Wdrażanie zabezpieczeń, zasilania pomocniczego i łączności w pojazdach elektrycznych i urządzeniach do ładowania pojazdów elektrycznych

Pojazdy elektryczne (EV) odgrywają coraz ważniejszą rolę w redukcji emisji gazów cieplarnianych (GHG) w odpowiedzi na obawy związane ze zmianami klimatu. Jednak pomyślne zaprojektowanie i wdrożenie pojazdów elektrycznych (EV) oraz urządzeń do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE), takich jak ładowarki do ich baterii akumulatorów, wymaga od projektantów pokonania szerokiego zakresu wyzwań technologicznych. Należą do nich dobór nadprądowych i nadnapięciowych zabezpieczeń obwodów, ograniczanie zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), projektowanie zasilaczy o szerokim zakresie napięć wejściowych i temperatur roboczych oraz ciągła potrzeba redukcji wagi w celu zwiększenia zasięgu pojazdów elektrycznych.

Na przykład system zarządzania bateriami (BMS) i interfejs sterujący w systemie ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE) wymagają pomocniczych zasilaczy prądu zmiennego‑stałego, które mogą działać w zakresie napięć wejściowych od 85 do 305V_~ oraz w zakresie temperatur od -40°C do +85°C. Aby poradzić sobie z wagą, projektanci muszą rozważyć przejście od sprawdzonej i ugruntowanej magistrali CAN do sieci Ethernet klasy motoryzacyjnej, która może obsługiwać szersze pasma przy użyciu lżejszych kabli.

Niniejszy artykuł zawiera krótki przegląd podstawowych typów ładowarek do pojazdów elektrycznych. Następnie omówiono różne potrzeby każdego typu związane z pomocniczymi zasilaczami prądu zmiennego-stałego, przedstawiono opcje ochrony nadnapięciowej i nadprądowej oraz omówiono sposoby wdrożenia łączności Ethernet i tłumienia zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) w celu uniknięcia zniekształceń sygnałów przy dużych prędkościach. Rzeczywiste rozwiązania różnych problemów projektowych zostaną przedstawione na podstawie przykładów dostawców, takich jak Bel Fuse, Signal Transformer, Stewart Connector i CUI.

Wprowadzenie do wymagań dotyczących ładowania pojazdów elektrycznych (EV) i urządzeń do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE)

Wdrożenie dużej liczby urządzeń do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE), w tym ładowarek baterii i stanowisk ładowania, będzie kluczem do powszechnego wdrożenia pojazdów elektrycznych. Należy pamiętać, że ładowarki baterii do pojazdów elektrycznych są wbudowane w pojazdy elektryczne, podczas gdy stanowiska ładowania to zewnętrzne stacje ładowania. Północnoamerykańska norma SAE J1772 dla złączy do pojazdów elektrycznych definiuje cztery poziomy ładowania pojazdów elektrycznych:

• Poziom 1 prądu zmiennego wykorzystuje napięcie 120V_~, zapewniając natężenie 16A i moc 1,9kW, a poziom 2 prądu zmiennego wykorzystuje napięcie od 208 do 240V_~, zapewniając natężenie 80A i moc 19,2kW
• Poziom 1 prądu stałego wykorzystuje napięcie do 1000V₌, zapewniając natężenie do 80A i moc 80kW
• Poziom 2 prądu stałego wykorzystuje napięcie do 1000V₌, zapewniając natężenie do 400A i moc 400kW

Norma SAE definiuje dwa poziomy prądu stałego oddzielnie, jednak często są one łączone razem i określane jako poziom 3, czyli szybkie ładowanie prądem stałym. Oprócz różnych napięć wejściowych i poziomów mocy, stanowiska ładowania prądem zmiennym wymagają oddzielnej ładowarki wbudowanej (OBC) w pojeździe do obsługi konwersji prądu zmiennego na stały oraz funkcji systemu zarządzania bateriami (BMS) niezbędnych do bezpiecznego i wydajnego ładowania pakietu baterii. W przypadku szybkiego ładowania prądem stałym, nie ma potrzeby stosowania ładowarki wbudowanej; funkcje konwersji mocy i systemu zarządzania bateriami (BMS) znajdują się w stanowisku ładowania. Każdy poziom ładowania obejmuje komunikację (przesyłanie sygnałów) między pojazdem a stanowiskiem ładowania (ilustracja 1).

Ilustracja 1: powszechnie znane są trzy poziomy ładowania pojazdów elektrycznych (EV). Poziom 3 (u dołu) łączy w sobie dwa poziomy ładowania prądem stałym określone w normie SAE J1772. (Źródło obrazu: CUI)

Zapotrzebowanie na zasilanie pomocnicze

Zgodnie z wymogami normy SAE J1772, do obsługi ogólnej pracy stanowiska ładowania i funkcji sygnalizacji podczas łączenia kontrolera stanowiska ładowania ze sterownikiem pojazdu potrzebne jest zasilanie pomocnicze. Protokół sygnałowy ma za zadanie zapewnić sprawne i bezpieczne ładowanie z wykorzystaniem ciągłej dwukierunkowej łączności między stanowiskiem a pojazdem.

Podstawowe zapotrzebowanie na moc wymaga zasilacza prądu zmiennego-stałego o napięciu 12V₌ do sygnalizacji i o zakresie temperatur roboczych od -40 do +85°C. Kompletne rozwiązania wymagają kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) i obwodów ochronnych. Zwykle wyposażone są w oddzielną przetwornicę prądu stałego do dostarczania niższych napięć do innych komponentów, na przykład 3,3V do zasilania mikrokontrolera MCU.

Dokładne zapotrzebowanie na moc zależy od konstrukcji stanowiska ładowania. Na przykład ładowarka poziomu 1 ma prostą konstrukcję o minimalnym zapotrzebowaniu na energię i zasilaniu pomocniczym dostarczanym z miniaturowego zasilacza prądu zmiennego-stałego o mocy 5W zamontowanego na płytce drukowanej. Stanowiska ładowania poziomu 2 są bardziej złożone i wymagają około 50W mocy pomocniczej. Oba działają przy zasilaniu jednofazowym prądu zmiennego, ale mają inne wymagania dotyczące napięcia wejściowego: 120V_~ dla poziomu 1 oraz od 208 do 240V_~ dla poziomu 2.

Sytuacja znacznie się zmienia w przypadku stanowisk ładowania poziomu 3. Obwody ładowania w stanowisku działają przy zasilaniu trójfazowym, często 480V_~. Zasilacz pomocniczy jest zasilany prądem jednofazowym i wymaga szerokiego zakresu napięć wejściowych, na przykład od 85 do 305V_~. Moc wyjściowa jest również wyższa, często 150W lub więcej, co umożliwia korzystanie z szerszego zakresu funkcji, w tym dodatkowych elementów sterujących, takich jak funkcje płatności, wyświetlacz i system zarządzania bateriami (BMS). Może posiadać pojedyncze wyjście, np. 24V₌ do ogólnego zasilania systemu. System będzie posiadał szereg rozproszonych przetwornic prądu stałego o napięciu 12V₌ potrzebnego do sygnalizacji, oddzielną szynę 12V₌ dla systemu zarządzania bateriami (BMS) oraz o napięciu 3,3V₌ dla mikrokontrolera MCU i innych komponentów. Oprócz zapewnienia kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) i standardowych funkcji zabezpieczających, omawiane rozwiązania zasilania wymagają korekcji współczynnika mocy (PFC) oraz ochrony przed wysokimi początkowymi prądami rozruchowymi w momencie włączenia.

Zasilacze pomocnicze

Dobrą wiadomością dla projektantów jest to, że nie muszą konstruować zasilaczy pomocniczych od podstaw. Zamiast tego w firmie CUI, należącej do grupy Bel Fuse, dostępne są gotowe rozwiązania dla wszystkich rodzajów stanowisk ładowania pojazdów elektrycznych (EV). Na przykład zasilacze prądu zmiennego-stałego serii PBO o mocy 3, 5, 8 i 10W do montażu na płytce są odpowiednie dla ładowarek poziomu 1. Model PBO-5C-12 ma moc wyjściową 5W przy napięciu 12V₌ i zakresie napięć wejściowych od 85 do 305V_~. Jest przeznaczony do pracy w zakresie temperatur od -40°C do +85°C.

Stanowiska ładowania poziomu 2 wymagają większych mocy zasilania pomocniczego i mogą wykorzystywać zasilacze prądu zmiennego-stałego z serii PSK, np. przedstawionego zasilacza PSK-10D-12 10W, dostarczającego prąd o natężeniu 830mA przy napięciu 12V₌. Wspomniany zasilacz ma ten sam zakres napięć wejściowych i specyfikacje temperatury roboczej, co zasilacz PBO-5C-12. Zarówno seria PBO, jak i PSK posiada zabezpieczenie nadprądowe i przeciwzwarciowe, natomiast seria PSK dodatkowo zabezpieczenie nadnapięciowe.

Do stanowisk ładowania poziomu 3 firma CUI przewidziała zasilacze prądu zmiennego-stałego z serii VGS o mocy do 350W. Zasilacze te posiadają zabezpieczenia przed zwarciem, nadmiernym prądem, nadmiernym napięciem i nadmierną temperaturą, a także ograniczanie prądu rozruchowego i aktywną korekcję współczynnika mocy (PFC). Spełniają one wymogi klasy B wg normy CISPR/EN55032 w zakresie emisji promieniowanych i przewodzonych oraz klasy A wg normy IEC 61000-3-2 w zakresie ograniczeń zawartości harmonicznych. Przykładowym modelem jest VGS-100W-24. Dostarcza on 108W mocy przy napięciu wyjściowym 24V₌, a jego typowa sprawność wynosi 89,5% (ilustracja 2).

Ilustracja 2: zasilacze prądu zmiennego-stałego VGS (po lewej), PSK (w środku) i PBO (po prawej) (bez zachowania skali) są przeznaczone odpowiednio do stanowisk ładowania pojazdów elektrycznych poziomu 3, poziomu 2 i poziomu 1. (Źródło ilustracji: Jeff Shepard)

Zabezpieczenie nadprądowe

Aby zapewnić zabezpieczenie nadprądowe dla szyn wysokiego napięcia, firma Bel Fuse oferuje szybko działające i wytrzymałe bezpieczniki ceramiczne o napięciu znamionowym 240, 500 i 1000V. Są one przeznaczone do użycia w głównych pakietach baterii pojazdów elektrycznych, skrzynkach przyłączowych, stanowiskach ładowania i podobnych zastosowaniach. Spełniają one wymagania normy bezpiecznikowej JASO D622/ISO 8820-8 dla pojazdów drogowych. Model 0ALEB9100-PD topikowego bezpiecznika ceramicznego do montażu śrubowego ma prąd znamionowy 10A i napięcie 500V (ilustracja 3).

Ilustracja 3: bezpiecznik ceramiczny 0ALEB9100-PD do montażu śrubowego ma prąd znamionowy 10A oraz napięcie 500V i jest przeznaczony do użycia w różnorodnych zastosowaniach w pojazdach elektrycznych. (Źródło ilustracji: Bel Fuse)

Zabezpieczenie przed nadmierną temperaturą

Zabezpieczenie przed nadmierną temperaturą jest również ważne w stanowiskach ładowania pojazdów elektrycznych i w pakietach baterii. Do tych zastosowań firma Bel Fuse oferuje wysokotemperaturowe bezpieczniki resetowalne serii 0ZT. Omawiane urządzenia o dodatnim współczynniku temperaturowym (PTC) charakteryzują się szerokim zakresem temperatur roboczych od -40°C do +125°C, zapewniają wymagane prądy wyzwalania i trzymania oraz niezawodne zabezpieczenie przed nadmierną temperaturą. Model 0ZTH0020FF2E na przykład ma napięcie znamionowe 30V, prąd wyzwalania 500mA i prąd trzymania 200mA (ilustracja 4). Podobnie jak inne urządzenia o dodatnim współczynniku temperaturowym (PTC) z serii OZT, jest on dobrze przystosowany do pracy w środowiskach o wysokich temperaturach otoczenia.

Ilustracja 4: wysokotemperaturowy bezpiecznik resetowalny OZTH0020FF2E należy do serii OZT urządzeń o dodatnim współczynniku temperaturowym (PTC), zapewniających ochronę przed nadmierną temperaturą, odpowiednich do stosowania w stanowiskach ładowania pojazdów elektrycznych (EV) oraz w systemach zarządzania bateriami (BMS). (Źródło ilustracji: Bel Fuse)

Łączność i integralność sygnału

Oprócz funkcji zasilania pomocniczego i zabezpieczeń, do niezawodnego działania stanowisk ładowania pojazdów elektrycznych (EV) wymagane są szybkie połączenia i wysoki stopień integralności sygnału. Wymagania te są z łatwością spełniane przez motoryzacyjne sieci Ethernet oparte na standardzie IEEE 802.3ch o prędkościach przesyłu danych dochodzących do 10Gbit/s. Motoryzacyjne sieci Ethernet szybko zastępują tradycyjną magistralę CAN o szybkości transmisji danych 1Mbit/s. Wynika to po części z wysokiej szybkości przesyłu danych w motoryzacyjnej sieci Ethernet, ale także z tego, że dane te są dostarczane przez nieekranowaną, pojedynczą skrętkę dwużyłową, która została zaprojektowana z myślą o niskiej wadze i minimalnych kosztach.

Oczekuje się, że wykorzystanie sieci Ethernet będzie rosło wraz z wprowadzeniem standardu IEEE 802.3dh, które planowane jest na 2024 r. Wspomniany standard umożliwi realizację wielogigabitowych sieci Ethernet w zastosowaniach motoryzacyjnych wykorzystujących włókna światłowodowe z tworzywa sztucznego (POF). Niektóre zalety technologii światłowodowej POF w zastosowaniach motoryzacyjnych to m.in. wysokie granice odkształcenia sprężystego, wysoka odporność na pękanie i wysoka elastyczność, dzięki czemu stanowią dobry wybór w miejsce okablowania Ethernet ze skrętkami dwużyłowymi.

Natomiast na potrzeby współczesnych projektów motoryzacyjnych, należąca do grupy Bel Fuse firma Stewart Connector oferuje modułowe złącza Ethernet RJ45 klasy motoryzacyjnej, które są zgodne z wymogami normy SAE/USCAR2-6 dotyczącej drgań i uszczelnień. Są one dostępne w wersjach do montażu pod kątem prostym i do montażu pionowego, w wielu konfiguracjach LED i w zakresie temperatur roboczych od -40°C do +100°C.

Złącza mogą obsługiwać technologię Power-over-Ethernet (PoE) na poziomach do 100W. Ponieważ w przypadku tego typu złączy PoE częstymi wyzwaniami są przesłuchy i straty odbiciowe, konstrukcja ich styków została zoptymalizowana pod kątem wysokich parametrów działania w zastosowaniach wysokoczęstotliwościowych. Są one również zoptymalizowane pod kątem niewielkiej zajmowanej powierzchni.

Wersje złączy RJ45 firmy Stewart bez diod LED, takie jak SS-60300-011, są kompatybilne z technologią lutowania rozpływowego z wykorzystaniem podczerwieni (IR), a wszystkie urządzenia z tej serii posiadają styki powleczone złotem o grubości 1,27μm, co poprawia parametry działania. Model SS-60300-011 jest przeznaczony do montażu w orientacji poziomej (ilustracja 5).

Ilustracja 5: kompaktowe, poziome złącze Ethernet SS-60300-011 obsługuje technologię PoE w zastosowaniach motoryzacyjnych. (Źródło ilustracji: Stewart Connector)

W celu zapewnienia integralności sygnału, należąca do grupy Bel Fuse firma Signal Transformer, oferuje serię SPDL dławików sygnałów wspólnych do montażu powierzchniowego do tłumienia zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) w postaci szumów sygnałów różnicowych. Filtrują one sygnały przesyłane przez Ethernet i inne szybkie interfejsy praktycznie bez zniekształcania. Znamionowe natężenie prądu omawianych dławików sygnałów wspólnych wynosi do 6,5A przy impedancji od 90 do 2200Ω, a ich zakres temperatur roboczych wynosi od -40°C do +125°C. Na przykład model SPDL3225-101-2P-T ma następujące parametry znamionowe: 5100Ω (typ.), 50V i 150mA (ilustracja 6).

Ilustracja 6: dławiki sygnałów wspólnych do montażu powierzchniowego SPDL3225-101-2P-T niwelują zakłócenia elektromagnetyczne przy minimalnych zniekształceniach sygnału. (Źródło ilustracji: Signal Transformer)

Podsumowanie

Wdrożenie systemów ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE), takich jak stanowiska ładowania pojazdów elektrycznych (EV), jest ważne dla wsparcia wykorzystania pojazdów elektrycznych na dużą skalę i związanej z tym redukcji emisji gazów cieplarnianych. Potrzebny jest szereg typów stanowisk ładowania pojazdów elektrycznych, które mogą obsługiwać zarówno powolne ładowanie prądem zmiennym, jak i szybkie ładowanie prądem stałym. Aby stworzyć udany projekt i bezpieczne wdrożenie pojazdów elektrycznych i urządzeń do ładowania pojazdów elektrycznych (EVSE), projektanci mogą skorzystać z łatwo dostępnych, specjalistycznych systemów i urządzeń do konwersji i dostarczania energii, ochrony obwodów oraz ograniczania zakłóceń elektromagnetycznych (EMI).

Rekomendowane artykuły

1. Złącza systemów CCS upraszczają wdrażanie bezpiecznych systemów szybkiego ładowania pojazdów elektrycznych
2. Dobór i stosowanie kondensatorów w celu zapewnienia sprawnych, niezawodnych i trwałych ładowarek do pojazdów elektrycznych
3. Wykorzystanie dwukierunkowych przetwornic mocy i korekcji współczynnika mocy (PFC) do zwiększenia sprawności sieci elektrycznej oraz hybrydowych i akumulatorowych pojazdów elektrycznych (HEV/BEV)
4. Jak produkowane są pakiety baterii do pojazdów elektrycznych?