Sådan sikrer du kredsløbsbeskyttelse, højhastighedsdata og strømkonvertering til e-mobilitetsplatforme

Behovet for pålidelig kredsløbsbeskyttelse, højhastighedskommunikation og kompakte strømkonverteringsløsninger i e-mobilitet og transportsystemer vokser på tværs af en række platforme, herunder hybrid- og elbiler, busser, mellemstore og tunge køretøjer på og uden for vejene og marine platforme. Disse tendenser er drevet af den stigende vægt på bæredygtighed og sikkerhed i takt med, at transportindustrien overgår til mere autonom styring og elektriske køretøjer (EV'er) eller hybride EV'er (HEV'er). Som følge heraf opstår der nye køretøjssystemer, som gradvist bliver mere afhængige af sikker og bæredygtig drift af køretøjer.

For at sikre sikkerhed og pålidelighed har designere af tilsluttede, elektriske og automatiserede køretøjer brug for en bred vifte af kredsløbsbeskyttelse samt kommunikations- og strømkonverteringsløsninger, der er designet til pålidelig drift i udfordrende miljøer og er certificeret til at opfylde AEC-Q200-, SAE-, USCAR- og andre standarder for ydeevne.

I denne artikel gennemgås kort nogle af de specifikationer for enheder til kredsløbsbeskyttelse, som designere skal overveje. Det introducerer derefter specifikke kredsløbsbeskyttelse, tilslutningsmuligheder og strømkonverteringsløsninger fra Bel Fuse og undersøger brugen af disse produkter i eMobility-systemer.

EV-beskyttelseskomponenter og -standarder

For at imødegå udfordringerne i forbindelse med EV'er kan designere henvende sig til en række kvalificerede og certificerede kredsløbsbeskyttelses-, højhastighedskommunikations- og strømkonverteringsløsninger til bilindustrien, herunder:

• Kvalificerede automobil-sikringer i patroner, printkortmonterede (gennemgående og overflademonterede) og offset bolt-konfigurationer optimeret til kraftsystemer og delsystemer samt sikringer til hjælpeapplikationer og tilbehør som f.eks. førerassisterende radarsystemer, bremsepumpemotorer, bærbare opladere, batterisystemer, infotainment, kameraer, programmerbar belysning og servostyring. Desuden vil specifikke anvendelser kræve sikring med høj indkobling, hurtigvirkende, langsom udblæsning og nulstillelig polymerisk positiv temperaturkoefficient (PPTC).
• AEC-Q200-kvalificerede elektromagnetiske interferens- (EMI) undertrykkelsesdæmpere til at filtrere støj og beskytte højhastighedsdatasignaler til de mange sensorundersystemer, der udgør ADAS- og navigationssystemer, multimediesystemer, Vehicle-to-Everything (V2X)-klynger og antenner, og giver differentiel støjundertrykkelse til Ethernet, Controller Area Network (CAN)-bus, FlexRay og Universal Serial Bus (USB) i biler
• Fuldt afskærmede RJ45-stik, der overholder Society of Automotive Engineers (SAE) USCAR2-6 "Performance Specification for Automotive Electrical Connector System - Revision 6", og som gør det muligt for designere at erstatte CAN-busser med hurtigere og lettere Ethernet til køretøjer for at understøtte de voksende behov for computerudstyr i en række ADAS-systemer, f.eks. kameraer til førerassistance og radarbaserede førerassistentsystemer samt telematik, mediekonvertere og gateways.
• IP67-certificerede strømkonvertere, herunder batteriopladere til el- og hybridbiler, der er godkendt til bilindustrien og tilbydes i konvektions- eller væskekølede implementeringer med galvanisk isolation.

Valg af enheder til kredsløbsbeskyttelse

Når du vælger en passende enhed, er det vigtigt at have en klar forståelse af dens driftsegenskaber, når du skal specificere enheder til kredsløbsbeskyttelse til e-mobilitetssystemer. Nogle af de grundlæggende specifikationer omfatter:

• Nominel spænding: den maksimalt tilladte spænding for sikker drift
• Strømstyrke: den strøm i ampere (A), som sikringen kan bære under normale driftsforhold
• Brudkapacitet (også kaldet afbrydelseskapacitet eller kortslutningskapacitet): den maksimale strøm, som sikringen kan afbryde ved sin nominelle spænding uden at blive beskadiget; brudkapacitet skal opfylde eller overstige den maksimale fejlstrøm, der forventes for kredsløbet
• Tidsstrømkurver: definer, om sikringen er hurtigtvirkende eller langsomt blæser (også kaldet forsinket handling); hurtigtvirkende sikringer bruges, hvor hastigheden af beskyttelse er kritisk; træge sikringer bruges i applikationer, der oplever en kortvarig strømstød eller overbelastning

I²t: En specifikation uden prøvningsstandard

En specifikation, der fortjener særlig opmærksomhed, er den nominelle smelteværdi, I²t (udtales »I kvadreret T«). Dette er et mål for den energi, der kræves for at smelte sikringselementet, hvilket er en vigtig sikringskarakteristik for enhver anvendelse. I²t udtrykkes som "ampere i kvadrater i sekunder" (A²sek). Desværre for designere omfatter hverken UL/CSA 248- eller IEC127-standarderne for miniature- og mikrosikringer en testprocedure eller testkriterier for I²t. Industristandarddefinitionen af I²t er:

MELTING I²t målt ved 10In ved hjælp af konstant jævnstrøm (DC), hvor ln er sikringens nominelle strøm.

Brugen af 10In kan være problematisk og resulterer ikke altid i nøjagtige åbningstider. Især langsomt gennemslagne sikringer kan kræve et højere multiplum end 10 gange den nominelle strømstyrke for at nå frem til den sande I²t-værdi. Da forskellige producenter håndterer dette dilemma forskelligt, er det vigtigt for designere at have en klar forståelse af den metode, der anvendes til at finde frem til I²t-værdierne for specifikke sikringer. En mere detaljeret gennemgang af disse udfordringer findes her: I²t forklaret.

Hurtigtvirkende og langsomtvirkende chipsikringer

Designere af bilnavigationssystemer, lithium-ion (Li-ion) batteristyringssystemer (BMS), LED-forlygter, automotive power over Ethernet (PoE), PoE+ og flydende krystaldisplay (LCD'er) kan drage fordel af at bruge overflademonterede chipsikringer baseret på tykfilmsteknologi, såsom 0685P-serien af hurtigtvirkende sikringer. 0685P-serien har en høj modstandsdygtighed over for indløbsstrøm. Disse AEC-Q200-kompatible og UL-godkendte 1206-sikringer fås med strømstyrker fra 2 A til 50 A og spændinger (volt) på 50 volt vekselstrøm (AC) og 63 volt DC. Model 0685P3000-01 er klassificeret til 6 A med en I²t-værdi på 1,3 A² sek. ved 10In.

For designere, der har brug for slow-blow-sikring, tilbyder Bel C1T-serien af 1206 størrelse chip sikringer (figur 1). De fås med strømkapaciteter fra 750 milliampere (mA) til 8 A og er beregnet til 63 volt AC eller DC. Model 0685T6000-01 er klassificeret til 6,0 A med en I²t-værdi på 6,0 A² sek. ved 10In. C1T-seriens træge sikringer er UL-, CSA- og CE-godkendt og er TUV-certificeret i henhold til IEC 60127 for miniature-sikringer.

Figur 1: Chip-sikringer som slow-blow C1T-serien anvendes i forskellige automobilapplikationer, hvor en kompakt formfaktor er vigtig. (Billedkilde: Bel Fuse)

PPTC-enheder med nulstillingsmuligheder

Design, der kan drage fordel af resetable kredsløbsbeskyttelse med meget lav driftsmodstand og meget høj holdestrøm, kan bruge PPTC-enheder. PPTC'er kan være særligt nyttige i applikationer som motor- og kredsløbsbeskyttelse i el-dørlåse, spejle, sæder, soltag og vinduer samt varmeventilations- og klimaanlæg (HV_AC) og elektronisk styreenhed (ECU) I/O-beskyttelse.

Bel tilbyder to familier af PPTC-enheder. Begge er AEC-Q-kompatible, TUV-certificeret i henhold til EN/IEC 60738-1-1 og EN/IEC 60730-1 og UL-godkendt i henhold til UL1434:

• 0ZRS radialblyerede PPTC'er er klassificeret fra 500 mA til 10 A med en maksimal spænding på 32 V_DC, og typiske effekttall fra 0,9 til 7,0 W (figur 2). F.eks. har 0ZRS0100FF1E en udløsningsstrøm på 1,9 A, en holdestrøm på 1,0 A og er vurderet til 1,4 W.
• 0ZCG overflademontering PPTC'er er klassificeret fra 100 mA til 3 A med maksimale spændinger fra 6 til 60 volt DC, og typiske effektklassifikationer fra 0,8 til 1,3 W. 0ZCG0110BF2B-enheden fra denne familie er klassificeret for 24 volt DC, og har en holdestrøm på 1,1 A, en tripstrøm på 2,2 A og en effektklassificering på 1 W.

Figur 2: De OZRS radialledede PPTC'er er klassificeret til 32 volt DC og op til 10 A. (Billedkilde: Bel Fuse)

Indløbsstrøm modstår sikring

0680L serien af firkantede stil 2410 pakke størrelse overflade mount keramiske sikringer har høj i rush strøm tåler kapacitet (tabel 1). Disse træge sikringer er designet til applikationer, der kræver høje DC-afbrydelsesværdier og høje DC-spændingsværdier. De er klassificeret til op til 125 volt DC eller AC og har strømværdier fra 375 mA til 12 A. 0680L-sikringerne er AEC-Q-kompatible.

Tabel 1: Elektriske egenskaber for 0680L-seriens overflademonterede træge sikringer. (Billedkilde: Bel Fuse)

Disse slow-blow sikringer er ofte brugt til PoE, PoE+, strømforsyning og batteriopladning kredsløb beskyttelse. 0680L3000-05 er klassificeret til 3 A and 0.81 W med en I²t klassificering på 13 A²sek. ved 10In.

Hurtigtvirkende EV-strømsikringer

Designere kan anvende hurtigtvirkende sikringer i patron- og bolt-down-konfigurationer til beskyttelse af batterier med høj effekt og EV-strømkonvertere. Disse sikringer er i fuld overensstemmelse med EU-direktiv 2011/65/EU og ændringsdirektiv 2015/863. De er designet til at opfylde UL 248-1 samt pålidelighedskravene i JASO D622 og ISO8820-8. Typiske anvendelser omfatter:

• Sikring af hovedsystemet
• Opladestationer
• Energilagring og batteripakker
• Strømfordelingsenheder
• Indbyggede DC/DC-konvertere
• Bremsepumpemotorer
• Kompressormotorer til klimaanlæg
• Elektriske styresystemer

They can handle currents up to 600 A and have voltage ratings from 500 to 1,000 volts DC; the 0ADAC0600-BE er et godt eksempel på en kassettetype sikring klassificeret til 600 mA og 600 V_DC eller V_AC, med en I²t klassificering af 0,073 A²sek. ved 10In.

EV-tidsforsinkelse sikringer

The 0697W serie af sub-miniature, radial ledning, tidsforsinkelsessikringer har nominelle værdier på 350 volt AC eller 72 volt DC, en aktuel nominel værdi på 1 A til 6 A og overholder IEC 60127-3 (figur 3). Disse sikringer er i overensstemmelse med AEC-Q-kvalitets- og Mil-Std 202G-miljøstandarderne.

Figur 3: 0697W-serien er AEC-Q-kompatible, radialledning, højspænding, tidsforsinkelsessikringer. (Billedkilde: Bel Fuse)

Anvendelsesområder for 0697W-enhederne omfatter ECU'er, motorer, klima- og ventilationskontrol, stik og cigarettændertilbehør, stikkontakter og ledningsnet. For eksempel er 0697W2000-02 klassificeret til 2 A og 0,63 W med en I²t-værdi på 30 A²sek. ved 10In.

Common-mode-dæmper til højhastighedskommunikation

Designere af automotive infotainment, multimedier og ADAS-systemer ved hjælp af en Ethernet-, CAN-bus, FlexRay eller USB-kommunikationsbus kan henvende sig til Signal Transformers SPDL-serie af AEC-Q200-certificerede ultra-kompakt common mode-choker til undertrykkelse af differentiel støj (figur 4). Disse kompakte SMD-dæmper (Surface Mount Device) fås i fire metriske størrelser, 2012, 3216, 3225 og 4532, og 26 forskellige komponentværdier. SPDL-serien har et nominelt strømområde fra 150 til 400 mA og et impedansområde fra 90 til 2200 ohm (Ω). Model SPDL3225-101-2P-T er beregnet til 150 mA og 2200 Ω med en induktans på 100 mikrohenries (µH).

Figur 4: SPDL-serien af ultra-kompakt SMD almindelige mode chokes kan bruges med Ethernet, CAN-bus, FlexRay eller USB-kommunikationsgrænseflader. (Billedkilde: Signal Transformer)

Opgradering til Ethernet

På grund af den højere datahastighed og det lettere kabel erstatter designere CAN-bus med Ethernet i et stigende antal e-mobilitetsapplikationer. Bel Fuse MagJack Ethernet Ethernet-moduler (ICM'er) til biler med integreret stikmodul med enkeltport har Ethernet-magnetikløsningen integreret i stikpakken. Dette resulterer i en mere kompakt løsning og forenkler opgaven med at opgradere eksisterende CAN-bussystemer med Ethernet-signalering og kabelstilarter (Figur 5). MagJack Ethernet ICM'er fungerer op til 100 °C og er SAE/USCAR2-6-kompatible. Disse ICM'er er godkendt af Broadcom, Intel og Marvell og er kompatible med standardtransceivere til bilindustrien, hvilket yderligere forenkler overgangen til Ethernet.

Figur 5: MagJack automotive Ethernet single-port ICMs har integreret magnetisme til at opfylde behovet for kompakte løsninger. (Billedkilde: Bel Fuse)

Et eksempel er A829-1J1T-KM automotive Ethernet ICM, der opfylder alle IEEE 802.3 10/100Base-T elektriske krav.

Energikonvertering til HEV'er og EV'er

Bel Power Solutions tilbyder designere et komplet udvalg af strømkonverteringsmuligheder til e-mobilitet, herunder DC/DC-konverter, tovejs DC/DC-konverter, indbyggede opladere, ekstra invertere og inverteropladersystemer, der integrerer en tovejs inverteroplader med to DC/DC-down-konverter. F.eks. er den 22 kilowatt (kW) BCL25-700-8 en væskekølet, indbygget batterioplader til HEV'er og elbiler på mellemstore og tunge platforme til drift på og uden for landevejen (figur 6). Funktioner og specifikationer for BCL25-700-8 omfatter:

• Enfaset (190 til 264 volt AC) eller trefaset (330 til 528 volt AC) indgang
• Kan tilsluttes til AC-nettet eller til en EVSE-ladestation (Electric Vehicle Supply Equipment (EVSE)) (EV Std. IEC 61851-1)
• Konstant udgangsstrøm på 60 A over et spændingsområde fra 250 til 800 volt DC
• Op til fire enheder kan placeres parallelt
• IP67 og IP6K9K-kompatibel
• IEC 61851-21-1 og ECE R10.6 certificeringer
• SAE J1772 & CAN-interface SAE J1939-kompatibel
• Aktiv overvågning af højspændings DC-interlock
• Virker fra -40 til 60 °C ved fuld belastning
• Beskyttelse mod overtemperatur, overstrøm og overspænding ved udgangsspænding

Figur 6: BCL25-700-8 er en 22 kW, indbygget, væskekølet batterioplader til HEV'er og elbiler, der er beregnet til mellemstore til tunge applikationer, til både på og uden for landevejen. (Billedkilde: Bel Fuse)

Konklusion

Der vil være behov for en bred vifte af kredsløbsbeskyttelse, kommunikation og strømkonverteringsløsninger for at understøtte sikkerheds- og bæredygtighedskravene i den næste generation af tilsluttede, elektriske og i stigende grad automatiserede køretøjer. Som det fremgår, har designere let adgang til løsninger i form af enheder til kredsløbsbeskyttelse, der er kvalificeret til bilindustrien, EMI-undertrykkelsesdæmpere, der overholder AEC-Q200, fuldt afskærmede RJ45 Ethernet-stik, der overholder SAE/USCAR2-6, og IP67-certificerede strømkonvertere. Disse vil hjælpe HEV- og EV-designere med at imødegå de mange nuværende og nye designudfordringer i takt med udviklingen af autonome designs.

Anbefalet læsning

1. Morgendagens køretøjer vil have endnu mere teknologi