Sådan implementeres beskyttelse, hjælpestrøm og tilslutningsmuligheder til elbiler og forsyningsudstyr til elbiler

Elektriske køretøjer spiller en stadig vigtigere rolle, når det gælder om at reducere udledningen af drivhusgasser for at imødegå klimaforandringerne. Et vellykket design og udbredelse af elbiler og elforsyningsudstyr (EVSE) som batteriopladere kræver dog, at designerne håndterer en lang række teknologiske udfordringer. Disse omfatter overspændings- og overstrømskredsløbsbeskyttelse, undertrykkelse af elektromagnetisk interferens (EMI), design af strømforsyninger med brede input- og driftstemperaturområder og det løbende behov for at reducere vægten for at forbedre elbilens rækkevidde.

For eksempel har et batteristyringssystem (BMS) og en kontrolgrænseflade i et EVSE-system brug for ekstra AC/DC-strømforsyninger, der kan fungere over et indgangsspændingsområde på 85 til 305 volt AC (V_AC) og et temperaturområde på -40 °C til +85 °C. For at få styr på vægten skal designerne overveje at skifte fra den ærværdige og veletablerede CAN-bus til Ethernet i den automotive klasse, der kan understøtte højere båndbredder med lettere kabler.

Denne artikel giver et kort overblik over de grundlæggende niveauer af EV-opladere. Derefter diskuteres de forskellige behov for hver type i forbindelse med ekstra AC/DC-strømforsyninger (aux power), der er muligheder for overspændings- og overstrømsbeskyttelse, og man ser på, hvordan man implementerer Ethernet-forbindelse og undertrykker EMI for at undgå forvrængning af højhastighedssignaler. Eksempler på løsninger fra den virkelige verden til at løse de forskellige designproblemer vil blive præsenteret fra leverandører som Bel Fuse, Signal Transformer, Stewart Connector og CUI.

Introduktion til krav til opladning af elbiler og EVSE

Udrulningen af et stort antal EVSE'er, herunder batteriladere og ladestandere, vil være afgørende for udbredelsen af elbiler. Bemærk, at batteriladere til elbiler er interne i elbilen, mens ladestandere henviser til eksterne ladestationer. SAE J1772, den nordamerikanske standard for elbilstik, definerer fire opladningsniveauer for elbiler:

• AC niveau 1 bruger 120 V_AC til at levere op til 16 ampere (A) eller 1,9 kilowatt (kW) AC niveau 2 bruger 208 til 240 V_AC til at levere op til 80 A eller 19,2 kW
• DC niveau 1 bruger op til 1.000 V_DC til at levere op til 80 A eller 80 kW
• DC niveau 2 bruger op til 1.000 V_DC til at levere op til 400 A eller 400 kW

Selvom SAE definerer de to DC-niveauer hver for sig, bliver de ofte slået sammen og omtalt som niveau 3 eller DC-hurtigopladning. Ud over de forskellige indgangsspændinger og effektniveauer kræver AC-ladestandere en separat indbygget oplader (OBC) i køretøjet til at håndtere AC/DC-konverteringen og BMS-funktionerne, der er nødvendige for at oplade batteripakken sikkert og effektivt. I tilfælde af DC-hurtigopladning er der ikke behov for en OBC; strømkonverteringen og BMS-funktionerne findes i ladestanderen. Hvert opladningsniveau inkluderer kommunikation (signalering) mellem køretøjet og ladestanderen (figur 1).

Figur 1: Tre niveauer af opladning af elbiler er almindeligt anerkendt. Niveau 3 (nederst) kombinerer de to niveauer af DC-opladning, der er defineret af SAE J1772. (Billedkilde: CUI)

Behov for ekstra strøm

I henhold til SAE J1772-kravene er der brug for hjælpestrøm til at understøtte den generelle drift af ladestanderen og signalfunktionerne, når ladestandercontrolleren forbindes med køretøjets controller. Signalprotokollen er designet til at sikre effektiv og sikker opladning ved hjælp af kontinuerlig tovejsforbindelse mellem standeren og køretøjet.

Det grundlæggende strømkrav kræver en AC/DC-strømforsyning, der leverer 12 V_DC til signalering og har et driftstemperaturområde på -40 til +85 °C. Komplette løsninger har brug for elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) og beskyttelseskredsløb, og de har normalt en separat DC/DC-konverter til at levere en lavere spænding til andre komponenter, f.eks. 3,3 volt til at drive en mikrocontrollerenhed (MCU).

Det nøjagtige strømbehov afhænger af udformningen af ladestanderen. For eksempel er en niveau 1-lader et simpelt design med minimalt strømbehov og hjælpestrøm, der kan leveres med en miniature 5-watt AC/DC-strømforsyning monteret på et printkort (PCB). Level 2-ladestandere er mere komplekse og har brug for ca. 50 watt ekstra strøm. Begge fungerer med enfasede vekselstrømsindgange, men med forskellige krav til indgangsspænding: 120 V_AC for niveau 1 og 208 til 240 V_AC for niveau 2.

Tingene ændrer sig markant med niveau 3-ladestandere. Opladningskredsløbet i standeren kører på trefaset strøm, ofte 480 V_AC. Hjælpestrømforsyningen forsynes med enfaset strøm og har brug for et bredt indgangsspændingsområde, f.eks. 85 til 305 V_AC. Udgangseffekten er også højere, ofte 150 watt eller mere, hvilket muliggør en bredere vifte af funktioner, herunder ekstra kontroller som betalingsfunktioner, et display og en BMS. Den kan have en enkelt udgang, f.eks. 24 V_DC til systemets samlede strømforsyning. Systemet vil have en række distribuerede DC/DC-konvertere til at levere de 12 V_DC, der er nødvendige til signalering, en separat 12 V_DC-skinne til BMS og 3,3 V_DC til MCU'en og andre komponenter. Ud over EMC og standardbeskyttelsesfunktioner kræver disse strømløsninger effektfaktorkorrektion (PFC) og beskyttelse mod høje indgangsstrømme, når de tændes.

Ekstra strømforsyninger

Den gode nyhed for designere er, at de ikke behøver at bygge aux-strømforsyninger fra bunden. I stedet findes der nu standardløsninger til alle typer ladestandere til elbiler fra CUI-divisionen af Bel Fuse. For eksempel er PBO-serien med 3, 5, 8 og 10 watt kortmonterede AC/DC-strømforsyninger velegnet til niveau 1-opladere. Modellen PBO-5C-12 leverer 5 watt med en 12 V_DC-udgang fra et indgangsspændingsområde på 85 til 305 V_AC, og den er klassificeret til drift over et temperaturområde på -40 °C til +85 °C.

Niveau 2-ladestandere kræver mere hjælpestrøm og kan bruge PSK-serien af AC/DC-strømforsyninger, som den medfølgende 10-watt PSK-10D-12, der leverer 830 milliampere (mA) ved 12 V_DC. Denne strømforsyning har samme indgangsspændingsområde og driftstemperaturspecifikationer som PBO-5C-12. Både PBO- og PSK-serien har overstrøms- og kortslutningsbeskyttelse, men PSK-serien har også overspændingsbeskyttelse.

Til niveau 3-ladestandere kan CUI's VGS-serie af AC/DC-strømforsyninger levere op til 350 watt. Disse forsyninger har kortslutnings-, overstrøms-, overspændings- og overtemperaturbeskyttelse samt begrænsning af indgangsstrøm og aktiv PFC. De opfylder CISPR/EN55032 klasse B for udstrålede/ledningsemissioner og IEC 61000-3-2 klasse A for harmoniske begrænsninger. Et eksempel på en model er VGS-100W-24. Den leverer 108 watt strøm med en udgangsspænding på 24 V_DC og en typisk effektivitet på 89,5 % (figur 2).

Figur 2: VGS (venstre), PSK (midten) og PBO (højre) AC/DC-strømforsyninger (ikke i målestok) er velegnede til henholdsvis niveau 3-, niveau 2- og niveau 1-ladestandere til elbiler. (Billedkilde: Jeff Shepard)

Overstrømbeskyttelse (OCP)

Til overstrømsbeskyttelse af højspændingsskinner tilbyder Bel Fuse hurtigtvirkende og robuste keramiske sikringer med en styrke på 240, 500 og 1.000 volt. De er designet til brug i hovedbatteripakker til elbiler, samledåser, ladestandere og relaterede applikationer og opfylder kravene i JASO D622/ISO 8820-8 Vejkøretøjer - sikringsindsatse. Den keramiske patronboltmonterede sikring model 0ALEB9100-PD er klassificeret til 10 A og 500 volt (figur 3).

Figur 3: Den boltmonterede keramiske sikring 0ALEB9100-PD er klassificeret til 10 A og 500 volt og er designet til brug i en række forskellige EV-applikationer. (Billedkilde: Bel Fuse)

Overtemperaturbeskyttelse

Beskyttelse mod overtemperatur er også vigtig i elbilers ladestandere og batteripakker. Til disse anvendelser tilbyder Bel Fuse 0ZT-serien af nulstillelige højtemperatursikringer. Disse PTC-enheder (positiv temperaturkoefficient) har et højt driftstemperaturområde på -40 °C til +125 °C og leverer de nødvendige udløsnings- og holdestrømme til robust overtemperaturbeskyttelse. 0ZTH0020FF2E er f.eks. klassificeret til 30 volt med en udløsningsstrøm på 500 mA og en holdestrøm på 200 mA (figur 4). Ligesom andre PTC-enheder i OZT-serien er den velegnet til drift i miljøer med høje omgivelsestemperaturer.

Figur 4: Den genindstillelige højtemperatursikring OZTH0020FF2E er en del af OZT-serien af PTC-enheder til beskyttelse mod overtemperatur, som er velegnet til brug i ladestandere til elbiler og BMS'er. (Billedkilde: Bel Fuse)

Forbindelsesmuligheder og signalintegritet

Ud over hjælpestrøm og beskyttelsesfunktioner kræver ladestandere til elbiler højhastighedsforbindelse og en høj grad af signalintegritet for pålidelig drift. Disse krav kan nemt opfyldes af automotive Ethernet, baseret på IEEE 802.3ch med datahastigheder på op til 10 gigabit pr. sekund (Gbits/s). Automotive Ethernet er hurtigt ved at erstatte den traditionelle CAN-bus med en datahastighed på 1 megabit pr. sekund (Mbit/s). Det skyldes til dels automotive Ethernet's høje datahastighed, men også at det leverer disse data via et uskærmet, enkelt parsnoet kabel, der er designet til både lav vægt og minimal pris.

Brugen af Ethernet forventes at fortsætte med at vokse med den planlagte udgivelse af IEEE 802.3dh i 2024. Denne standard vil levere multi-gigabit automotive Ethernet over optisk fiber af plast (POF). Nogle af fordelene ved POF i bilindustrien er høje elastiske belastningsgrænser, høj brudstyrke og høj fleksibilitet, hvilket gør det til et godt valg som erstatning for parsnoede Ethernet-kabler.

I mellemtiden tilbyder Stewart Connector-divisionen hos Bel Fuse automotive modulære RJ45 Ethernet-stik, der overholder SAE/USCAR2-6-standarden for vibrations- og tætningskrav, til nutidens bildesign. De fås med retvinklet og lodret montering, med flere LED-konfigurationer og et driftstemperaturområde på -40 °C til +100 °C.

Stikkene kan håndtere Power-over-Ethernet (PoE) på niveauer op til 100 watt. Da crosstalk og returtab ofte er udfordringer med denne type PoE-stik, er deres kontaktdesign blevet optimeret til høj ydeevne i højfrekvente applikationer. De er også optimeret til et lille fodaftryk.

Ikke-LED-versioner af Stewart RJ45, såsom SS-60300-011, er IR-reflow-kompatible, og alle enheder i serien har kontakter, der selektivt er belagt med 50 mikro-tommer guld for forbedret ydeevne. SS-60300-011 er designet til vandret orientering (figur 5).

Figur 5: SS-60300-011 er et kompakt, horisontalt orienteret Ethernet-stik, der kan understøtte PoE i bilindustrien. (Billedkilde: Stewart Connector)

For at sikre signalintegriteten tilbyder Bel Fuses Signal Transformer-division SPDL-serien af overflademonterede common-mode-drossler til EMI-undertrykkelse af differential-mode-støj. Den filtrerer signaler over Ethernet og andre højhastighedsinterfaces stort set uden signalforvrængning. Disse common-mode-drossler er klassificeret til strømme på op til 6,5 A med impedanser fra 90 til 2200 ohm (Ω) og har et driftstemperaturområde på -40 °C til +125 °C. For eksempel er model SPDL3225-101-2P-T klassificeret til 5100 Ω (typisk), 50 volt og 150 mA (figur 6).

Figur 6: SPDL3225-101-2P-T overflademonteret common-mode-drossel kontrollerer EMI med minimal signalforvrængning. (Billedkilde: Signal Transformer)

Konklusion

Udbredelsen af EVSE-systemer som f.eks. ladestandere er vigtig for at understøtte brugen af elbiler i stor skala og den medfølgende reduktion af drivhusgasser. Der er brug for en række forskellige typer ladestandere til elbiler, som kan understøtte både langsom AC-opladning og hurtig DC-opladning. For at sikre et vellykket design og en sikker implementering af elbiler og EVSE'er kan designere drage fordel af lettilgængelige, specialiserede systemer og enheder til strømkonvertering og -levering, kredsløbsbeskyttelse og EMI-reduktion.

Anbefalet læsning

1. Brug CCS-stik til at forenkle implementeringen af sikre hurtigopladningssystemer til elbiler
2. Sådan vælges og anvendes kondensatorer for at sikre effektive, pålidelige og bæredygtige opladere til elbiler
3. Brug bidirektionelle strømkonvertere og PFC til at forbedre HEV-, BEV- og net-effektivitet
4. Hvordan fremstilles batteripakker til elbiler?