Implementace ochrany, pomocného napájení a konektivity pro elektromobily a napájecí zařízení elektromobilů

Elektromobily (EV) hrají stále důležitější roli při snižování emisí skleníkových plynů („greenhouse gas“, GHG) s cílem řešit problémy související se změnou klimatu. Úspěšný návrh a nasazení elektromobilů a napájecích zařízení elektromobilů („EV supply equipment“, EVSE), jako jsou nabíječky baterií, však vyžaduje, aby konstruktéři řešili širokou škálu technologických problémů. Patří mezi ně přepěťová a nadproudová ochrana obvodů, potlačení elektromagnetického rušení („electromagnetic interference“, EMI), návrh napájecích zdrojů s širokým rozsahem vstupů a provozních teplot a neustálá potřeba snižovat hmotnost za účelem zlepšení dojezdu EV.

Například systém správy baterií („battery management system“, BMS) a ovládací rozhraní v systému EVSE potřebují pomocné napájecí zdroje AC/DC, které mohou pracovat v rozsahu vstupního napětí 85 až 305 V_AC a v teplotním rozsahu −40 °C až +85 °C. K tomu, aby konstruktéři vyřešili otázku hmotnosti, musí zvážit přechod od úctyhodné a dobře zavedené sběrnice CAN k ethernetu pro automobilový průmysl, který může podporovat vyšší šířky pásma s lehčími kabely.

V tomto článku je uveden stručný přehled základních úrovní nabíječek EV. Poté je zde pojednáno o různých potřebách jednotlivých typů souvisejících s pomocnými napájecími zdroji AC/DC (pomocné napájení) a uvedeny možnosti přepěťové a nadproudové ochrany. Článek se dále zabývá tím, jak implementovat ethernetovou konektivitu a potlačit EMI, aby nedošlo ke zkreslení vysokorychlostních signálů. K vypořádání se s těmito různými problémy jsou zde představeny příklady reálných řešení od společností jako Bel Fuse, Signal Transformer, Stewart Connector a CUI.

Úvod do požadavků na nabíjení EV a EVSE

Klíčem k širokému přijetí EV bude nasazení velkého počtu EVSE, včetně nabíječek baterií a nabíjecích sloupků. Všimněte si, že nabíječky baterií EV jsou interní součástí EV, zatímco nabíjecí sloupky se vztahují k externím nabíjecím stanicím. SAE J1772, severoamerická norma pro konektory EV, definuje čtyři úrovně nabíjení EV:

• Úroveň AC 1 využívá 120 V_AC k dodávání až 16 A nebo 1,9 kW Úroveň AC 2 využívá 208 až 240 V_AC k dodávání až 80 A nebo 19,2 kW
• Úroveň DC 1 využívá až 1 000 V_DC k dodávání až 80 A nebo 80 kW
• Úroveň DC 2 využívá až 1 000 V_DC k dodávání až 400 A nebo 400 kW

Přestože jsou v normě SAE definovány dvě samostatné úrovně stejnosměrného proudu, často se spojují dohromady a označují se jako úroveň 3 nebo rychlé nabíjení stejnosměrným proudem. Kromě různých vstupních napětí a úrovní výkonu vyžadují nabíjecí sloupky se střídavým proudem samostatnou palubní nabíječku („onboard charger“, OBC) ve vozidle, která zvládá konverzi AC/DC a funkce BMS potřebné k bezpečnému a efektivnímu nabíjení bateriového bloku. V případě rychlého nabíjení stejnosměrným proudem není OBC potřeba, protože funkce konverze energie a BMS jsou v nabíjecím sloupku. Každá úroveň nabíjení zahrnuje komunikaci (signalizaci) mezi vozidlem a nabíjecím sloupkem (obrázek 1).

Obrázek 1: Běžně se uznávají tři úrovně nabíjení EV. Úroveň 3 (dole) kombinuje dvě úrovně nabíjení stejnosměrným proudem definované v normě SAE J1772. (Zdroj obrázku: společnost CUI)

Potřeba pomocného napájení

Podle požadavků normy SAE J1772 je pomocné napájení nutné pro podporu obecného provozu nabíjecího sloupku a signalizačních funkcí při připojení řídicí jednotky nabíjecího sloupku k řídicí jednotce vozidla. Signalizační protokol je navržen tak, aby zajistil účinné a bezpečné nabíjení s využitím nepřetržité obousměrné konektivity mezi sloupkem a vozidlem.

Základní požadavek na napájení představuje napájecí zdroj AC/DC, který pro signalizaci dodává 12 V_DC a má rozsah provozních teplot −40 až +85 °C. Kompletní řešení vyžadují elektromagnetickou kompatibilitu („ electromagnetic compatibility“, EMC) a ochranné obvody a obvykle mají samostatný DC/DC převodník, který dodává nižší napětí ostatním součástkám, např. 3,3 V pro napájení mikrokontroléru („microcontroller unit“, MCU).

Přesná potřeba energie závisí na konstrukci nabíjecího sloupku. Například nabíječka úrovně 1 má jednoduchou konstrukci s minimálními potřebami napájení a pomocným napájením, které lze dodat miniaturním 5wattovým napájecím zdrojem AC/DC namontovaným na desce plošných spojů (DPS). Nabíjecí sloupky úrovně 2 jsou složitější a potřebují asi 50 wattů pomocného napájení. Oba pracují s jednofázovými vstupy střídavého proudu, ale s různými požadavky na vstupní napětí: 120 V_AC pro úroveň 1 a 208 až 240 V_AC pro úroveň 2.

Situace se výrazně mění u nabíjecích sloupků úrovně 3. Nabíjecí obvody ve sloupku pracují s třífázovým napájením, často se 480 V_AC. Pomocný napájecí zdroj je napájen jednofázovým napájením a potřebuje široký rozsah vstupního napětí, například 85 až 305 V_AC. Výstupní výkon je také vyšší, často 150 wattů nebo více, což umožňuje širší škálu funkcí včetně dalších ovládacích prvků, jako jsou platební funkce, displej a BMS. Může mít jediný výstup, například 24 V_DC pro celkové napájení systému. Systém bude mít řadu distribuovaných DC/DC převodníků pro napájení 12 V_DC potřebnými k signalizaci, samostatné vedení 12 V_DC pro BMS a 3,3 V_DC pro MCU a další součástky. Kromě EMC a standardních ochranných funkcí vyžadují tato řešení napájení kompenzaci účiníku („power factor correction“, PFC) a ochranu před vysokými náběhovými proudy při zapnutí.

Pomocné napájecí zdroje

Dobrou zprávou pro konstruktéry je, že nemusí sestavovat pomocné napájecí zdroje od začátku. Místo toho jsou nyní k dispozici standardní řešení pro všechny typy nabíjecích sloupků EV od divize Bel Fuse společnosti CUI. Například 3-, 5-, 8- a 10 wattové napájecí zdroje AC/DC řady PBO namontované na desce jsou vhodné pro nabíječky úrovně 1. Model PBO-5C-12 dodává 5 wattů s výstupem 12 V_DC z rozsahu vstupního napětí 85 až 305 V_AC a je dimenzován pro provoz v teplotním rozsahu −40 °C až +85 °C.

Nabíjecí sloupky úrovně 2 vyžadují více pomocného napájení a mohou využívat řadu PSK napájecích zdrojů AC/DC, jako je přiložený 10wattový model PSK-10D-12, který dodává 830 mA při 12 V_DC. Tento zdroj má stejný rozsah vstupního napětí a specifikace provozní teploty jako model PBO-5C-12. Řady PBO i PSK jsou vybaveny ochranou před nadproudem a zkratem, ale řada PSK má navíc i ochranu proti přepětí.

Pro nabíjecí sloupky úrovně 3 mohou dodávat napájecí zdroje AC/DC řady VGS společnosti CUI až 350 wattů. Tyto zdroje mají ochranu proti zkratu, nadproudu, přepětí a přehřátí stejně jako omezení náběhového proudu a aktivní PFC. Zdroje splňují požadavky normy CISPR/EN55032 třídy B pro vyzařované/vedené emise a požadavky normy IEC 61000-3-2 třídy A pro omezení harmonických. Ukázkovým modelem je zařízení VGS-100W-24. Poskytuje výkon 108 wattů s výstupním napětím 24 V_DC a typickou účinností 89,5 % (obrázek 2).

Obrázek 2: Napájecí zdroje AC/DC řady VGS (vlevo), PSK (uprostřed) a PBO (vpravo) (nejsou v měřítku) jsou vhodné pro nabíjecí sloupky EV úrovně 3, úrovně 2 a úrovně 1. (Zdroj obrázku: Jeff Shepard)

Nadproudová ochrana

K zajištění nadproudové ochrany vysokonapěťových vedení nabízí společnost Bel Fuse rychle reagující a robustní keramické pojistky s jmenovitými hodnotami 240, 500 a 1 000 voltů. Jsou určeny k použití v hlavních bateriových blocích EV, rozvodných skříních, nabíjecích sloupcích a souvisejících aplikacích a splňují požadavky normy pro pojistky JASO D622/ISO 8820-8 pro silniční vozidla. Modelová šroubovací keramická pojistka 0ALEB9100-PD typu patrony je dimenzována na 10 A a 500 voltů (obrázek 3).

Obrázek 3: Šroubovací keramická pojistka 0ALEB9100-PD je dimenzována na 10 A a 500 voltů a je navržena pro použití v různých aplikacích EV. (Zdroj obrázku: společnost Bel Fuse)

Ochrana proti přehřátí

U nabíjecích sloupků EV a bateriových bloků je důležitá také ochrana proti přehřátí. Pro tyto aplikace nabízí společnost Bel Fuse resetovatelné pojistky řady 0ZT pro vysoké teploty. Pro robustní ochranu proti přehřátí mají tato zařízení s kladným teplotním koeficientem („positive temperature coefficient“, PTC) vysoký rozsah provozních teplot −40 °C až +125 °C a poskytují požadované vypínací a udržovací proudy. Například model 0ZTH0020FF2E je dimenzován na 30 voltů s vypínacím proudem 500 mA a udržovacím proudem 200 mA (obrázek 4). Stejně jako ostatní zařízení PTC řady 0ZT se dobře hodí pro provoz v prostředí s vysokou okolní teplotou.

Obrázek 4: Resetovatelná pojistka 0ZTH0020FF2E pro vysoké teploty je součástí řady 0ZT zařízení PTC pro ochranu proti přehřátí, která je vhodná pro použití v nabíjecích sloupcích EV a v BMS. (Zdroj obrázku: společnost Bel Fuse)

Konektivita a integrita signálu

Kromě pomocného napájení a ochranných funkcí vyžadují nabíjecí sloupky EV pro spolehlivý provoz také vysokorychlostní připojení a vysoký stupeň integrity signálu. Tyto požadavky snadno splňuje ethernet pro automobilový průmysl založený na normě IEEE 802.3ch s přenosovou rychlostí až 10 Gbit/s. Ethernet pro automobilový průmysl s rychlostí přenosu dat 1 Mbit/s rychle nahrazuje tradiční sběrnici CAN. Částečně je to kvůli vysoké přenosové rychlosti ethernetu pro automobilový průmysl, ale také proto, že tato data dodává přes jeden nestíněný kroucený dvoulinkový kabel, který je navržen tak, aby měl nízkou hmotnost a vyžadoval minimální náklady.

Očekává se, že využití ethernetu bude s plánovaným vydáním normy IEEE 802.3dh v roce 2024 nadále růst. Tento standard bude poskytovat multigigabitový ethernet pro automobilový průmysl přes plastové optické vlákno („plastic optical fiber“, POF). Mezi některé výhody POF v automobilových aplikacích patří vysoké meze pružné deformace, vysoká lomová houževnatost a vysoká flexibilita, což z něj dělá dobrou volbu pro nahrazení kroucené dvoulinky ethernetové kabeláže.

Mezitím nabízí divize Stewart Connector společnosti Bel Fuse pro dnešní automobilové konstrukce ethernetové modulární konektory RJ45 pro automobilový průmysl, které v požadavcích na vibrace a těsnění splňují normu SAE/USCAR2-6. Jsou k dispozici v pravoúhlém a vertikálním provedení, s několika konfiguracemi LED a rozsahem provozních teplot −40 °C až +100 °C.

Konektory umožňují napájení přes ethernet („Power-over-Ethernet“, PoE) při úrovních až 100 wattů. Vzhledem k tomu, že jsou u tohoto typu konektoru PoE často problémem přeslechy a útlumy odrazu, bylo provedení jejich kontaktů optimalizováno pro vysoký výkon ve vysokofrekvenčních aplikacích. Konektory jsou optimalizovány také na malé rozměry.

Verze konektorů RJ45 divize Stewart bez LED, jako je např. model SS-60300-011, jsou kompatibilní s IR přetavením a všechna zařízení řady mají kontakty pro lepší výkon selektivně pokovené 1,27 µm (50 mikropalci) zlata. Konektor SS-60300-011 je navržený pro horizontální orientaci (obrázek 5).

Obrázek 5: Model SS-60300-011 je kompaktní, horizontálně orientovaný ethernetový konektor, který podporuje PoE v automobilových aplikacích. (Zdroj obrázku: společnost Stewart Connector)

K zajištění integrity signálu nabízí společnost Signal Transformer společnosti Bel Fuse řadu SPDL tlumivek souhlasného napětí pro povrchovou montáž k potlačení šumu EMI v diferenciálním režimu. Tlumivky filtrují signály přes ethernet a další vysokorychlostní rozhraní prakticky bez zkreslení signálu. Tyto tlumivky souhlasného napětí jsou dimenzovány pro proudy do 6,5 A s impedancemi od 90 do 2 200 Ω a mají rozsah provozních teplot −40 °C až +125 °C. Například model SPDL3225-101-2P-T je dimenzován na 5 100 Ω (typicky), 50 voltů a 150 mA (obrázek 6).

Obrázek 6: Tlumivka souhlasného napětí SPDL3225-101-2P-T pro povrchovou montáž reguluje EMI s minimálním zkreslením signálu. (Zdroj obrázku: společnost Signal Transformer)

Závěr

Nasazení systémů EVSE, jako jsou nabíjecí sloupky EV, je důležité pro podporu rozsáhlého používání EV a souvisejícího snižování emisí skleníkových plynů. Je zapotřebí řada typů nabíjecích sloupků EV, které dokáží podporovat jak pomalé nabíjení střídavým proudem, tak rychlé nabíjení stejnosměrným proudem. K zajištění úspěšného návrhu a bezpečného nasazení EV a EVSE mohou konstruktéři využít snadno dostupné specializované systémy a zařízení pro konverzi a dodávání energie, ochranu obvodů a zmírnění EMI.

Doporučeno k přečtení

1. Používání konektorů CCS ke zjednodušení implementace systémů rychlého a bezpečného nabíjení elektromobilů
2. Jak vybrat a použít kondenzátory k zajištění účinných, spolehlivých a udržitelných nabíječek EV
3. Používání obousměrných měničů a systémů na kompenzaci účiníku (PFC) ke zlepšení účinnosti hybridních elektromobilů (HEV), bateriových elektromobilů (BEV) a elektrické sítě
4. Jak se vyrábějí bateriové bloky elektrických vozidel?