快速充电如何改变电动汽车充电格局

电动汽车（EV）的快速直流充电可能是缓解里程焦虑的关键，许多人认为这种焦虑限制了电动汽车的采用。凭借强大的充电基础设施，电池充电只需 20 分钟而不是 4 小时，电动汽车充电更接近驾驶员为内燃机 (ICE) 车辆加油时所习惯的体验。

该基础设施目前尚未完全开发，但正在不断发展并可供更多车辆使用。多家电动汽车制造商最近采用了特斯拉电动汽车充电连接器，特斯拉目前在快速充电端口的部署方面处于市场领先地位。 Sensience 委托的研究预测，到 2030 年，直流快速充电将占全球公共充电的 70% 以上（图 1）。

图 1. 到 2030 年直流快速充电的预计增长。（图片来源：Sensience）

虽然快速充电可以促进电动汽车市场的增长，但它也提高了整个电动汽车充电链的热管理标准。直流快速充电器的输出功率为 50-350 kW，而 2 级充电器的典型输出功率为 7-19 kW。即使在直流快速充电器常见的较高电压下，这些端口产生的热量也比 2 级充电端口多得多。因此，有效的热管理变得比以往任何时候都更加重要，以防止温度过高而缩短电池寿命、降低充电效率并引入安全风险。

有效热管理的一个组成部分有时会在设计过程的后期被忽视，那就是温度传感器的规格，它使电池和车辆管理系统能够快速、智能地响应整个车辆充电链的温度变化。

温度传感器在电动汽车充电链中的作用

整个充电链都使用传感器。最明显的应用是电池本身，其中热管理具有最高优先级。电池内的传感器放置位置将由电池设计和尺寸决定，但单个传感器通常会被证明是不够的，因为它可能无法检测到快速充电期间电池或模块中可能形成的热区。理想情况下，您希望能够直接监控多个位置的电池温度并了解整个电池组内的热量分布。

车载充电器为温度传感器提供了一个更简单但仍然至关重要的环境，因为传感器监控会触发快速充电期间管理热量所需的冷却系统。由于整个组件的温度变化较小，因此需要的传感器较少。

车辆充电端口是温度传感器在充电链中的另一个重要应用。车辆的充电入口和充电枪均使用温度传感器来监测电气插脚温度。如果由于插脚损坏或污染而导致任何意外现象，此反馈可提供安全停止。快速充电时，充电口的温度最高，应特别注意该应用中所用传感器的规格。

同样重要的是与冷却系统集成的传感器，可保护电池、车载充电器和电力电子设备免遭过热。集成到电动汽车中的智能冷却系统的有效性取决于支持它们的传感器。

指定电动汽车充电链的传感器

高精度在任何温度传感应用中都至关重要，但在电动汽车充电链中尤其重要，因为电池可以以最高速度充电的温度窗口很窄。传感器精度低会降低充电效率，因为即使实际温度在所需范围内，也可能必须减慢充电速度以补偿传感器的误差范围。更高精度的传感器可以降低车辆系统必须考虑传感器误差的程度，并且可以允许在更长的时间内更快地充电。

电动汽车温度传感器的另一个关键特性是响应时间或测量温度与传送温度并采取行动之间的时间。不同的传感器类型具有不同的响应特性，并且在每种类型中，可以通过传感器配置来优化响应时间。

例如，在负温度系数（NTC）热敏电阻中，金属体由于其导电性增强，比塑料体能够实现更快的响应；然而，金属主体确实增加了传感器成本，并且这些成本需要与特定应用中更快响应的价值进行平衡。在温度不太高或由冷却系统管理的情况下，如电动汽车充电链关键组件的情况，可能无法保证增加成本以实现最快的响应时间。充电口是个例外，应优先考虑优化响应时间。

选择传感器时要考虑的另一个因素是适用性——或者说缺乏适用性。传感器通常被设计到电动汽车充电链中，如果发生故障，则无法更换传感器。如果传感器出现故障，则需要更换整个组件。这使得可靠性成为整个电动汽车充电链中使用的温度传感器最重要的属性。

幸运的是，虽然温度传感器在电动汽车中的应用与内燃机汽车中的应用不同，但所使用的传感器技术是相似的。这些技术的制造工艺已经成熟，并受益于自动化，可实现一致的质量。测试和校准过程也很容易理解，有助于确保此应用中可预测的可靠性和性能。

评估电动汽车充电链的传感器技术

图 2. 传感器放置在电动汽车电池中尤为重要，因为电池的温度可能会有所不同。

电动汽车通常考虑三种温度传感技术：热电偶、NTC 热敏电阻和电阻温度检测器 (RTD)。

热电偶响应温度变化而产生与温度变化成比例的小电压。这些传感器通常价格低廉，但不太适合电动汽车充电链。它们可能会给电动汽车电池等高压环境中的测试工程师带来安全风险，它们的准确性可能会受到电噪声的影响，而且它们的响应时间比通常要求的要慢。

在 NTC 热敏电阻中，电阻随着温度升高而降低。该技术以紧凑的尺寸提供了良好的精度，可以集成到狭小的空间中。 NTC 热敏电阻的响应时间和电阻温度曲线还可进行配置，以满足广泛的应用要求，包括充电链中不同组件的要求。因此，它们代表了这些应用的理想解决方案，因为它们可以配置为有效地满足设计要求，并且已经在汽车应用中得到了数十年的验证。

在 RTD 中，电阻随着温度升高而增加。与 NTC 相比，这些传感器通常具有更高的精度和更宽的工作范围；然而，它们也更昂贵，而且该技术的优势通常不会在电动汽车充电链应用中带来额外的价值。在不断降低成本的压力下，设计人员可能会发现他们利用 NTC 热敏电阻以更低的成本实现了所需的性能。

设计的准确性和可靠性

随着快速充电变得越来越普遍，即使电池技术不断发展，整个充电链中精确可靠的温度传感仍然至关重要。将温度传感器有效且经济高效地集成到新设计中的关键是在原型开发过程中制定规格并选择供应商。这可以实现更简化的流程，有助于确保传感器经济有效地满足应用要求，并降低设计从原型转向生产时需要修改的风险。

本文由 Sensience 运输产品经理 Phil Thibodeau（俄亥俄州 Westerwille）撰写。如需了解更多信息，请访问此处。