Zapewnienie ochrony obwodów, szybkiego przesyłania danych i konwersji prądu dla platform elektromobilności

Potrzeba niezawodnych rozwiązań ochrony obwodów, szybkiej komunikacji i kompaktowej konwersji prądu w systemach elektromobilności i transportowych rośnie w wielu dziedzinach, w tym w samochodach hybrydowych i elektrycznych, autobusach, pojazdach ciężarowych i półciężarowych drogowych, jak i terenowych oraz platformach morskich. Trendy te są stymulowane przez rosnący nacisk na zrównoważony rozwój i bezpieczeństwo towarzyszące przejściu branży transportowej na bardziej autonomiczne sterowane i pojazdy elektryczne (EV) lub hybrydowe EV (HEV). W rezultacie pojawiają się nowe systemy pojazdów, które stopniowo stają się coraz bardziej zależne od bezpiecznej i zrównoważonej eksploatacji.

Aby zapewnić bezpieczeństwo i niezawodność, projektanci połączonych z Internetem elektrycznych i zautomatyzowanych pojazdów potrzebują szerokiej gamy urządzeń ochrony obwodów, a także rozwiązań do komunikacji i konwersji prądu, które są zaprojektowane z myślą o niezawodnej pracy w trudnych warunkach i są certyfikowane zgodnie z normami AEC-Q200, SAE, USCAR i innymi.

W niniejszym artykule pokrótce omówiono niektóre specyfikacje urządzeń ochrony obwodów, które projektanci muszą wziąć pod uwagę. Następnie przedstawiono konkretne rozwiązania ochrony obwodów, łączności i konwersji prądu firmy Bel Fuse oraz przeanalizowano wykorzystanie tych produktów w systemach elektromobilności.

Komponenty i standardy ochrony w pojazdach elektrycznych

Aby sprostać wyzwaniom występującym w pojazdach elektrycznych, projektanci mogą skorzystać z szeregu rozwiązań z certyfikatami i homologacjami do ochrony obwodów samochodowych, szybkiej komunikacji i konwersji prądu, takich jak:

• Bezpieczniki samochodowe kasetowe, montowane na płytce drukowanej (montaż przewlekany i powierzchniowy) oraz konfiguracje śrub z odsunięciem zoptymalizowane pod kątem systemów i podsystemów zasilania, a także bezpieczniki topikowe do zastosowań pomocniczych i akcesoriów, takich jak systemy radarowe, systemy wspomagające kierowcę, silniki pomp hamulcowych, przenośne ładowarki, systemy akumulatorowe, systemy inforozrywki, kamery, programowalne oświetlenie i wspomaganie układu kierowniczego. Ponadto niektóre zastosowania będą wymagały bezpieczników wysokiego prądu rozruchowego, o szybkim zadziałaniu, zwłocznych, a także resetowalnych polimerowych o dodatnim współczynniku temperaturowym (PPTC).
• Zgodne z normą AEC-Q200 dławiki tłumiące zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) do filtrowania szumów i ochrony szybkich sygnałów danych w licznych podsystemach czujnikowych stanowiących część systemów ADAS i systemach nawigacji, systemach multimedialnych, klastrach komunikacji pojazdu z innymi odbiornikami (V2X) i antenach oraz zapewniają różnicowe tłumienie szumów w sieci Ethernet, magistrali CAN, FlexRay i USB w zastosowaniach motoryzacyjnych
• Całkowicie ekranowane złącza RJ45 zgodne z normą Society of Automotive Engineers (SAE) USCAR2-6 „Specyfikacja parametrów samochodowego systemu złączy elektrycznych – wersja 6”, umożliwiają projektantom zastąpienie magistral CAN szybszą i lżejszą siecią Ethernet do zastosowań motoryzacyjnych w celu obsługi rosnących potrzeb obliczeniowych w pojazdach w szeregu systemów ADAS, takich jak kamery wspomagające kierowcę i systemy wspomagania kierowcy oparte na radarach, a także telematyka, konwertery multimedialne i bramy.
• Przetwornice mocy z certyfikatem IP67, w tym ładowarki do pojazdów elektrycznych i hybrydowych, posiadające kwalifikację do stosowania w motoryzacji i oferowane w wersjach konwekcyjnych lub chłodzonych cieczą z izolacją galwaniczną.

Dobór urządzeń ochrony obwodu

Przy doborze odpowiedniego urządzenia do ochrony obwodu w systemach elektromobilności, ważne jest jasne zrozumienie jego charakterystyki działania. Niektóre podstawowe specyfikacje obejmują:

• Napięcie znamionowe: maksymalne dopuszczalne napięcie zapewniające bezpieczną pracę
• Prąd znamionowy: natężenie prądu w amperach (A), które bezpiecznik może przenosić w normalnych warunkach pracy
• Zdolność wyłączania (zwana także wyłączalnością znamionową lub znamionowym prądem zwarciowym): maksymalny prąd, który bezpiecznik może przerwać przy jego napięciu znamionowym bez uszkodzenia. Zdolność wyłączania musi być co najmniej równa maksymalnemu prądowi zwarciowemu przewidzianemu dla obwodu
• Krzywe czasowo-prądowe: określają, czy bezpiecznik jest typu szybkiego czy zwłocznego. Bezpieczniki szybkie są stosowane tam, gdzie szybkość ochrony ma znaczenie krytyczne. Bezpieczniki zwłoczne są stosowane w miejscach, w których występują krótkotrwałe przepięcia lub przeciążenia

I²t: specyfikacja bez normy testowej

Parametrem, który zasługuje na szczególną uwagę jest znamionowa całka Joule'a stapiania I²t (wymawiana „I kwadrat T”). Jest to miara energii potrzebnej do stopienia elementu topikowego, co jest ważną cechą bezpiecznika dla każdego zastosowania. I²t wyraża się jako „amper kwadrat razy sekunda” (A²s). Niestety dla projektantów ani normy UL/CSA 248 ani IEC127 dla bezpieczników miniaturowych i mikrobezpieczników nie zawierają procedury testowej, ani kryteriów testowania współczynnika I²t. Definicja I²t według normy branżowej:

CAŁKA JOULE'A STAPIANIA I²t mierzona przy 10In, przy użyciu ustalonego prądu stałego, gdzie In to prąd znamionowy bezpiecznika.

Użycie prądu 10In może być problematyczne i nie zawsze skutkuje dokładnymi czasami otwarcia. W szczególności bezpieczniki zwłoczne aby osiągnąć prawdziwą wartość I²t, mogą wymagać wyższego natężenia prądu niż 10-krotność prądu znamionowego. Ponieważ różni producenci w różny sposób radzą sobie z tym dylematem, ważne jest, aby projektanci dobrze poznali metodę zastosowaną do określenia wartości I²t dla konkretnych bezpieczników. Bardziej szczegółowe omówienie tych wyzwań jest dostępne tutaj: Wyjaśnienie całki Joule'a I²t.

Bezpieczniki chipowe szybkie i zwłoczne

Projektanci samochodowych systemów nawigacji, systemów zarządzania baterią litowo-jonową (BMS), reflektorów LED, samochodowych systemów zasilania przez Ethernet (PoE), PoE+ i wyświetlaczy ciekłokrystalicznych (LCD) mogą skorzystać na zastosowaniu bezpieczników chipowych do montażu powierzchniowego na grubej warstwie, takich jak bezpieczniki szybkie serii 0685P. Seria 0685P charakteryzuje się odpornością na wysokie prądy rozruchowe. Te zgodne z normą AEC-Q200 bezpieczniki z aprobatą UL o rozmiarze 1206 są dostępne z prądami znamionowymi od 2A do 50A oraz napięciami 50V prądu zmiennego (~) i 63V prądu stałego (=). Model 0685P3000-01 jest przeznaczony do natężenia 6A a jego znamionowe I²t wynosi 1,3A²s przy 10In.

Projektantom potrzebującym bezpieczników zwłocznych firma Bel oferuje serię bezpieczników chipowych C1T w rozmiarze 1206 (ilustracja 1). Są one dostępne z obciążalnością prądową od 750mA do 8A, a ich napięcie znamionowe wynosi 63V~/=. Model 0685T6000-01 jest przeznaczony do natężenia 6,0 A a jego znamionowe I²t wynosi 6,0 A²s przy 10In. Bezpieczniki zwłoczne serii C1T posiadają aprobaty UL, CSA i CE oraz certyfikat TUV zgodności z normą IEC 60127 dla bezpieczników miniaturowych.

Ilustracja 1: bezpieczniki chipowe, takie jak zwłoczne serii C1T, są używane w różnych zastosowaniach motoryzacyjnych, w których ważna jest kompaktowość. (Źródło ilustracji: Bel Fuse)

Resetowalne urządzenia PPTC

W instalacjach, w których do ochrony obwodu można skorzystać z resetowalnego urządzenia o bardzo niskiej rezystancji roboczej i bardzo wysokim prądzie trzymania, można zastosować urządzenia PPTC (polimerowe o dodatnim współczynniku temperaturowym). Urządzenia PPTC mogą być szczególnie przydatne w zastosowaniach, takich jak ochrona silnika i obwodów silnika w zamkach drzwi elektrycznych, lusterkach, siedzeniach, szyberdachach i oknach, a także instalacjach ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HV_AC) oraz ochronie wejść-wyjść w elektronicznych jednostkach sterujących (ECU).

Firma Bel oferuje dwie grupy urządzeń PPTC. Obie są zgodne z normą AEC-Q, posiadają certyfikat TUV zgodności z normami EN/IEC 60738-1-1 i EN/IEC 60730-1, a także mają aprobatę UL pod kątem zgodności z normą UL1434:

• Bezpieczniki PPTC 0ZRS z odprowadzeniami promieniowymi mają znamionowe natężenie prądu od 500mA do 10A, maksymalne napięcie 32V₌, a ich typowa moc znamionowa wynosi od 0,9 do 7,0W (ilustracja 2). Na przykład bezpiecznik 0ZRS0100FF1E ma prąd wyzwalania 1,9A, prąd trzymania 1,0A i moc znamionową 1,4W.
• Bezpieczniki PPTC 0ZCG do montażu powierzchniowego mają prąd znamionowy od 100mA do 3A przy maksymalnym napięciu od 6 do 60V= i typowej mocy znamionowej od 0,8 do 1,3W. Urządzenia 0ZCG0110BF2B z tej grupy mają napięcie znamionowe 24V=, ich prąd trzymania wynosi 1,1A, prąd wyzwalający 2,2A, a moc znamionowa 1W.

Ilustracja 2: bezpieczniki PPTC OZRS z odprowadzeniami promieniowymi mają znamionowe napięcie 32V i natężenie 10A. (Źródło ilustracji: Bel Fuse)

Bezpieczniki wytrzymujące prądy rozruchowe

Wysoką wytrzymałość na prąd rozruchowy ma kwadratowy bezpiecznik ceramiczny serii 0680L o rozmiarze 2410 do montażu powierzchniowego (tabela 1). Te bezpieczniki zwłoczne są przeznaczone do zastosowań, które wymagają przerywania wysokich natężeń prądu stałego i wysokich napięć znamionowych prądu stałego. Ich napięcie znamionowe wynosi do 125V~/=, a natężenie od 375mA do 12A. Bezpieczniki 0680L są zgodne z normą AEC-Q.

Tabela 1: charakterystyki elektryczne bezpieczników zwłocznych serii 0680L do montażu powierzchniowego. (Źródło ilustracji: Bel Fuse)

Omawiane bezpieczniki zwłoczne są często używane do ochrony obwodów PoE, PoE+, zasilania i ładowania. Bezpiecznik 0680L3000-05 ma natężenie znamionowe 3A i moc 0,81W przy znamionowym I²t wynoszącym 13A²s przy 10In.

Bezpieczniki szybkie do pojazdów elektrycznych

Aby zabezpieczyć akumulatory dużej mocy i przetwornice mocy do zasilania pojazdów elektrycznych, projektanci mogą skorzystać z szybkich bezpieczników typu kasetowego i przykręcanego. Bezpieczniki te są w pełni zgodne z dyrektywą UE 2011/65/UE i dyrektywą zmieniającą 2015/863. Zostały zaprojektowane tak, aby spełniać wymagania normy UL 248-1, a także wymagania w zakresie niezawodności podane w normach JASO D622 i ISO8820-8. Przykłady typowych zastosowań:

• Ochrona bezpiecznikowa instalacji głównej
• Stacje ładowania
• Magazynowanie energii i pakiety baterii
• Jednostki dystrybucji mocy
• Wewnętrzne przetwornice prądu stałego
• Silniki pomp hamulcowych
• Silniki sprężarek klimatyzacji
• Elektryczne systemy wspomagania układu kierowniczego

Mogą one wytrzymać prądy do 600A i mają napięcie znamionowe od 500 do 1000V=. Bezpiecznik 0ADAC0600-BE jest dobrym przykładem bezpiecznika kasetowego o natężeniu 600mA i napięciu 600V₌/_~, o znamionowym I²t wynoszącym 0,073A²s przy 10In.

Bezpieczniki zwłoczne do pojazdów elektrycznych

Seria subminiaturowych bezpieczników zwłocznych 0697W z odprowadzeniami promieniowymi ma napięcie znamionowe 350V~ lub 72V=, prąd znamionowy od 1A do 6A i jest zgodna z normą IEC 60127-3 (ilustracja 3). Bezpieczniki te są zgodne z normami jakości AEC-Q i środowiskowymi Mil-Std 202G.

Ilustracja 3: wysokonapięciowe bezpieczniki zwłoczne serii 0697W z odprowadzeniami promieniowymi zgodne z normą AEC-Q. (Źródło ilustracji: Bel Fuse)

Przykłady zastosowań urządzeń 0697W: samochodowe sterowniki elektroniczne, silniki, sterowniki central klimatyzacyjno-wentylacyjnych, wtyczki i akcesoria do zapalniczek, gniazdka elektryczne i wiązki przewodów. Na przykład model 0697W2000-02 ma natężenie znamionowe 2A i moc 0,63W przy znamionowym I²t wynoszącym 30A²s przy 10In.

Dławiki sygnałów wspólnych do komunikacji

Projektanci samochodowych systemów inforozrywkowych, systemów multimedialnych i ADAS korzystających z magistrali komunikacyjnej Ethernet, CAN, FlexRay lub USB mogą wykorzystać do tłumienia szumów w trybie różnicowym serię SPDL ultrakompaktowych dławików sygnałów wspólnych z certyfikatem AEC-Q200 firmy Signal Transformer (ilustracja 4). Te kompaktowe dławiki do montażu powierzchniowego (SMD) są oferowane w czterech rozmiarach metrycznych 2012, 3216, 3225 i 4532 oraz w 26 różnych konfiguracjach komponentowych. Seria SPDL ma zakres prądu znamionowego od 150 do 400mA i zakres impedancji od 90 do 2200Ω. Model SPDL3225-101-2P-T ma natężenie znamionowe 150mA i rezystancję 2200Ω przy indukcyjności 100µH.

Ilustracja 4: seria ultrakompaktowych dławików sygnałów wspólnych SMD SPDL może być używana z interfejsami komunikacyjnymi Ethernet, CAN bus, FlexRay lub USB. (Źródło ilustracji: Signal Transformer)

Wdrożenie sieci Ethernet

Ze względu na większą szybkość transmisji danych i lżejszy kabel, projektanci zastępują magistralę CAN magistralą Ethernet w coraz większej liczbie zastosowań elektromobilnych. Zintegrowane jednoportowe moduły złączy Ethernet MagJack firmy Bel Fuse dla branży motoryzacyjnej zawierają zintegrowane rozwiązanie magnetyczne Ethernet w pakiecie złączy. Zwiększa to w efekcie kompaktowość rozwiązania i upraszcza zadanie modernizacji istniejących systemów z magistralą CAN poprzez wprowadzenie sygnałów i okablowania Ethernet (ilustracja 5). Moduły ICM MagJack Ethernet działają w temperaturach do 100°C i są kompatybilne z SAE/USCAR2-6. Wspomniane moduły ICM zostały zatwierdzone przez firmy Broadcom, Intel oraz Marvell i są kompatybilne ze standardowymi nadajniko-odbiornikami klasy motoryzacyjnej, co jeszcze bardziej upraszcza przejście na komunikację Ethernet.

Ilustracja 5: motoryzacyjne jednoportowe moduły ICM MagJack Ethernet są wyposażone w zintegrowane elementy magnetyczne, aby zaspokoić zapotrzebowanie na kompaktowe rozwiązania. (Źródło ilustracji: Bel Fuse)

Przykładem jest motoryzacyjny moduł ICM Ethernet A829-1J1T-KM, który spełnia wszystkie wymagania elektryczne normy IEEE 802.3 10/100Base-T.

Konwersja energii w pojazdach elektrycznych (EV) i hybrydowych (HEV)

Firma Bel Power Solutions oferuje projektantom pełną gamę opcji konwersji energii dla elektromobilności, w tym przetwornice prądu stałego, dwukierunkowe przetwornice prądu stałego, wewnętrzne ładowarki, przemienniki pomocnicze i systemy ładowarek przemiennikowych, które łączą w sobie dwukierunkową ładowarkę przemennikową z dwoma przetwornicami prądu stałego obniżającymi napięcie. Przykładowa ładowarka wewnętrzna BCL25-700-8 o mocy 22kW chłodzona cieczą jest przeznaczona do drogowych i terenowych, ciężarowych oraz półciężarowych pojazdów elektrycznych (EV) i hybrydowych (HEV) (ilustracja 6). Charakterystyka i specyfikacje urządzenia BCL25-700-8:

• Wejście jednofazowe (od 190 do 264V~) lub trójfazowe (od 330 do 528V~)
• Możliwość podłączenia do zasilania sieciowego prądu zmiennego lub do stacji ładowania EVSE (Norma dot. pojazdów elektrycznych IEC 61851-1)
• Stały prąd wyjściowy 60A w zakresie napięć od 250 do 800V=
• Możliwość równoległego zainstalowania maksymalnie czterech jednostek
• Zgodność z klasą IP67 i IP6K9K
• Certyfikaty IEC 61851-21-1 i ECE R10.6
• Interfejs CAN zgodny z normą SAE J1772 i SAE J1939
• Aktywne monitorowanie blokady współzależnej wysokiego napięcia prądu stałego
• Praca w temperaturach od -40 do 60°C przy pełnym obciążeniu
• Zabezpieczenie przed nadmierną temperaturą, nadprądowe i nadnapięciowe na wyjściu

Ilustracja 6: wewnętrzna chłodzona cieczą ładowarka baterii BCL25-700-8 o mocy 22kW do drogowych i terenowych ciężarowych i półciężarowych pojazdów elektrycznych (EV) i hybrydowych (HEV). (Źródło ilustracji: Bel Fuse)

Podsumowanie

Aby spełnić wymagania bezpieczeństwa i zrównoważonego rozwoju nowej generacji pojazdów podłączonych do sieci, elektrycznych i w coraz większym stopniu zautomatyzowanych, potrzebna będzie szeroka gama rozwiązań w zakresie ochrony obwodów, komunikacji i konwersji energii. Projektanci mają łatwy dostęp do rozwiązań w postaci zatwierdzonych do zastosowań motoryzacyjnych urządzeń ochrony obwodów, dławików tłumiących zakłócenia elektromagnetyczne (EMI) zgodnych z normą AEC-Q200, w pełni ekranowanych złączy Ethernet RJ45 zgodnych z normą SAE/USCAR2-6 oraz przetwornic mocy z certyfikatem IP67. Pomagają one projektantom pojazdów elektrycznych (EV) i hybrydowych (HEV) sprostać wielu obecnym i pojawiającym się wyzwaniom projektowym, dotrzymując kroku ewolucji pojazdów autonomicznych.

Rekomendowane artykuły

1. Pojazdy jutra będą zawierały jeszcze więcej technologii