Jak zajistit ochranu obvodů, vysokorychlostní data a přeměnu energie pro platformy eMobility

Potřeba spolehlivé ochrany obvodů, vysokorychlostní komunikace a kompaktních řešení pro přeměnu energie v systémech eMobility a dopravních systémech roste v celé řadě platforem včetně hybridních a elektrických vozidel, autobusů, středně velkých a těžkých vozidel na dálnicích i mimo ně a v námořních platformách. Tyto trendy jsou poháněny rostoucím důrazem na udržitelnost a bezpečnost, protože dopravní průmysl přechází na autonomnější řízení a elektrická vozidla (EV) nebo hybridní elektrická vozidla (HEV). V důsledku toho vznikají nové systémy vozidel, které jsou postupně čím dál závislejší na bezpečném a udržitelném provozu vozidel.

K zajištění bezpečnosti a spolehlivosti potřebují konstruktéři připojených, elektrických a automatizovaných vozidel širokou škálu ochran obvodů spolu s komunikačními řešeními a řešeními přeměny energie, která jsou navržena pro spolehlivý provoz v náročných prostředích a jsou certifikována, že splňují standardy AEC-Q200, SAE, USCAR a další výkonnostní standardy.

V tomto článku jsou stručně shrnuty některé ze specifikací zařízení na ochranu obvodů, které musí konstruktéři zvážit. Poté si zde představíme konkrétní řešení ochrany obvodů, konektivity a řešení přeměny energie od společnosti Bel Fuse a prozkoumáme použití těchto produktů v systémech eMobility.

Komponenty a standardy ochrany EV

K tomu, aby se konstruktéři dokázali vypořádat s výzvami souvisejícími s EV, mohou využít řadu ochran obvodů, řešení vysokorychlostní komunikace a přeměny energie určené a certifikované pro automobily, včetně následujících:

• Pro automobily určené pojistky v patroně, s konfiguracemi montáže na desce plošných spojů (do otvorů a s povrchovou montáží) a offsetových šroubů optimalizovaných pro napájecí systémy a subsystémy, plus pojistky pro pomocné aplikace a příslušenství, jako jsou radarové asistenční systémy, motory brzdových čerpadel, přenosné nabíječky, bateriové systémy, infotainment, kamery, programovatelné osvětlení a posilovač řízení. Specifické aplikace budou navíc vyžadovat pojistky s vysokým náběhem, rychlou reakcí, pomalou reakcí a resetovatelné polymerové vratné pojistky s pozitivním teplotním koeficientem (PPTC).
• Odrušovací tlumivky elektromagnetického rušení (EMI) kvalifikované podle standardu AEC-Q200 k odfiltrování šumu a k ochraně vysokorychlostních datových signálů pro řadu senzorových subsystémů, které tvoří systémy ADAS a navigační systémy, multimediální systémy, clustery typu V2X („vehicle-to-everything“) a antény a poskytují diferenciální potlačení šumu pro ethernet pro automobily, sběrnici CAN (Controller Area Network), FlexRay a automobilovou univerzální sériovou sběrnici (USB).
• Plně stíněné konektory RJ45, které vyhovují předpisům USCAR2-6 „Specifikace výkonu automobilového elektrického systému konektorů – revize 6“ sdružení SAE („Society of Automotive Engineers“, profesního sdružení odborníků z oblasti leteckého, automobilového a dopravního průmyslu), a umožňují konstruktérům nahradit sběrnice CAN rychlejším a lehčím ethernetem pro automobily k podpoře rostoucí potřeby počítačových výpočetních prostředků v řadě systémů ADAS, jako jsou asistenční kamery a radarové asistenční systémy stejně jako telematika, převodníky médií a brány.
• Převodníky energie s certifikací IP67, včetně nabíječek baterií pro elektrická a hybridní vozidla, které jsou určené pro automobilový průmysl a nabízejí se v konvekčních nebo kapalinou chlazených implementacích s galvanickým oddělením.

Výběr zařízení ochrany obvodu

Při výběru vhodného zařízení je při specifikaci zařízení na ochranu obvodů pro systémy eMobility důležité jasné porozumět jeho provozním charakteristikám. Některé základní specifikace zahrnují:

• Jmenovité napětí: maximální přípustné napětí pro bezpečný provoz
• Jmenovitý proud: proud v ampérech (A), který může pojistka za normálních provozních podmínek přenášet
• Vypínací schopnost (také nazývaná jmenovitá vypínací schopnost nebo jmenovitá zkratová schopnost): maximální proud, který pojistka může při jmenovitém napětí přerušit, aniž by se poškodila; vypínací schopnost musí splňovat nebo překračovat maximální poruchový proud předpokládaný pro obvod
• Časové křivky proudu: definují, zda má pojistka rychlou nebo pomalou reakci (nazývaná také pojistka se zpožděnou reakcí); pojistky s rychlou reakcí se používají tam, kde je kritická rychlost ochrany; pojistky s pomalou reakcí se používají v aplikacích, které zaznamenávají krátkodobý proudový ráz nebo přetížení

I²t: specifikace bez standardu testování

Specifikací, která si zaslouží zvláštní pozornost, je jmenovitá hodnota tavení, I²t (vyslovováno „I na druhou T“). Jde o míru energie potřebné k roztavení prvku pojistky, což je důležitá charakteristika pojistky pro všechny aplikace. I²t se vyjadřuje jako „ampér na druhou sekund“ (A²s). Bohužel pro konstruktéry neobsahují testovací postup nebo testovací kritéria pro I²t standardy UL/CSA 248 ani IEC127 pro miniaturní pojistky a mikropojistky. Oborová definice standardu I²t je:

TAVENÍ I²t měřeno při 10 In pomocí konstantního stejnosměrného proudu (DC), kde ln je jmenovitý proud pojistky.

Použití hodnoty 10 In může být problematické a ne vždy vede k přesné době rozpojení. Zejména pojistky s pomalou reakcí mohou vyžadovat vyšší násobek než 10násobek jmenovitého proudu, aby se dosáhlo skutečné hodnoty I²t. Protože různí výrobci řeší toto dilema různě, je důležité, aby konstruktéři jasně porozuměli metodě použité k dosažení hodnoty I²t pro konkrétní pojistky. Podrobnější diskuze o těchto výzvách je k dispozici zde: vysvětlení hodnoty I²t.

Čipové pojistky s rychlou reakcí a pomalou reakcí

Konstruktéři automobilových navigačních systémů, systémů správy lithium-iontových (li-ion) baterií (BMS), LED světlometů, napájení přes ethernet (PoE) pro automobily, PoE+ a displejů z tekutých krystalů (LCD) mohou využívat výhod použití čipových pojistek pro povrchovou montáž založených na technologii tenkých vrstev, jako je řada 0685P pojistek s rychlou reakcí. Řada 0685P se vyznačuje vysokou odolností proti náběhovému proudu. Tyto pojistky velikosti 1206 vyhovující standardu AEC-Q200 a schválené UL jsou k dispozici se jmenovitým proudem od 2 A do 50 A a jmenovitým napětím 50 V AC a 63 V DC. Model 0685P3000-01 je dimenzován na 6 A s hodnotou I²t 1,3 A²s při 10 In.

Pro konstruktéry, kteří potřebují pojistku s pomalou reakcí, nabízí společnost Bel řadu čipových pojistek C1T o velikosti 1206 (obrázek 1). Jsou k dispozici s možnostmi proudu od 750 mA do 8 A a jsou dimenzovány na 63 V AC nebo DC. Model 0685T6000-01 je dimenzován na 6,0 A s hodnotou I²t 6,0 A²s při 10 In. Pojistky s pomalou reakcí řady C1T jsou schváleny UL, CSA a CE a mají certifikaci TUV podle IEC 60127 pro miniaturní pojistky.

Obrázek 1: Čipové pojistky, jako je řada C1T s pomalou reakcí, se používají v různých automobilových aplikacích, kde je důležitá kompaktní velikost. (Zdroj obrázku: společnost Bel Fuse)

Resetovatelné pojistky PPTC

V návrzích, které mohou mít výhodu resetovatelné ochrany obvodu s velmi nízkým provozním odporem a velmi vysokým udržovacím proudem, se mohou využívat pojistky PPTC. Pojistky PPTC mohou být zvláště užitečné v aplikacích, jako je ochrana motoru a obvodu motoru v elektrických dveřních zámcích, zrcátkách, sedadlech, střešních oknech a oknech stejně jako ve vzduchotechnických systémech (HV_AC) a ochraně I/O elektronické řídicí jednotky (ECU).

Společnost Bel nabízí dvě řady pojistek PPTC. Obě jsou kompatibilní se standardem AEC-Q, certifikované TUV podle norem EN/IEC 60738-1-1 a EN/IEC 60730-1 a schváleny UL podle normyUL1434:

• Pojistky PPTC 0ZRS s radiálními vývody jsou dimenzovány od 500 mA do 10 A s maximálním napětím 32 V_DC a typickými jmenovitými výkony od 0,9 do 7,0 W (obrázek 2). Například model 0ZRS0100FF1E má vypínací proud 1,9 A, udržovací proud 1,0 A a je dimenzován na 1,4 W.
• Pojistky PPTC 0ZCG s povrchovou montáží jsou dimenzovány od 100 mA do 3 A s maximálním napětím od 6 do 60 V DC a typickými jmenovitými výkony od 0,8 do 1,3 W. Zařízení 0ZCG0110BF2B z této řady je dimenzováno na 24 V DC a má udržovací proud 1,1 A, vypínací proud 2,2 A a jmenovitý výkon 1 W.

Obrázek 2: Pojistky PPTC OZRS s radiálními vývody jsou dimenzovány na 32 V DC a až 10 A. (Zdroj obrázku: společnost Bel Fuse)

Pojistky odolávající náběhovému proudu

Řada 0680L hranatých keramických pojistek s velikostí pouzdra 2410 s povrchovou montáží má vysokou odolnost proti náběhovému proudu (tabulka 1). Tyto pojistky s pomalou reakcí jsou navrženy pro aplikace, které vyžadují vysoké jmenovité vypínací schopnosti DC a vysoké jmenovité napětí DC. Jsou dimenzovány až do 125 V DC nebo AC a nabízejí jmenovitý proud od 375 mA do 12 A. Pojistky 0680L vyhovují standardu AEC-Q.

Tabulka 1: Elektrické vlastnosti pojistek řady 0680L s pomalou reakcí a povrchovou montáží. (Zdroj obrázku: společnost Bel Fuse)

Tyto pojistky s pomalou reakcí se často používají pro ochranu PoE, PoE+, napájení a nabíjecího obvodu baterie. Model 0680L3000-05 je dimenzován na 3 A a 0,81 W s hodnotou I²t 13 A²s při 10 In.

Výkonové pojistky pro EV s rychlou reakcí

K ochraně vysoce výkonných baterií a převodníků energie EV mohou konstruktéři využít pojistky s rychlou reakcí v konfiguracích patron a šroubových spojů. Tyto pojistky plně vyhovují směrnici EU 2011/65/EU a pozměňující směrnici 2015/863. Jsou navrženy tak, aby splňovaly standard UL 248-1 a také požadavky na spolehlivost JASO D622 a ISO8820-8. Mezi typické aplikace patří:

• pojistky hlavního systému,
• nabíjecí stanice,
• skladování energie a bateriové bloky,
• jednotky rozvodu energie,
• vestavěné převodníky DC-DC,
• motory brzdových čerpadel,
• motory kompresoru klimatizace,
• elektrické systémy řízení.

Dokáží zvládnout proudy až 600 A a mají jmenovité napětí od 500 do 1 000 V DC. Model 0ADAC0600-BE je dobrým příkladem pojistky typu patrony dimenzované na 600 mA a 600 V_DC nebo V_AC s hodnotou I²t 0,073 A²s při 10 In.

Pojistky pro EV s časovým zpožděním

Řada 0697W subminiaturních pojistek s radiálními vývody a časovým zpožděním má jmenovité napětí 350 V AC nebo 72 V DC, jmenovitý proud 1 A až 6 A a je v souladu s normou IEC 60127-3 (obrázek 3). Tyto pojistky vyhovují standardům kvality AEC-Q a Mil-Std 202G.

Obrázek 3: Řada 0697W představuje vysokonapěťové pojistky kompatibilní se standardem AEC-Q, s radiálními vývody a časovým zpožděním. (Zdroj obrázku: společnost Bel Fuse)

Aplikace pro zařízení 0697W zahrnují ECU, motory, řízení klimatizace a ventilace, zástrčky a příslušenství zásuvky cigaretového zapalovače, zásuvky a kabelové svazky. Například model 0697W2000-02 je dimenzován na 2 A a 0,63 W s hodnotou I²t 30 A²s při 10 In.

Tlumivky souhlasného napětí pro vysokorychlostní komunikaci

Konstruktéři systémů pro automobily – systému infotainmentu, mediálních systémů a systémů ADAS využívajících ethernet, sběrnici CAN, FlexRay nebo komunikační sběrnici USB – mohou využít řadu SPDL společnosti Signal Transformer ultrakompaktních tlumivek souhlasného napětí s certifikací AEC-Q200 pro potlačení šumu v diferenciálním režimu (obrázek 4). Tyto kompaktní tlumivky s povrchovou montáží (SMD) se nabízejí ve čtyřech metrických velikostech 2012, 3216, 3225 a 4532 a se 26 různými jmenovitými hodnotami součástek. Řada SPDL má rozsah jmenovitého proudu od 150 do 400 mA a rozsah impedance od 90 do 2 200 Ω. Model SPDL3225-101-2P-T je dimenzován na 150 mA a 2 200 Ω s indukčností 100 mikrohenrů (µH).

Obrázek 4: Řadu SPDL ultrakompaktních tlumivek souhlasného napětí SMD lze použít s komunikačními rozhraními ethernetu, sběrnice CAN, FlexRay nebo USB. (Zdroj obrázku: společnost Signal Transformer)

Upgrade na ethernet

Vzhledem k vyšší rychlosti přenosu dat a lehčím kabelům nahrazují konstruktéři ve stále větším počtu aplikací eMobility sběrnici CAN ethernetem. Jednoportové integrované konektorové moduly (ICM) MagJack společnosti Bel Fuse pro automobilový průmysl mají v pouzdru konektorů integrované řešení magnetů ethernetu. Výsledkem je kompaktnější řešení a zjednodušení úlohy upgradu stávajících systémů sběrnice CAN pomocí ethernetové signalizace a kabeláže (obrázek 5). Ethernetové moduly ICM MagJack pracují až do 100 °C a jsou kompatibilní se standardem SAE/USCAR2-6. Tyto ICM jsou schváleny společnostmi Broadcom, Intel a Marvell a jsou kompatibilní se standardními transceivery pro automobilový průmysl, což přechod na ethernet dále zjednodušuje.

Obrázek 5: Ethernetové jednoportové moduly ICM MagJack pro automobilový průmysl jsou vybaveny integrovanými magnety, které splňují potřebu kompaktních řešení. (Zdroj obrázku: společnost Bel Fuse)

Příkladem je ethernetový modul ICM A829-1J1T-KM pro automobilový průmysl, který splňuje všechny elektrické požadavky standardu IEEE 802.3 10/100Base-T.

Přeměna energie pro HEV a EV

Společnost Bel Power Solutions nabízí konstruktérům kompletní řadu možností přeměny energie pro eMobility včetně převodníků DC-DC, obousměrných převodníků DC-DC, vestavěných nabíječek, pomocných invertorů a systémů invertorových nabíječek, které v sobě integrují obousměrnou invertorovou nabíječku se dvěma snižovacími DC-DC převodníky. Například 22kW model BCL25-700-8 je kapalinou chlazená vestavěná nabíječka baterií pro HEV a EV na středně velkých a těžkých platformách pro provoz na dálnicích i mimo ně (obrázek 6). Mezi funkce a specifikace zařízení BCL25-700-8 patří:

• jednofázový (190 až 264 V AC) nebo třífázový (330 až 528 V AC) vstup,
• možnost připojení k elektrické síti AC nebo k nabíjecí stanici elektrického vybavení vozidla („Electric Vehicle Supply Equipment“, EVSE) (EV Std. IEC 61851-1),
• konstantní výstupní proud 60 A v rozsahu napětí od 250 do 800 V DC,
• možnost paralelního umístění až čtyř jednotek,
• soulad s IP67 a IP6K9K,
• certifikace IEC 61851-21-1 a ECE R10.6,
• rozhraní SAE J1772 a CAN kompatibilní se standardem SAE J1939,
• aktivní monitorování vysokonapěťového DC blokování,
• fungování při plném zatížení od −40 do 60 °C,
• ochrana proti přehřátí, nadproudu a přepětí na výstupu.

Obrázek 6: Model BCL25-700-8 je 22kW vestavěná kapalinou chlazená nabíječka baterií pro HEV a EV, které jsou určeny pro středně velké až těžké aplikace na dálnicích i mimo ně. (Zdroj obrázku: společnost Bel Fuse)

Závěr

K podpoře požadavků na bezpečnost a udržitelnost příští generace připojených, elektrických a stále více automatizovaných vozidel bude zapotřebí široká škála řešení ochrany obvodů, komunikace a přeměny energie. Jak jsme si ukázali výše, konstruktéři mají připravený přístup k řešením v podobě zařízení na ochranu obvodů určených pro automobilový průmysl, odrušovacích tlumivek EMI, které vyhovují standardu AEC-Q200, plně stíněných ethernetových konektorů RJ45, které vyhovují standardu SAE/USCAR2-6, a převodníků energie certifikovaných podle IP67. To pomůže konstruktérům HEV a EV čelit s rozvojem autonomních návrhů mnoha současným i nově se objevujícím výzvám.

Doporučeno k přečtení

1. Vozidla zítřka budou mít ještě více technologií