12VDC控制交流接触器在电动汽车充电桩中的设计与应用

1、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

2、电桩 中图分类号：TM572 TP310 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 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

3、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GB 2009.1要求的额定电流不小于16A的插头插座，在

4、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

5、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

6、.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

7、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

8、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：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

9、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R

10、1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

11、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

12、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

13、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2.3 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

14、 = 350T，线圈电阻：3.0，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GB21

15、518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：1.036.6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22

16、0V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, L

17、IUHao, LIUYujie, Design and Application of Low Consumption Digital Controlled Contactor,low voltage apparatus, 2007，23(5):20-242 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 and Realization of Integrated Digital Contactor, low voltage apparatus, 2008，5（4）：19-233刘

18、昊、刘津平、刘玉洁,低功耗数控接触器现场组态的设计与实现，低压电器，2009，5 LIUHao,LIUJinping, LIUYujie, Design and realization of the field configuration for Low-consumption digital controlled (LCDC) contactor，2009,54刘昊、刘津平、刘玉洁, 低功耗数控接触器的应用设计，低压电器，2010，3 LIUHao,LIUJinping, LIUYujie, Application design of Low-consumption digital cont

19、rolled (LCDC)，2010,35 刘津平.低功耗数控接触器及其组成的控制系统（说明书），中国 ,专利号：ZL2005100216420 授权日：2006-12-20LIU Jinping. Low voltage digital controlled contactor and its controlling system: China, ZL2005100216420. 2006-12-20.6 刘津平，刘昊.低电压吸持接触器，中国 ,专利号：ZL201010284547.0 LIU Jinping，LIUHao. Low voltage holding contactor, China, 201010284547.0. Design and application of 12VDC controlled AC contactor in electric Abstract: This paper presents a new type 12VDC controlled AC contactor applied in elect