Cum se asigură protecția circuitelor, datele de mare viteză și conversia de energie pentru platformele eMobility

Nevoia de protecție fiabilă a circuitelor, de comunicații de mare viteză și de soluții compacte pentru conversia energiei în sistemele eMobility și de transport este în creștere pentru o gamă largă de platforme, inclusiv pentru automobilele hibride și electrice, autobuze, vehiculele medii și grele de pe șosele și din afara drumurilor publice și pentru platformele marine. Aceste tendințe sunt determinate de accentul tot mai pronunțat pe durabilitate și siguranță, pe măsură ce industria transporturilor trece la un control mai autonom și la vehicule electrice (EV) sau hibride (HEV). Ca urmare, apar noi sisteme de vehicule care devin în mod progresiv din ce în ce mai dependente de funcționarea sigură și durabilă a vehiculelor.

Pentru a asigura siguranța și fiabilitatea, proiectanții de vehicule conectate, electrice și automatizate au nevoie de o mare varietate de soluții de protecție a circuitelor, precum și de soluții de comunicații și de conversie a puterii, care să fie proiectate pentru o funcționare fiabilă în medii dificile și certificate pentru respectarea standardelor de performanță AEC-Q200, SAE, USCAR și a altor standarde de performanță.

Acest articol face o scurtă trecere în revistă a unora dintre specificațiile dispozitivelor de protecție a circuitelor pe care proiectanții trebuie să le ia în considerare. Apoi, prezintă soluții specifice de protecție a circuitelor, conectivitate și conversie a energiei de la Bel Fuse și examinează utilizarea acestor produse în sistemele eMobility.

Componente și standarde de protecție a vehiculelor EV

Pentru a face față provocărilor legate de vehiculele EV, proiectanții pot apela la o gamă de soluții de protecție a circuitelor, de comunicații de mare viteză și de conversie a energiei adaptate și certificate pentru automobile, inclusiv:

• Siguranțe adaptate pentru automobile în cartuș, montate pe plăci de circuite imprimate (cu orificiu de trecere și montare pe suprafață) și configurații cu bolțuri decalate, optimizate pentru sisteme și subsisteme de alimentare, plus siguranțe pentru aplicații auxiliare și accesorii, cum ar fi sistemele radar de asistență pentru șofer, motoarele pompelor de frână, încărcătoarele portabile, sistemele de baterii, sistemele de infotisment, camerele foto-video, iluminatul programabil și direcția asistată electric. În plus, anumite aplicații specifice vor necesita protecție prin siguranțe pentru curent de anclanșare înalt, siguranțe fuzibile rapide, siguranțe fuzibile lente și siguranțe polimerice cu coeficient de temperatură pozitiv (PPTC) resetabile.
• Bobine de suprimare a interferențelor electromagnetice (EMI) adaptate AEC-Q200 pentru filtrarea zgomotului și protejarea semnalelor de date de mare viteză pentru numeroasele subsisteme de senzori care alcătuiesc sistemele ADAS și de navigație, sistemele multimedia, clusterele Vehicle-to-Everything (V2X) și antenele, precum și pentru asigurarea suprimării zgomotului diferențial pentru Ethernet, magistrala Controller Area Network (CAN), FlexRay și Universal Serial Bus (USB) pentru automobile
• Conectori RJ45 complet ecranați care respectă „Specificația de performanță pentru sistemul de conectoare electrice pentru automobile – Revizuirea 6” USCAR2-6 a Societății Inginerilor de Automobile (SAE) și care le permite proiectanților să înlocuiască magistralele CAN cu un sistem Ethernet auto mai rapid și mai ușor, pentru a susține nevoile de calcul din ce în ce mai mari de la bordul vehiculelor într-o gamă de sisteme ADAS, cum ar fi camerele foto-video de asistență pentru șoferi și sistemele de asistență pentru șoferi bazate pe radar, precum și sistemele telematice, convertoarele media și gateway-urile.
• Convertoare de putere certificate IP67, inclusiv încărcătoarele de baterii pentru vehicule electrice și hibride, care sunt adaptate pentru automobile și sunt oferite în implementări cu răcire prin convecție sau cu lichid, cu izolare galvanică.

Selectarea dispozitivelor pentru protecția circuitelor

Atunci când se selectează un dispozitiv adecvat, este important să se înțeleagă clar caracteristicile sale de funcționare atunci când se specifică dispozitivele pentru protecția circuitelor pentru sistemele eMobility. Câteva specificații de bază includ:

• Tensiunea nominală: tensiunea maximă admisă pentru o funcționare sigură
• Curentul nominal: curentul în amperi (A) pe care îl poate suporta siguranța în condiții normale de funcționare
• Capacitatea de întrerupere (numită și putere de rupere sau capacitate de scurtcircuit): curentul maxim pe care siguranța îl poate întrerupe la tensiunea sa nominală fără a fi deteriorată; capacitatea de întrerupere trebuie să respecte sau să depășească curentul maxim de defect anticipat pentru circuit
• Curbe de timp și de curent: definesc dacă siguranța este una fuzibilă rapidă sau una fuzibilă lentă (numită și cu acțiune întârziată); siguranțele fuzibile rapide sunt utilizate în cazul în care viteza protecției este critică; siguranțele fuzibile lente sunt utilizate în aplicațiile care se confruntă cu o supraîncărcare sau o supratensiune de curent pe termen scurt

I²t: o specificație fără un standard de testare

O specificație care necesită o atenție specială este capacitatea nominală de topire, I²t (pronunțat „i la pătrat t”). Aceasta este o măsură a energiei necesare pentru topirea elementului fuzibil, o caracteristică importantă a siguranțelor pentru orice aplicație. I²t se exprimă în „amper secundă la pătrat” (A²sec). Din nefericire pentru proiectanți, nici standardul UL/CSA 248, nici standardul IEC127 pentru siguranțe miniaturale și micro-siguranțe nu includ o procedură de testare sau criterii de testare pentru I²t. Definiția standard a industriei pentru I²t este:

I²t DE TOPIRE măsurat la 10In, folosind curent continuu (c.c.) constant, unde ln este curentul nominal al siguranței.

Utilizarea 10In poate fi problematică și nu întotdeauna rezultă în timpi de deschidere exacți. Siguranțele fuzibile lente, în special, pot necesita un multiplu mai mare decât de 10 ori valoarea nominală a curentului nominal pentru a ajunge la adevărata valoare I²t. Deoarece diferiți producători tratează această dilemă în mod diferit, este important ca proiectanții să înțeleagă clar metoda utilizată pentru a ajunge la valorile I²t pentru siguranțe specifice. O discuție mai detaliată a acestor provocări este disponibilă aici: I²t explicat.

Siguranțe fuzibile rapide și siguranțe fuzibile lente tip pastilă

Proiectanții sistemelor de navigație pentru automobile, sistemelor de gestionare a bateriilor litiu-ion (Li-ion) (BMS), farurilor cu leduri, sistemelor Power over Ethernet (PoE) auto, PoE+ și ecranelor cu cristale lichide (LCD-uri) pot beneficia de pe urma utilizării siguranțelor fuzibile tip pastilă cu montare pe suprafață bazate pe tehnologia peliculei groase, cum ar fi seria 0685P de siguranțe fuzibile rapide. Seria 0685P prezintă capacitate de rezistență la curentul de anclanșare înalt. Aceste siguranțe de dimensiunea 1206, conforme cu AEC-Q200 și aprobate de UL, sunt disponibile cu valori ale curentului nominal de la 2 A la 50 A și cu valori ale tensiunii nominale (volt) de 50 de volți la curent alternativ (c.a.) și de 63 de volți la curent continuu (c.c.). Modelul 0685P3000-01 are o capacitate nominală de 6 A cu o capacitate nominală I²t de 1,3 A²sec la 10In.

Pentru proiectanții care au nevoie de protecție prin siguranțe fuzibile lente, Bel oferă seria C1T de siguranțe tip pastilă de dimensiunea 1206 (Figura 1). Acestea sunt disponibile cu capacități de curent de la 750 miliamperi (mA) până la 8 A și sunt proiectate pentru 63 de volți c.a. sau c.c. Modelul 0685T6000-01 are o capacitate nominală de 6,0 A cu o capacitate nominală I²t de 6,0 A²sec la 10In. Siguranțele fuzibile lente din seria C1T sunt aprobate de UL, CSA și CE și au certificare TUV conform IEC 60127 pentru siguranțe miniaturale.

Figura 1: Siguranțele tip pastilă, cum ar fi cele fuzibile lente din seria C1T, sunt utilizate într-o varietate de aplicații auto în care factorul de formă compactă este important. (Sursă imagine: Bel Fuse)

Dispozitive PPTC resetabile

Proiectele care pot beneficia de protecția circuitelor resetabile cu rezistență de funcționare foarte scăzută și curent de menținere foarte înalt pot utiliza dispozitive PPTC. Dispozitivele PPTC pot fi deosebit de utile în aplicații cum ar fi protecția motoarelor și a circuitelor motoarelor din sistemele de închidere centralizată a ușilor, oglinzi, scaune, acoperișuri și geamuri electrice, precum și în sistemele de încălzire, ventilație și aer condiționat (_HVAC) și protecția I/O a unităților de control electronic (ECU).

Bel oferă două familii de dispozitive PPTC. Ambele sunt conforme cu AEC-Q, certificate TUV conform EN/IEC 60738-1-1 și EN/IEC 60730-1 și recunoscute UL conform UL1434:

• Dispozitivele PPTC cu conductoare radiale 0ZRS au valori ale curentului nominal de la 500 mA la 10 A, cu o tensiune maximă de 32 V_c.c. și o putere nominală tipică de la 0,9 la 7,0 W (Figura 2). De exemplu, 0ZRS0100FF1E are un curent de decuplare de 1,9 A, un curent de menținere de 1,0 A și o putere nominală de 1,4 W.
• Dispozitivele PPTC 0ZCG cu montare pe suprafață au valori ale curentului nominal de la 100 mA la 3 A, cu tensiuni maxime de la 6 la 60 de volți c.c. și puteri nominale tipice de la 0,8 la 1,3 W. Dispozitivul 0ZCG0110BF2B din această familie are o tensiune nominală de 24 de volți c.c. și are un curent de menținere de 1,1 A, un curent de decuplare de 2,2 A și o putere nominală de 1 W.

Figura 2: Dispozitivele PPTC cu conductoare radiale OZRS au o tensiune nominală de la 32 volți c.c. până la 10 A. (Sursă imagine: Bel Fuse)

Protecția prin siguranțe care rezistă la curentul de anclanșare

Seria 0680L de siguranțe ceramice cu montare pe suprafață de tip pătrat, cu dimensiunea pachetului 2410, prezintă capacitate de rezistență la curentul de anclanșare înalt (Tabelul 1). Aceste siguranțe fuzibile lente sunt concepute pentru aplicații care necesită capacități de întrerupere c.c. de înaltă tensiune și tensiuni nominale c.c. ridicate. Acestea au o tensiune nominală de până la 125 volți c.c. sau c.a. și oferă valori ale curentului nominal de la 375 mA la 12 A. Siguranțele 0680L sunt conforme cu AEC-Q.

Tabelul 1: Caracteristicile electrice ale siguranțelor fuzibile lente cu montare pe suprafață din seria 0680L. (Sursă imagine: Bel Fuse)

Aceste siguranțe fuzibile lente sunt adesea utilizate pentru protecția circuitelor PoE, PoE+, a surselor de alimentare și a circuitelor de încărcare a bateriilor; 0680L3000-05 are o putere nominală de 3 A și 0,81 W, cu o valoare nominală I²t de 13 A²sec la 10In.

Siguranțe fuzibile rapide pentru alimentarea vehiculelor EV

Proiectanții pot apela la siguranțe fuzibile rapide în configurații cu cartuș și cu șuruburi pentru fixare, pentru protejarea bateriilor de mare putere și a convertoarelor de putere pentru vehiculele EV. Aceste siguranțe sunt în deplină conformitate cu Directiva 2011/65/UE și cu Directiva de modificare 2015/863. Acestea sunt proiectate pentru a îndeplini cerințele UL 248-1, precum și cerințele de fiabilitate ale JASO D622 și ISO8820-8. Aplicațiile tipice includ:

• Protecția prin siguranțe a sistemului principal
• Stațiile de încărcare
• Stocarea energiei și acumulatoarele
• Unitățile de distribuție a energiei
• Convertoarele c.c./c.c. la bord
• Motoarele pompelor de frână
• Motoarele compresoarelor de aer condiționat
• Sistemele de direcție electrică

Acestea pot suporta curenți de până la 600 A și au tensiuni nominale de la 500 la 1.000 de volți c.c.; 0ADAC0600-BE este un bun exemplu de siguranță de tip cartuș cu o capacitate nominală de 600 mA și 600 V_c.c. sau V_c.a., cu o capacitate nominală I²t de 0,073 A²sec la 10In.

Siguranțe temporizate pentru vehiculele EV

Seria 0697W de siguranțe temporizate sub-miniaturale, cu conductoare radiale, prezintă o tensiune nominală de 350 volți c.a. sau 72 volți c.c., un curent nominal de la 1 A până la 6 A și este conformă cu IEC 60127-3 (Figura 3). Aceste siguranțe sunt conforme cu standardele de calitate AEC-Q și cu standardele de mediu Mil-Std 202G.

Figura 3: Seria 0697W constă din siguranțe temporizate,de înaltă tensiune, cu conductoare radiale, conforme cu AEC-Q. (Sursă imagine: Bel Fuse)

Aplicațiile pentru dispozitivele 0697W includ unități ECU, motoare, comenzi de climatizare și ventilație, prize și accesorii pentru brichete, prize de curent și cablaje. De exemplu, 0697W2000-02 are o putere nominală de 2 A și 0,63 W, cu o valoare nominală I²t de 30 A²sec la 10In.

Bobine de mod comun pentru comunicații de mare viteză

Proiectanții de sisteme de infotisment, multimedia și ADAS pentru automobile care utilizează o magistrală de comunicații Ethernet, CAN, FlexRay sau USB pot apela la seria SPDL a Signal Transformer de bobine de mod comun ultra-compacte certificate AEC-Q200 pentru suprimarea zgomotului de mod diferențial (Figura 4). Aceste bobine cu dispozitive de montare pe suprafață (SMD) compacte sunt oferite în patru dimensiuni metrice, 2012, 3216, 3225 și 4532, și 26 de valori nominale diferite ale componentelor. Seria SPDL prezintă un interval de valori ale curentului nominal de la 150 la 400 mA și un interval de impedanță de la 90 la 2200 ohmi (Ω). Modelul SPDL3225-101-2P-T are o capacitate nominală de 150 mA și 2200 Ω cu o inductanță de 100 microhenri (µH).

Figura 4: Seria SPDL de bobine de mod comun SMD ultra-compacte poate fi utilizată cu interfețe de comunicații Ethernet, magistrală CAN, FlexRay sau USB. (Sursă imagine: Signal Transformer)

Upgrade la Ethernet

Datorită vitezei de transfer de date mai rapide și a greutății mai reduse a cablurilor, proiectanții înlocuiesc magistrala CAN cu Ethernet într-un număr tot mai mare de aplicații eMobility. Modulele de conectori integrați (ICM) Bel Fuse MagJack pentru Ethernet auto cu un singur port au soluția magnetică Ethernet integrată în pachetul conectorului. Astfel, se obține o soluție mai compactă și se simplifică sarcina de upgrade al sistemelor CAN bus existente cu semnalizare Ethernet și stiluri de cablare (Figura 5). ICM-urile Ethernet MagJack funcționează până la 100°C și sunt compatibile cu SAE/USCAR2-6. Aceste ICM-uri sunt aprobate de Broadcom, Intel și Marvell și sunt compatibile cu modulele de emisie-recepție standard de calitate auto, simplificând și mai mult trecerea la Ethernet.

Figura 5: ICM-urile MagJack pentru Ethernet auto cu un singur port includ elemente magnetice integrate pentru a satisface nevoia de soluții compacte. (Sursă imagine: Bel Fuse)

Un exemplu este ICM Ethernet auto A829-1J1T-KM care îndeplinește toate cerințele electrice IEEE 802.3 10/100Base-T.

Conversia de putere pentru vehiculele HEV și EV

Bel Power Solutions oferă proiectanților o gamă completă de opțiuni de conversie a energiei pentru eMobility, inclusiv convertoare c.c./c.c., convertoare c.c./c.c. bidirecționale, încărcătoare la bord, invertoare auxiliare și sisteme de încărcare cu invertor care integrează un încărcător cu invertor bidirecțional cu două convertoare c.c./c.c. reductoare. De exemplu, BCL25-700-8 de 22 kilowați (kW) este un încărcător de baterii la bord, răcit cu lichid, pentru vehiculele HEV și EV de pe platformele pentru vehicule medii și grele, pentru funcționare pe șosele și în afara drumurilor publice (Figura 6). Caracteristicile și specificațiile modelului BCL25-700-8 includ:

• Intrare monofazată (de la 190 la 264 volți c.a.) sau trifazată (de la 330 la 528 volți c.a.)
• Posibilitate de conectare la rețeaua c.a. sau la o stație de încărcare a unui echipament de alimentare pentru vehicule electrice (EVSE) (Std. EV IEC 61851-1)
• Curent de ieșire constant de 60 A pe un interval de tensiune de la 250 la 800 volți c.c.
• Pot fi plasate în paralel până la patru unități
• Conform cu IP67 și IP6K9K
• Certificări IEC 61851-21-1 și ECE R10.6
• Conform cu SAE J1772 și interfață CAN SAE J1939
• Monitorizare activă interblocare înaltă tensiune c.c.
• Funcționează de la -40 la 60°C la sarcină maximă
• Protecții la supratemperatură, supracurent și supratensiune de ieșire

Figura 6: BCL25-700-8 este un încărcător de baterii de 22 kW, la bord, răcit cu lichid, pentru vehiculele HEV și EV, destinat aplicațiilor medii și grele, atât pe șosele, cât și în afara drumurilor publice. (Sursă imagine: Bel Fuse)

Concluzie

Va fi nevoie de o mare varietate de soluții de protecție a circuitelor, de comunicații și de conversie a energiei pentru a susține cerințele de siguranță și durabilitate ale următoarei generații de vehicule conectate, electrice și tot mai automatizate. După cum s-a arătat, proiectanții au acces rapid la soluții sub forma unor dispozitive de protecție a circuitelor adaptate pentru automobile, a unor bobine de suprimare EMI care respectă AEC-Q200, a unor conectori Ethernet RJ45 complet ecranați care respectă SAE/USCAR2-6 și a unor convertoare de putere certificate IP67. Acestea vor ajuta proiectanții vehiculelor HEV și EV să facă față numeroaselor provocări actuale și emergente în materie de proiectare, pe măsura evoluției modelelor autonome.

Lectură recomandată

1. Vehiculele viitorului vor include un număr și mai mare de tehnologii