电动汽车的高功率充电连接器设计

电动汽车是老生常谈了。甚至最早的机动车也有一个电动马达。当时的挑战和现在一样：如何才能尽快将尽可能多的能量输入移动能源仓库?

电动汽车的快速充电站，在3-5分钟内完成100公里范围的充电：有了大功率充电技术，电动汽车漫长的充电时间成为历史。

早在1881年，法国人古斯塔夫·特鲁维先生就提出了他轰动一时的三轮车，时速12公里，与驿马车相当相似。该车的续航能力约为14公里，几乎适合日常使用，因为在当时，长距离的竞争者只有马。维尔纳·西门子、安德烈亚斯·弗洛肯、费迪南德·保时捷等等，电子先驱者的名单很长，包含了令人惊叹的名字。从1896年到1939年，全世界有565种不同品牌的电动汽车。在纽约，1901年电动汽车的份额为50%，其余的是蒸汽汽车或石脑油、乙炔或压缩空气驱动的车辆。甚至亨利·福特也开发了带有电动马达的福特T型车，但它没有进入系列生产，随之而来的是近100年来的电动汽车停滞不前。

电动汽车起飞

21世纪初，几大汽车集团敢于以电动车型进入市场，电动汽车因此获得了新的发展动力和公众关注。10年前，当第一批具有较长续航能力的车辆出现时，电动汽车的主题真正起飞了。当菲尼克斯电气进入电动汽车市场时，最初的重点是单个组件。2009年开发了第一批客户专用的、结合信号和电力传输的电动汽车充电连接器。早在2010年，就为中国的充电站制造商制造并大量交付了交流充电插座。2011年，在商用车领域出现了大批量的应用。中国的电动巴士使用重型连接器来更换大型电池。在车厂，放电的电池被自动替换为充电的电池，以优化客车的利用率。时至今日，中国的公交车仍在使用可更换电池的重型连接器。

 

电动公交车的大型电池在车厂进行更换：放电的电池会自动更换为充电的电池，以优化公交车的利用率。

在早期，电动汽车大多用交流电充电。为了实现更高的充电容量和更短的充电时间，特别是在公共领域，有必要对直流充电的解决方案进行标准化。菲尼克斯电气与领先的汽车制造商一起，为交流和直流联合充电(后来的联合充电系统，CCS)开发并定义了一个全球充电标准。CCS被证明是安全、灵活和实用的，并在2014年成为欧洲和美国市场上车辆和公共充电基础设施的公认标准。(图3)

但是，对乘用车的快速充电时间的要求也越来越高。第一批预开发项目是在2015年初进行的。来自Phoenix Contact E-Mobility的开发人员Dirk Moseke几乎从一开始就伴随着CCS标准的进一步发展，在这里他用自己的话描述了接下来的步骤是如何进行的：

 

HPC系统的开发者之一Dirk Moseke

“当时也有规范和标准在制定，但什么都没有。而那仅仅是两年前的事!所以我们不得不自己开发!我们要怎么做才能从已经存在的CCS标准中得到完全不同的东西，并定义好配接面?”

200安培是没有问题的，但现在需要300安培甚至更多。今天我们已经达到了500安培。在进入这种电流的建筑物前，会有一个黄色的标志，上面写着“禁止进入”。而这时，我们必须让这些设施自由进出，暴露在天气和可能的应用中。

第一点是开发合适的电缆。对于这样的电流，只有两种可能性：更大的电缆截面或显著的加热。然而，电缆不能变得太厚，否则就会变得太重和太硬。因此，我们专门研究了发热的问题。第一个任务是确定热量的实际来源。事实上，发热的是电线本身。然而，热量也可能来自车辆，即来自我们根本无法影响的地方。下一个想法是用液体来冷却，这意味着用一种散热介质直接冲洗铜。我们拒绝了油基解决方案，因为它的处理太复杂了，而且没有任何创新。

 

组合充电系统(CCS)是一个为电动汽车充电的组合系统。通过一个车辆入口，用交流和直流连接器充电：只需要一个接口。

研究和开发并肩工作

接下来，我们尝试了空气冷却。为此，我们将空气吹入装有热电缆的管道。但空气必须去某个地方，然后在连接器中再次出来。此外，空气不会如此迅速地吸收热量。我们的结果：不实用。因此，我们对替代冷却剂做了一些更多的研究，最后采用了易于处理和环保的乙二醇。此外，我们还在电缆中使用了导热膏。这甚至部分地起了作用，但并不适合批量生产。同时，我们还发现，使表面尽可能大是有意义的。更多的表面积意味着更好的散热。所以我们用大量的单股做了实验。这部分看起来就像在这里的编织室里，用收缩管、电缆扎带和管道胶带。

今天，我们有一条电缆，将两根25平方毫米的铜线引出两次，两根为正极，两根为负极。这确保了电缆不会太重，但又很好，很灵活。我们在外护套中建立了一个层，当电缆被磨损或损坏时，会显示出来。此外，电缆的温度不得超过60度，所以它可以被封闭起来，根据该标准，这由传感器监测，并与一个开关装置相配合。此外，通信线穿过电缆，连接器需要与柱子结合起来。下一个挑战是连接器本身。首先有一个要求，即我们应该通过电缆冷却进气口，但你不能这样做，这就相当于一个冰箱，通过打开冰箱门来冷却电视前的啤酒。

HPC充电连接器

全球最具创新性的系统

我们开发了一种散热器，最初是由一根转弯的铜管组成，它被封装起来，软管与之相连。这也是可行的，但生产成本也很高。今天，我们有一个包围着绝缘体的散热器，这样，我们就可以冷却到触点。

所有的密封点都必须是完美的，以便对原型进行测试。13或14个密封点，有些是在微妙的材料组成中，并配备了泄漏传感器。我们在自己的测试实验室中测试了各种材料，特别是其导电性。当然没有制造商会告诉你，但这是一个巨大的努力。今天，我们测量和监测传输中最热的地方的温度，就在触点前面。通过这种方式，我们保护我们的整个系统免受外部影响，例如来自车辆方面的影响。这是目前所有电动汽车中最具创新性的系统。我们已经获得了实时温度测量的专利。有一个锁定系统，防止车辆在装载时启动。如果插头掉落和损坏，不需要完全更换。我们已经使配合面的框架可以互换。这使得维护工作具有成本效益和灵活性。

从制造厂到系列化

然后，我们与我们的工具车间合作开发了预系列的工具。在某些情况下，我们敢于使用对我们来说完全陌生的技术，如铜线与触点的超声波焊接或直流接触区的铸造。这种高度复杂部件的生产发展仍然是一个挑战，因为增长有增无减，风雨飘摇。在前期生产中，一个连接器需要两天时间来制造，这就像一个制造厂。同时，我们与真正的系列生产，在2018年初我们的第一批样品展示后，电动汽车的发展动态变得很明显。有时，客户甚至没有询问价格就直接下了订单。

创新参与塑造移动性变革

“在2018年底，我们的HPC连接器开始批量生产。同时，我们为国际市场开发解决方案，在这些市场上，有时完全不同的标准占主导地位。500安培在今天的性能方面是面向未来的。但当然，我们也在不断地进行优化。它不仅仅是一个连接器。它有这么多的智能，使得它真的可以安全地处理。而诸如远程维护、充电电缆路由等话题——我们与充电柱制造商不断交流。因此，我们没有耗尽任务。

编辑：黄飞