電動汽車的高功率充電連接器設計

電動汽車是老生常談了。甚至最早的機動車也有一個電動馬達。當時的挑戰和現在一樣：如何才能盡快將盡可能多的能量輸入移動能源倉庫?

電動汽車的快速充電站，在3-5分鐘內完成100公里范圍的充電：有了大功率充電技術，電動汽車漫長的充電時間成為歷史。

早在1881年，法國人古斯塔夫·特魯維先生就提出了他轟動一時的三輪車，時速12公里，與驛馬車相當相似。該車的續航能力約為14公里，幾乎適合日常使用，因為在當時，長距離的競爭者只有馬。維爾納·西門子、安德烈亞斯·弗洛肯、費迪南德·保時捷等等，電子先驅者的名單很長，包含了令人驚嘆的名字。從1896年到1939年，全世界有565種不同品牌的電動汽車。在紐約，1901年電動汽車的份額為50%，其余的是蒸汽汽車或石腦油、乙炔或壓縮空氣驅動的車輛。甚至亨利·福特也開發了帶有電動馬達的福特T型車，但它沒有進入系列生產，隨之而來的是近100年來的電動汽車停滯不前。

電動汽車起飛

21世紀初，幾大汽車集團敢于以電動車型進入市場，電動汽車因此獲得了新的發展動力和公眾關注。10年前，當第一批具有較長續航能力的車輛出現時，電動汽車的主題真正起飛了。當菲尼克斯電氣進入電動汽車市場時，最初的重點是單個組件。2009年開發了第一批客戶專用的、結合信號和電力傳輸的電動汽車充電連接器。早在2010年，就為中國的充電站制造商制造并大量交付了交流充電插座。2011年，在商用車領域出現了大批量的應用。中國的電動巴士使用重型連接器來更換大型電池。在車廠，放電的電池被自動替換為充電的電池，以優化客車的利用率。時至今日，中國的公交車仍在使用可更換電池的重型連接器。

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電動公交車的大型電池在車廠進行更換：放電的電池會自動更換為充電的電池，以優化公交車的利用率。

在早期，電動汽車大多用交流電充電。為了實現更高的充電容量和更短的充電時間，特別是在公共領域，有必要對直流充電的解決方案進行標準化。菲尼克斯電氣與領先的汽車制造商一起，為交流和直流聯合充電(后來的聯合充電系統，CCS)開發并定義了一個全球充電標準。CCS被證明是安全、靈活和實用的，并在2014年成為歐洲和美國市場上車輛和公共充電基礎設施的公認標準。(圖3)

但是，對乘用車的快速充電時間的要求也越來越高。第一批預開發項目是在2015年初進行的。來自Phoenix Contact E-Mobility的開發人員Dirk Moseke幾乎從一開始就伴隨著CCS標準的進一步發展，在這里他用自己的話描述了接下來的步驟是如何進行的：

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HPC系統的開發者之一Dirk Moseke

“當時也有規范和標準在制定，但什么都沒有。而那僅僅是兩年前的事!所以我們不得不自己開發!我們要怎么做才能從已經存在的CCS標準中得到完全不同的東西，并定義好配接面?”

200安培是沒有問題的，但現在需要300安培甚至更多。今天我們已經達到了500安培。在進入這種電流的建筑物前，會有一個黃色的標志，上面寫著“禁止進入”。而這時，我們必須讓這些設施自由進出，暴露在天氣和可能的應用中。

第一點是開發合適的電纜。對于這樣的電流，只有兩種可能性：更大的電纜截面或顯著的加熱。然而，電纜不能變得太厚，否則就會變得太重和太硬。因此，我們專門研究了發熱的問題。第一個任務是確定熱量的實際來源。事實上，發熱的是電線本身。然而，熱量也可能來自車輛，即來自我們根本無法影響的地方。下一個想法是用液體來冷卻，這意味著用一種散熱介質直接沖洗銅。我們拒絕了油基解決方案，因為它的處理太復雜了，而且沒有任何創新。

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組合充電系統(CCS)是一個為電動汽車充電的組合系統。通過一個車輛入口，用交流和直流連接器充電：只需要一個接口。

研究和開發并肩工作

接下來，我們嘗試了空氣冷卻。為此，我們將空氣吹入裝有熱電纜的管道。但空氣必須去某個地方，然后在連接器中再次出來。此外，空氣不會如此迅速地吸收熱量。我們的結果：不實用。因此，我們對替代冷卻劑做了一些更多的研究，最后采用了易于處理和環保的乙二醇。此外，我們還在電纜中使用了導熱膏。這甚至部分地起了作用，但并不適合批量生產。同時，我們還發現，使表面盡可能大是有意義的。更多的表面積意味著更好的散熱。所以我們用大量的單股做了實驗。這部分看起來就像在這里的編織室里，用收縮管、電纜扎帶和管道膠帶。

今天，我們有一條電纜，將兩根25平方毫米的銅線引出兩次，兩根為正極，兩根為負極。這確保了電纜不會太重，但又很好，很靈活。我們在外護套中建立了一個層，當電纜被磨損或損壞時，會顯示出來。此外，電纜的溫度不得超過60度，所以它可以被封閉起來，根據該標準，這由傳感器監測，并與一個開關裝置相配合。此外，通信線穿過電纜，連接器需要與柱子結合起來。下一個挑戰是連接器本身。首先有一個要求，即我們應該通過電纜冷卻進氣口，但你不能這樣做，這就相當于一個冰箱，通過打開冰箱門來冷卻電視前的啤酒。

HPC充電連接器

全球最具創新性的系統

我們開發了一種散熱器，最初是由一根轉彎的銅管組成，它被封裝起來，軟管與之相連。這也是可行的，但生產成本也很高。今天，我們有一個包圍著絕緣體的散熱器，這樣，我們就可以冷卻到觸點。

所有的密封點都必須是完美的，以便對原型進行測試。13或14個密封點，有些是在微妙的材料組成中，并配備了泄漏傳感器。我們在自己的測試實驗室中測試了各種材料，特別是其導電性。當然沒有制造商會告訴你，但這是一個巨大的努力。今天，我們測量和監測傳輸中最熱的地方的溫度，就在觸點前面。通過這種方式，我們保護我們的整個系統免受外部影響，例如來自車輛方面的影響。這是目前所有電動汽車中最具創新性的系統。我們已經獲得了實時溫度測量的專利。有一個鎖定系統，防止車輛在裝載時啟動。如果插頭掉落和損壞，不需要完全更換。我們已經使配合面的框架可以互換。這使得維護工作具有成本效益和靈活性。

從制造廠到系列化

然后，我們與我們的工具車間合作開發了預系列的工具。在某些情況下，我們敢于使用對我們來說完全陌生的技術，如銅線與觸點的超聲波焊接或直流接觸區的鑄造。這種高度復雜部件的生產發展仍然是一個挑戰，因為增長有增無減，風雨飄搖。在前期生產中，一個連接器需要兩天時間來制造，這就像一個制造廠。同時，我們與真正的系列生產，在2018年初我們的第一批樣品展示后，電動汽車的發展動態變得很明顯。有時，客戶甚至沒有詢問價格就直接下了訂單。

創新參與塑造移動性變革

“在2018年底，我們的HPC連接器開始批量生產。同時，我們為國際市場開發解決方案，在這些市場上，有時完全不同的標準占主導地位。500安培在今天的性能方面是面向未來的。但當然，我們也在不斷地進行優化。它不僅僅是一個連接器。它有這么多的智能，使得它真的可以安全地處理。而諸如遠程維護、充電電纜路由等話題——我們與充電柱制造商不斷交流。因此，我們沒有耗盡任務。

編輯：黃飛