Cum se implementează protecția, alimentarea auxiliară și conectivitatea pentru vehiculele electrice și echipamentele de alimentare a acestora

Vehiculele electrice (VE) joacă un rol din ce în ce mai important în reducerea emisiilor de gaze cu efect de seră (GES), pentru a răspunde preocupărilor legate de schimbările climatice. Cu toate acestea, proiectarea și implementarea cu succes a vehiculelor electrice (EV) și a echipamentelor de alimentare a vehiculelor electrice (EVSE), cum ar fi încărcătoarele de baterii, necesită ca proiectanții să abordeze o gamă largă de provocări tehnologice. Printre acestea se numără protecția circuitelor la supratensiune și supracurent, suprimarea interferențelor electromagnetice (EMI), proiectarea surselor de alimentare cu intervale largi de temperatură de intrare și de funcționare, precum și necesitatea permanentă de a reduce greutatea pentru a îmbunătăți autonomia vehiculelor electrice.

De exemplu, un sistem de gestionare a bateriilor (BMS) și o interfață de control într-un sistem EVSE au nevoie de surse de alimentare auxiliare c.a./c.c. care pot funcționa într-o gamă de tensiuni de intrare de la 85 până la 305 volți c.a. (V_c.a.) și la o temperatură de la -40 °C până la +85 °C. Pentru a rezolva problema greutății, proiectanții trebuie să ia în considerare trecerea de la venerabila și bine stabilita magistrală CAN la Ethernet de calitate auto, care poate suporta lățimi de bandă mai mari cu cabluri mai ușoare.

Acest articol oferă o scurtă prezentare generală a nivelurilor de bază ale încărcătoarelor pentru vehicule electrice. Apoi, se discută despre diferitele cerințe ale fiecărui tip în ceea ce privește sursele de alimentare auxiliare c.a./c.c. (aux power), se oferă opțiuni de protecție la supratensiune și la supracurent și se analizează modul de implementare a conectivității Ethernet și de suprimare a EMI pentru a evita distorsionarea semnalelor de mare viteză. Vor fi prezentate exemple de soluții din lumea reală pentru abordarea diferitelor probleme de proiectare de la furnizori precum Bel Fuse, Signal Transformer, Stewart Connector și CUI.

Introducere în cerințele de încărcare a vehiculelor electrice și EVSE

Implementarea unui număr mare de EVSE-uri, inclusiv încărcătoare de baterii și stații de încărcare, va fi esențială pentru adoptarea pe scară largă a vehiculelor electrice. Rețineți că încărcătoarele de baterii ale vehiculelor electrice sunt componente interne ale EV, în timp ce stațiile de încărcare se referă la stațiile de încărcare externe. SAE J1772, standardul nord-american pentru conectorii vehiculelor electrice, definește patru niveluri de încărcare a vehiculelor electrice:

• Nivelul 1 de c.a. utilizează 120 V_c.a. pentru a furniza până la 16 amperi (A) sau 1,9 kilowați (kW) Nivelul 2 de c.a. utilizează 208-240 V_c.a. pentru a furniza până la 80 A sau 19,2 kW
• Nivelul 1 de c.c. utilizează până la 1.000 V_c.c. pentru a furniza până la 80 A sau 80 kW
• Nivelul 2 de c.c. utilizează până la 1.000 V_c.c. pentru a furniza până la 400 A sau 400 kW

Deși SAE definește separat cele două niveluri de curent continuu, acestea sunt adesea reunite și denumite Nivelul 3 sau încărcare rapidă c.c. În plus față de diferitele tensiuni de intrare și niveluri de putere, stațiile de încărcare c.a. necesită un încărcător de bord (OBC) separat în vehicul pentru a gestiona conversia c.a./c.c. și funcțiile BMS necesare pentru a încărca în siguranță și eficient acumulatorul. În cazul încărcării rapide c.c., nu este nevoie de un OBC; funcțiile de conversie a energiei și BMS se află în stația de încărcare. Fiecare nivel de încărcare include o comunicare (semnalizare) între vehicul și stația de încărcare (Figura 1).

Figura 1: În mod obișnuit sunt recunoscute trei niveluri de încărcare a vehiculelor electrice. Nivelul 3 (jos) combină cele două niveluri de încărcare c.c. definite de SAE J1772. (Sursa imaginii: CUI)

Cerințele de putere auxiliară

În conformitate cu cerințele SAE J1772, este necesară o alimentare auxiliară pentru a susține funcționarea generală a stației de încărcare și funcțiile de semnalizare atunci când se conectează controlerul stației de încărcare la controlerul vehiculului. Protocolul de semnal este conceput pentru a garanta o încărcare eficientă și sigură, utilizând o conectivitate continuă în ambele sensuri între stație și vehicul.

Cerința de bază privind alimentarea necesită o sursă de alimentare c.a./c.c. care furnizează 12 V_c.c. pentru semnalizare și are o temperatură de funcționare cuprinsă între -40 și +85 °C. Soluțiile complete au nevoie de compatibilitate electromagnetică (CEM) și de circuite de protecție și, de obicei, au un convertor c.c./c.c. separat pentru a furniza o tensiune mai mică altor componente, cum ar fi 3,3 volți pentru a alimenta o unitate de microcontroler (MCU).

Cererea exactă de energie depinde de proiectarea stației de încărcare. De exemplu, un încărcător de nivelul 1 este un model simplu, cu cerințe minime de energie, iar energia auxiliară poate fi furnizată cu o sursă de alimentare miniaturală c.a./c.c. de 5 wați montată pe o placă de circuite imprimate (PCB). Stațiile de încărcare de nivelul 2 sunt mai complexe și au nevoie de aproximativ 50 de wați de putere auxiliară. Ambele funcționează cu intrări monofazate de curent alternativ, dar cu cerințe diferite privind tensiunea de intrare; 120 V_c.a. pentru nivelul 1 și între 208 și 240 V_c.a. pentru nivelul 2.

Lucrurile se schimbă în mod semnificativ cu stațiile de încărcare de nivelul 3. Circuitele de încărcare din stație funcționează cu energie trifazată, adesea 480 _c.a. Sursa de alimentare auxiliară este alimentată cu energie monofazată și are nevoie de o gamă largă de tensiuni de intrare, cum ar fi de la 85 până la 305 V_c.a. Puterea de ieșire este, de asemenea, mai mare, adesea 150 de wați sau mai mult, permițând o gamă mai largă de caracteristici, inclusiv controale suplimentare, cum ar fi funcții de plată, un afișaj și un BMS. Aceasta poate avea o singură ieșire, cum ar fi 24 V_c.c. pentru alimentarea generală a sistemului. Sistemul va avea o serie de convertoare c.c./c.c. distribuite pentru a furniza cei 12 V_c.c. necesari pentru semnalizare, o linie separată de 12 V_c.c. pentru BMS și 3,3 V_c.c. pentru MCU și alte componente. Pe lângă funcțiile CEM și funcțiile de protecție standard, aceste soluții de alimentare necesită corecția factorului de putere (PFC) și protecție împotriva curenților de anclanșare mari atunci când sunt pornite.

Surse de alimentare auxiliare

Vestea bună pentru proiectanți este că nu trebuie să construiască surse de alimentare auxiliare de la zero. În schimb, există soluții gata de utilizare pentru toate tipurile de stații de încărcare pentru vehicule electrice, disponibile acum la divizia CUI a Bel Fuse. De exemplu, seria PBO de surse de alimentare c.a./c.c. de 3, 5, 8 și 10 wați montate pe placă sunt potrivite pentru încărcătoarele de nivelul 1. Modelul PBO-5C-12 livrează 5 wați cu o ieșire de 12 V_c.c. de la o tensiune de intrare cuprinsă între 85 și 305 V_c.a. și poate funcționa la o temperatură cuprinsă între -40 °C și +85 °C.

Stațiile de încărcare de nivelul 2 necesită mai multă energie auxiliară și pot utiliza sursele de alimentare c.a./c.c. din seria PSK, cum ar fi PSK-10D-12 de 10 wați, care furnizează 830 miliamperi (mA) la 12 V_c.c. Această sursă are același interval de tensiune de intrare și aceleași specificații de temperatură de funcționare ca și PBO-5C-12. Atât seria PBO, cât și seria PSK, dispun de protecție la supracurent și scurtcircuit, dar seria PSK adaugă protecție la supratensiune.

Pentru stațiile de încărcare de nivelul 3, seria VGS de surse de alimentare c.a./c.c. de la CUI poate furniza până la 350 de wați. Aceste surse au protecție la scurtcircuit, supracurent, supratensiune și supratemperatură, precum și limitare a curentului de anclanșare și PFC activ. Îndeplinesc cerințele CISPR/EN55032 clasa B pentru emisiile radiate/conduse și IEC 61000-3-2 clasa A pentru limitările de armonici. Un exemplu de model este VGS-100W-24. Acesta furnizează 108 wați de putere cu o tensiune de ieșire de 24 V_c.c. și o eficiență tipică de 89,5% (Figura 2).

Figura 2: Sursele de alimentare c.a./c.c. VGS (stânga), PSK (centru) și PBO (dreapta) (nu la scară) sunt potrivite pentru stațiile de încărcare a vehiculelor electrice de nivelul 3, nivelul 2 și, respectiv, nivelul 1. (Sursa imaginii: Jeff Shepard)

Protecție la supracurent

Pentru a oferi protecție la supracurent pentru șinele de înaltă tensiune, Bel Fuse oferă siguranțe ceramice robuste și cu acțiune rapidă cu valori nominale de 240, 500 și 1.000 de volți. Acestea sunt concepute pentru a fi utilizate în acumulatoarele principale pentru vehicule electrice, în cutii de joncțiune, în stații de încărcare și în aplicații conexe și îndeplinesc cerințele standardului de siguranțe JASO D622/ISO 8820-8 pentru vehicule rutiere. Siguranța ceramică cu cartuș montată cu șurub, modelul 0ALEB9100-PD, are o putere nominală de 10 A și 500 de volți (Figura 3).

Figura 3: Siguranța ceramică 0ALEB9100-PD montată cu șurub are o putere nominală de 10 A și 500 de volți și este proiectată pentru a fi utilizată într-o varietate de aplicații pentru vehicule electrice. (Sursă imagine: Bel Fuse)

Protecție la supratemperatură

Protecția la supratemperatură este, de asemenea, importantă în cazul stațiilor de încărcare a vehiculelor electrice și al acumulatoarelor. Pentru aceste aplicații, Bel Fuse oferă siguranțe resetabile de înaltă temperatură din seria 0ZT. Aceste dispozitive cu coeficient pozitiv de temperatură (PTC) au un domeniu ridicat al temperaturii de funcționare, de la -40 °C la +125 °C, și oferă curenții de declanșare și de menținere necesari pentru o protecție robustă la supratemperatură. 0ZTH0020FF2E, de exemplu, are o tensiune nominală de 30 de volți cu un curent de declanșare de 500 mA și un curent de menținere de 200 mA (Figura 4). La fel ca și alte dispozitive PTC din seria OZT, acesta este bine adaptat pentru funcționarea în medii cu temperaturi ambiante ridicate.

Figura 4: Siguranța resetabilă de înaltă temperatură OZTH0020FF2E face parte din seria OZT de dispozitive PTC pentru protecția împotriva supratemperaturii, care este potrivită pentru utilizarea în stațiile de încărcare a vehiculelor electrice și în sistemele BMS. (Sursă imagine: Bel Fuse)

Conectivitate și integritatea semnalului

Pe lângă funcțiile de alimentare auxiliară și de protecție, stațiile de încărcare a vehiculelor electrice necesită conectivitate de mare viteză și un grad ridicat de integritate a semnalului pentru o funcționare fiabilă. Aceste cerințe sunt îndeplinite cu ușurință de rețeaua Ethernet pentru automobile, bazată pe IEEE 802.3ch cu viteze de transfer al datelor de până la 10 gigabiți pe secundă (Gbit/s). Ethernet pentru autovehicule înlocuiește rapid magistrala CAN tradițională cu o viteză de transfer al datelor de 1 megabit pe secundă (Mbit/s). Acest lucru se datorează, în parte, ratei ridicate de transfer al datelor Ethernet pentru automobile, dar și faptului că livrează aceste date prin intermediul unui cablu cu o singură pereche torsadată, neecranat, proiectat pentru a avea o greutate redusă și un cost minim.

Se preconizează că utilizarea Ethernet va continua să crească odată cu lansarea programată a standardului IEEE 802.3dh în 2024. Acest standard va furniza Ethernet multi-gigabit pentru automobile prin fibră optică din plastic (POF). Unele dintre avantajele POF în aplicațiile pentru automobile includ limite ridicate de deformare elastică, rezistență ridicată la rupere și flexibilitate ridicată, ceea ce îl face o alegere bună pentru înlocuirea cablurilor Ethernet cu perechi torsadate.

Între timp, pentru proiectele auto de astăzi, divizia Stewart Connector de la Bel Fuse oferă conectori modulari Ethernet RJ45 de calitate auto care respectă standardul SAE/USCAR2-6 pentru cerințele de vibrații și etanșare. Acestea sunt disponibile în modele cu montare în unghi drept și vertical, cu mai multe configurații de leduri și o gamă de temperaturi de funcționare de la -40 °C la +100 °C.

Conectorii pot găzdui power-over-Ethernet (PoE) la niveluri de până la 100 de wați. Deoarece diafonia și pierderile la retur sunt adesea provocări cu acest stil de conector PoE, designul lor de contact a fost optimizat pentru performanțe ridicate în aplicații de înaltă frecvență. De asemenea, acestea sunt optimizate pentru o amprentă redusă.

Versiunile fără leduri ale Stewart RJ45, cum ar fi SS-60300-011, sunt compatibile cu procesele cu retopire IR, iar toate dispozitivele din această linie au contacte placate selectiv cu 50 de micro-inch de aur pentru o performanță îmbunătățită. SS-60300-011 este proiectat pentru orientare orizontală (Figura 5).

Figura 5: SS-60300-011 este un conector Ethernet compact, orientat orizontal, care poate susține PoE în aplicațiile auto. (Sursa imaginii: Stewart Connector)

Pentru a asigura integritatea semnalului, divizia Signal Transformer de la Bel Fuse oferă seria SPDL de bobine de mod comun, montate pe suprafață, pentru suprimarea EMI a zgomotului în mod diferențial. Aceasta filtrează semnalele prin Ethernet și alte interfețe de mare viteză, fără a produce practic nicio distorsiune a semnalului. Aceste bobine de mod comun sunt proiectate pentru curenți de până la 6,5 A cu impedanțe de la 90 la 2200 ohmi (Ω) și au un interval de temperatură de funcționare de la -40 °C la +125 °C. De exemplu, modelul SPDL3225-101-2P-T este evaluat la 5100 Ω (tipic), 50 de volți și 150 mA (Figura 6).

Figura 6: Bobina de mod comun cu montare pe suprafață SPDL3225-101-2P-T controlează EMI cu o distorsiune minimă a semnalului. (Sursă imagine: Signal Transformer)

Concluzie

Implementarea sistemelor EVSE, cum ar fi stațiile de încărcare a vehiculelor electrice, este importantă pentru a sprijini utilizarea pe scară largă a vehiculelor electrice și reducerea concomitentă a emisiilor de gaze cu efect de seră. Este nevoie de o varietate de tipuri de stații de încărcare a vehiculelor electrice care să poată suporta atât încărcarea lentă c.a., cât și încărcarea rapidă c.c. Pentru a asigura proiectarea cu succes și implementarea în siguranță a vehiculelor electrice și a EVSE, proiectanții pot profita de sistemele și dispozitivele specializate, ușor disponibile, pentru conversia și furnizarea de energie, protecția circuitelor și atenuarea EMI.

Lectură recomandată

1. Utilizați conectorii CCS pentru a simplifica implementarea sistemelor sigure de încărcare rapidă a vehiculelor electrice
2. Cum se selectează și se aplică condensatoare pentru a asigura încărcătoare EV eficiente, fiabile și durabile
3. Utilizarea convertoarelor de putere bidirecționale și PFC pentru îmbunătățirea eficienței HEV, BEV și a rețelei electrice
4. Cum sunt fabricate acumulatoarele pentru vehicule electrice?