收天线接收从目标物体返回的反射波。  计算处理:通过混频器将发送波和反射波进行组合,经A/D转换器转换为数字信号,再通过DSP进行计算处理,以确定与目标物体之间的距离、角度和速度等。  04  毫米波雷达应用事例  在第3节中说明的FMCW方式毫米波雷达已被应用于很多现场。这里,我们将以汽车、工业机器人和无人机为例,对它的应用场景及贡献的功能进行说明。  用途:汽车  在汽车领域,通过毫米波雷达检测车辆周边的障碍物和其他车辆,由此能够实现自动刹车和车道保持辅助等功能,毫米波被认为对实现L2级自动驾驶(部分自动驾驶)不可或缺。此外,监控驾驶员和乘客的状态以及是否有儿童被遗忘在车上也被作为提高安全性所不可或缺的功能而备受关注。  工业机器人  通过在工业机器人手臂上配备毫米波雷达,可以检测手臂与人或物体之间的距离,并可检测速度和角度数据,从而实现诸如停止手臂运动等预设动作。此外,还可以实现自主移动,例如,AMR(Autonomous Mobile Robot:自主移动机器人)可以在行走时避开货架、墙壁、行人以及多种工业设备等障碍物。  无人机  无人机,尤其是飞越有人地带的无人机,需要高度的安全性。通过使用毫米波雷达探测飞行路径,可以探测与地面之间的距离、柱子、墙壁以及电力线、电话线和布置在空中的天线等物体,不受天气条件的限制,从而确保在有人地带进行安全飞行。  05  毫米波雷达在安全技术中的应用  毫米波雷达已被应用在多个领域,近年来,在欧洲进行汽车安全性能评估的Euro NCAP提出了强化碰撞安全试验,因此,毫米波雷达在提高车内安全性的“座舱监控系统”中的应用备受关注。  Euro NCAP(European New Car Assessment Programme)是欧洲新车安全评鉴协会)的缩写。该协会是一个对在欧洲销售的新车的安全性进行评估和发布的独立机构。它对碰撞安全性和行人保护等前沿安全技术进行测试和评级,已成为消费者选车的指标。另外,NCAP在各国都有,例如,在美国有IHS rating,在日本有JNCAP。  2023年,Euro NCAP发表了新的评估项目。除了根据乘员体格自动展开安全气囊的技术以及检测安全带使用情况的技术外,为了预防近年来“因儿童被遗忘在车内而导致的中暑事故”,评估对象中还新增了儿童遗忘检测功能。为了满足这些要求,能够掌握车内状况的座舱监控系统不可或缺。  座舱监控系统是一种利用车内传感器监控驾驶员和乘员的状况,并在需要时启动制动或警报的机制。它由驾驶员监控系统DMS(Driver Monitoring System)和乘员监控系统OMS(Occupant Monitoring System)组成,驾驶员监控系统用于确认驾驶员的身体状况和注意力,乘员监控系统用于掌握乘员的位置和行动。传感器中一直在使用摄像头,但在许多情况下,仅靠摄像头难以检测到,例如后向式儿童安全座椅上的婴儿、裹在毯子里的乘员以及安全带的佩戴状况等。  在这些情况下,作为补充和替代摄像头的装置(传感器),毫米波雷达被认为很有前景。毫米波雷达能够穿透织物和座椅靠背,因此可以检测到“摄像头无法看到的对象”。此外,它对于微小的动作也能捕捉到,因此对于心率和呼吸等生理功能的轻微变化也能检测。凭借这些特征,毫米波雷达有望为大幅提高座舱监控系统中的DMS和OMS的功能做贡献,并有助于符合Euro NCAP要求的新安全标准。  06  总结:毫米波雷达的未来是与传感器融合  毫米波雷达是一种具有优良检测能力的装置——传感器,但为了满足今后多样化的检测需求,将包括毫米波雷达在内的超声波传感器、红外传感器和摄像头等多种传感器相组合的“传感器融合”至关重要。  传感器融合是一种整合来自多个传感器的数据,以获取单个传感器无法获取的信息的技术。例如,通过将毫米波雷达与图像传感器相组合,不仅可以从人体运动中获取驾驶员的疲劳程度和注意力水平信息,还可以从眼球运动和面部表情中获取信息,并根据需要发出警报。  将来,除了汽车外,在工业机器人、无人机和多种出行设备中,以毫米波雷达为中心的传感器融合技术也有望大幅提高周边状况的识别精度、安全性和可靠性。
2026-09-16 13:05 阅读量:350
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