【導讀】電動汽車的發展正在穩步駛入快車道。根據IEA的《Global EV Outlook 2023》顯示，2022年全球電動汽車的銷量突破了1,000萬輛，市場滲透率也從2021年的9%增加到了14%；而這一強勁的增長勢頭在2023年還將持續，2023年電動汽車銷量將有望達到1,400萬輛，同比增長35%，滲透率則會攀升至18%。
電動汽車市場快速增長的驅動力，除了全球節能減排的大趨勢以及各個國家和地區的產業扶持戰略，與電動汽車配套的基礎設施——特別是充電樁——的長足發展也是一個十分關鍵的因素。
IEA的研究數據顯示，截至2022年底，全球共有270萬個公共充電點（Charging Point），其中僅2022年就部署了90多萬個，比2021年的存量增加了約55%；預計到2030年，全球電動汽車公共充電點的數量將達到1,270萬個。
圖1：全球電動汽車充電基礎設置發展趨勢
（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720.8萬臺，同比增長了67%，以同期新能源汽車銷量測算，樁車增量比達到了1:2.7，為電動汽車的快速發展提供了有力的支撐。
充電樁的技術趨勢
值得注意的是，今天充電樁市場的發展不是一個簡單數量上的增加，而是通過技術和產品的迭代升級，不斷提升電動汽車用戶的體驗，消除他們的里程焦慮。
具體來講，充電樁技術的演進呈現出兩大趨勢。第一是充電的全場景覆蓋，即以多樣化的產品，如家用交流樁、公共交流樁、壁掛盒、直流快充樁等，覆蓋家庭、工作和商用場所、加油站、車隊充電、充電運營商等不同應用場景的需要；同時，充電樁智能化和網聯化的趨勢，也在催生各種新的商業和運營模式，讓用戶實現“隨處可充”的愿望。
另一個趨勢就是追求更高的充電功率。這一點很好理解，如果將電動汽車的電池類比成燃油車的“油箱”，那么充電功率越大，就能夠在越短的時間內將其“注滿”。顯然，與燃油車只需幾分鐘就能加滿油的體驗相比，電動汽車以小時計算的充電時間顯然是不能令用戶滿意的，因此提高充電功率也就成了充電樁技術攻堅的重點。
按照充電功率的大小，充電樁可以被分為兩類：一類是有效功率22kW以內的慢充樁，一類是功率在22kW到400kW及以上的快充樁。前者通常采用交流充電的方式，將來自電網的交流電源通過交流插座或充電樁輸送到汽車中，由車載充電器（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，即在車外充電基礎設施中完成AC/DC轉換，直接通過直流電壓和電流為電池充電。
由于交流充電受制于車內空間等限制，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域，特別是50kW以上的“超快”充電，更是各大廠商力爭的制高點。
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120km的續航，據稱下一代V4超級充電站的充電功率將達到350kW。
不過，所有這些令人興奮的技術路線都不是一蹴而就的，必須從每一個技術環節入手進行同步提升，任何一環的缺失，都可能成為致命的短板。比如，面對越來越高的充電功率，選擇一顆可支持更大電流的被動元件，就是一個新的挑戰。
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被動元件。而高功率、大電流的應用場景，對于功率電感的性能會提出新的要求。
這主要是因為電感元件的線圈具有一定的電阻，通過電流時必然會產生功率損耗，電流增加后，一方面會影響電源系統的效率，增加能耗，另一方面則會導致電感的發熱升溫，加之汽車應用高溫環境的沖擊，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問題，同時還要具備強烈振動、沖擊、高溫等惡劣環境的耐受能力。綜合上面這些要求不難看出，一款能夠滿足充電樁應用要求、合格的功率電感必須在材料、結構、工藝等方面進行綜合優化，提供優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開關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，比市場上的其它標準產品約高出10%。同時，WE-HCF系列電感器直流電阻降低了10%，額定電流高達32A，為實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，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優勢包括：
● 采用創新的鐵合金磁芯材料，磁芯損耗極低，效率極高。
● 采用創新的無引線框架設計，獲得更佳共面性。
● 繞組與元件之間采用無焊料或焊點的直接連接，實現了更高的可靠性。
● 巧妙的結構設計顯著提高磁芯利用率，以及電流處理能力。
● 更低的寄生電容可實現更低交流損耗。
● 自屏蔽結構帶來了極佳的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：創新的鐵合金磁芯材料實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，大焊盤設計，提供較高的機械穩定性。這些優勢疊加，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端子實現安全供電
高功率充電樁的設計中，開發者需要處理高達幾十A甚至數百A的電流，這樣的挑戰會出現在這個功率鏈路中的每一個環節，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方面的問題：
大功率連接的效率
隨著電流的提高，即使是很小的連接電阻，也會導致較大的功耗，并造成發熱的現象。這對于節能和系統的可靠性、安全性，都會造成不良影響。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硬指標。
端子連接的環境耐受性
充電樁的應用環境復雜，面臨著溫度、濕度、氣體等環境極端因素的考驗，由環境因素導致的大電流連接點的氧化或腐蝕，會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勢明顯，但是一般來講，通孔回流焊PCB端子能夠比表面貼裝產品承載更大的電流，同時具有較高的機械穩定性，當然相應的裝配成本也會比較高。如何能夠平衡這些因素，提供一種高性價比的解決方案，是大電流端子設計中的一個重要課題。
針對這些設計訴求，Würth Elektronik推出了REDCUBE端子，該系列產品包括四個子門類，適用于不同的應用場景和工藝類型，但都具有低接觸電阻、低自發熱的特性，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特性的產品：其與SMD印刷電路板制造工藝兼容，具有成本效益，同時可以支持高達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時額定電流為70A，優化的結構設計使得端子重量均勻分配，減少表面貼裝時發生“立起”的情況，避免出現焊膏可能無法達到的“死角”，圓形基底面還有利于提高制造產出率。
圖8：REDCUBE SMD端子
（圖源：Würth Elektronik）
REDCUBE THR通孔PCB端子
REDCUBE THR端子將通孔技術高機械穩定性的優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個插針排列成3×3的網格，以實現更佳的可焊性和機械穩定性。同時，REDCUBE THR端子的外形低矮，有利于端子周圍的氣流流動，改善冷卻效果。上述這些優化設計，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應用，Würth Elektronik推出了額定電流高達500A的 REDCUBE PRESS-FIT端子產品線。不同于其他端子裝配時采用的焊接工藝，REDCUBE PRESS-FIT采用了一種特殊的壓裝工藝，即將端子通過機械方式壓入鍍錫的PCB孔中，端子壓入PCB孔中所產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焊點的30倍！一句話總結：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壓接式技術基礎上，Würth Elektronik又開發了一種可插拔的REDCUBE PLUG可插拔端子，其采用無螺紋的連接方式，無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，即使在高環境溫度下也不會變形。使用時，只需手動按壓端子頂部，就可以將插座完全暴露出來，方便插入鍍錫插頭；松開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景中，REDCUBE PLUG可插拔端子帶來的價值顯而易見。
圖11：REDCUBE PLUG可插拔端子
（圖源：Würth Elektronik）
可見，有了上述這幾類REDCUBE端子，在充電樁的設計中，無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
電動汽車的火爆，也在推動充電樁市場的繁榮。在可以預見的未來，無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，都將有巨大的市場增長空間，同時對于高功率、大電流功率元件的需求也會持續加碼。
圖12：Würth Elektronik充電樁整體解決方案
（圖源：Würth Elektronik）
Würth Elektronik已經針對這一市場做好了產品布局，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，為高功率充電樁開發選料時，想找大電流元件，往這兒瞧準沒錯！
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