Slik sørger du for kretsbeskyttelse, høyhastighetsdata og strømomforming for eMobility-plattformer

Behovet for pålitelig kretsbeskyttelse, høyhastighetskommunikasjon og kompakte strømomformingsløsninger i eMobility- og transportsystemer vokser på tvers av en rekke plattformer, deriblant hybrid- og elbiler, busser, mellomstore og tunge kjøretøyer for transport på og utenfor motorvei og marineplattformer. Disse trendene drives av et økende fokus på bærekraft og sikkerhet mens transportbransjen går over til mer autonom styring og elektriske kjøretøyer (EV) eller hybridelektriske kjøretøyer (HEV). Resultatet er at nye kjøretøysystemer er i ferd med å vokse frem, og disse blir gradvis mer avhengige av sikker og bærekraftig kjøretøydrift.

For å kunne levere sikkerhet og pålitelighet trenger konstruktører av tilkoblede elektriske og automatiserte kjøretøy et bredt spekter av kretsbeskyttelse, i tillegg til kommunikasjons- og strømomformingsløsninger som er konstruert for pålitelig drift i utfordrende miljøer, og som er sertifisert til å oppfylle AEC-Q200, SAE, USCAR og andre ytelsesstandarder.

Denne artikkelen gjennomgår kjapt noen av spesifikasjonene til kretsbeskyttelsesenheter som konstruktører må ta i betrakning. Den introduserer deretter spesifikke løsninger for kretsbeskyttelse, konnektivitet og strømomforming fra Bel Fuse, og ser nærmere på bruken av disse produktene i eMobility-systemer.

EV-beskyttelseskomponenter og -standarder

For å kunne møte utfordringene rundt elbiler (EV), kan konstruktører bruke en rekke løsninger relatert til ulike sertifiserte kretsbeskyttelser som er kvalifisert for bilindustrien, høyhastighetskommunikasjon og strømomforming, deriblant:

• Patronsikringer som er kvalifisert for bilindustrien, kretskortmontering (hull- og overflatemontering) og konfigurasjoner for boltforskyvning som er optimalisert for strømsystemer og undersystemer, samt sikringer for hjelpeinnretninger og tilbehør som radarsystemer for førerassistanse, bremsepumpemotorer, bærbare ladere, batterisystemer, infotainment, kameraer, programmerbar belysning og servostyring. I tillegg vil bestemte bruksområder kreve sikringer med høy innkoblingsstrøm, kvikke sikringer, trege sikringer og nullstillbare polymeriske sikringer med positiv temperaturkoeffisient (PPTC).
• Filterdrosler for elektromagnetisk interferens (EMI) som oppfyller AEC-Q200 brukes til å filtrere ut støy og beskytte høyhastighets datasignaler for de mange sensorundersystemene som utgjør ADAS og navigasjonssystemer, multimediesystemer, klynger av kjøretøy-til-alt (V2X) og antenner, og leverer differensiell CAN-buss (CAN – Controller Area Network), FlexRay og USB (Universal Serial Bus) for bilindustrien
• Helskjermede RJ45-kontakter, som er i samsvar med SAE (Society of Automotive Engineers) USCAR2-6 «Performance Specification for Automotive Electrical Connector System – Revision 6», gjør det mulig for konstruktører å erstatte CAN-busser med raskere og lettere Ethernet for bilindustrien for å støtte det økende behovet for databehandling i kjøretøy i en rekke ADAS-systemer, for eksempel førerassistansekameraer og radarbaserte systemer for førerassistanse, samt telematikk, medieomformere og gatewayer.
• IP67-sertifiserte effektomformere, deriblant ladere for elektriske og hybridelektriske kjøretøy som er kvalifiserte for bilindustrien og tilbys i konveksjonskjølte eller væskekjølte implementasjoner med galvanisk isolasjon.

Valg av kretsbeskyttelsesenheter

Når du velger en egnet enhet, er det viktig å ha god forståelse av dens driftsegenskaper når du spesifiserer kretsbeskyttelsesenheter for eMobility-systemer. Noen grunnleggende spesifikasjoner omfatter:

• Spenningsklasse: Største tillatte spenning for sikker drift
• Strømklasse: Strømmen i ampere (A) som sikringen kan føre under normale driftsforhold
• Bruddkapasitet (også kalt avbruddsklassifisering eller kortslutningsklassifisering): Den maksimale strømmen sikringen kan avbryte ved nominell spenning uten å bli skadet. Bruddkapasitet må møte eller overstige den maksimale feilstrømmen som forventes i kretsen
• Tidsstrømkurver: Definer om sikringen er kvikk eller treg (også kalt sikring med forsinket virkning). Kvikke sikringer brukes der beskyttelseshastigheten er avgjørende. Trege sikringer brukes i konstruksjoner som opplever kortvarig strømstøt eller overbelastning

I²t: En spesifikasjon uten noen teststandard

En spesifikasjon som fortjener spesiell oppmerksomhet, er den nominelle smelteverdien, I²t (uttales l i andre potens ganger t). Dette er en måling for energien som kreves for å smelte sikringselementet, og er en viktig sikringsegenskap for alle bruksområder. I²t uttrykkes som «Ampere i andre potens ganger sekunder» (A²sec). Dessverre for konstruktører, inkluderer verken UL/CSA 248- eller IEC127-standardene for miniatyr- og mikrosikringer noen testprosedyrer eller testkriterier for I²t. Bransjestandarddefinisjonen av I²t, er:

SMELTING I²t målt ved 10In, ved å bruke konstant likestrøm (DC), der ln er sikringens nominelle strøm.

Bruken av 10In kan være problematisk fordi den resulterer ikke alltid i nøyaktige tidsverdier for åpning. Særlig trege sikringer kan kreve et høyere multiplum enn 10 ganger den nominelle strømmen for å oppnå den sanne I²t-verdien. Siden forskjellige produsenter håndterer dette dilemmaet på ulike måter, er det viktig for konstruktører å ha en klar forståelse av måten som brukes til å komme frem til I²t-verdiene for bestemte sikringer. En mer detaljert omhandling av disse utfordringene, finnes her: I²t forklart.

Kvikke og trege brikkesikringer (chip fuse)

Konstruktører av navigasjonssystemer for bilindustrien, Lithium-ion (Li-ion)-batteristyringssystemer (BMS – battery management system), LED-hodelykter, strøm over Ethernet (PoE) for bilindustrien, PoE+ og LCD-skjermer kan dra nytte av å bruke overflatemonterte brikkesikringer basert på tykkfilmteknologi, for eksempel hurtigvirkende sikringer i 0685P-serien. 0685P-serien tåler høye innkoblingsstrømstøt. Disse AEC-Q200-kompatible og UL-godkjente 1206-sikringene er tilgjengelige med strømklassifiseringer fra 2 A til 50 A, og spenning (volt) på 50 volt vekselstrøm (AC) og 63 volt likestrøm (DC). Modellen 0685P3000-01 er klassifisert for 6 A, og har en I²t-klassifisering på 1,3 A²sec (sekund) ved 10In.

For konstruktører som trenger trege sikringer, tilbyr Bel C1T-serien med 1206-brikkesikringer (figur 1). Disse er tilgjengelige med strømkapasiteter på mellom 750 milliampere (mA) og 8 A, og de er klassifisert for 63 volt vekselstrøm eller likestrøm. Modellen 0685T6000-01 er klassifisert for 6,0 A, og har en I²t-klassifisering på 6,0 A²sec (sekund) ved 10In. C1T-seriens trege sikringer er UL-, CSA- og CE-godkjente, og har TUV-sertifiseringen til IEC 60127 for miniatyrsikringer.

Figur 1: Brikkesikringer som de trege sikringene i C1T-serien brukes i en rekke bilutrustninger der en kompakt fysisk størrelse er viktig. (Bildekilde: Bel Fuse)

Nullstillbare PPTC-enheter

Konstruksjoner som kan dra nytte av nullstillbar kretsbeskyttelse med svært lav driftsmotstand og svært høy holdestrøm, kan bruke PPTC-enheter. PPTC-er kan være spesielt nyttige i konstruksjoner som motorbeskyttelse og motorkretsbeskyttelse i elektriske dørlåser, speil, seter, soltak og vinduer, samt systemer for varmeventilasjon og klimaanlegg (HV_AC) og I/O-beskyttelse av elektroniske styringsenheter (ECU – electronic control unit).

Bel tilbyr to familier for PPTC-enheter. Begge er AEC-Q-kompatible, TUV-sertifiserte i henhold til EN/IEC 60738-1-1 og EN/IEC 60730-1, og Ul-gjenkjent i henhold til UL1434:

• 0ZRS PPTC-er med radiale ledere er klassifisert fra 500 mA til 10 A med en maksimal spenning på 32 V_DC, og typisk nominell effekt varierer fra 0,9 til 7,0 W (figur 2). For eksempel har 0ZRS0100FF1E en utløsningsstrøm på 1,9 A, en holdestrøm på 1,0 A og en nominell effekt på 1,4 W.
• 0ZCG overflatemonterte PPTC-er er klassifisert fra 100 mA til 3 A med maksimale spenninger fra 6 til 60 volt likestrøm, og typiske effekttall går fra 0,8 til 1,3 W. 0ZCG0110BF2B-enheten fra denne familien er klassifisert for 24 volt likestrøm, og den har en holdestrøm på 1,1 A, en utløsningsstrøm på 2,2 A og en nominell effekt på 1 W.

Figur 2: OZRS PPTC-ene med radiale ledere er klassifisert for 32 volt likestrøm og opptil 10 A. (Bildekilde: Bel Fuse)

Sikring som kan motstå innkoplingsstrømstøt

0680L-serien med firkantede, keramiske overflatemonterte 2410-kapslinger tåler høye innkoplingsstrømstøt under bruk (tabell 1). Disse trege sikringene er utviklet for konstruksjoner som krever høye klassifiseringer for likestrømsavbrudd og likestrømsspenninger. De er klassifisert for opptil 125 volt likestrøm eller vekselstrøm, og de tilbyr strømklassifiseringer fra 375 mA til 12 A. 0680L-sikringene er AEC-Q-kompatible.

Tabell 1: Elektriske egenskaper for de trege overflatemonterte sikringene i 0680L-serien. (Bildekilde: Bel Fuse)

Disse trege sikringene brukes ofte til beskyttelse av PoE, PoE+, strømforsyninger og kretsbeskyttelse for batteriladere. 0680L3000-05 er klassifisert for 3A og 0,81 W, og har en I²t-klassifisering på 13 A²sec (sekund) ved 10In.

Kvikke sikringer for elektriske kjøretøy

Konstruktører kan bruke kvikke patronsikringer og fastkoblede konfigurasjoner for å beskytte høyeffektsbatterier og energiomformere for elektriske kjøretøy. Disse sikringene er i fullt samsvar med EU-direktiv 2011/65/EU og direktivendring 2015/863. De er konstruert for å oppfylle UL 248-1 samt pålitelighetskravene i JASO D622 og ISO8820-8. Typiske bruksområder omfatter:

• Hovedsystemsikring
• Ladestasjoner
• Energilagring og batteripakker
• Strømdistribusjonsenheter
• Integrerte DC-DC-omformere (likestrøm-likestrøm)
• Bremsepumpemotorer
• Kompressormotorer for klimaanlegg
• Elektriske styresystemer

De kan håndtere strømverdier på opptil 600 A og har et spenningsområde fra 500 til 1000 volt likestrøm. 0ADAC0600-BE er et godt eksempel på en patronsikring som er klassifisert for 600 mA og 600 V_DC eller V_AC, med en I²t-klassifisering på 0,073 A²sec (sekund) ved 10In.

Trege sikringer for elektriske kjøretøy

0697W-serien med trege sub-miniatyr-sikringer med radial leder har klassifiseringer på 350 volt vekselstrøm eller 72 volt likestrøm, en strømklassifisering på 1 A til 6 A og er i samsvar med IEC 60127-3 (figur 3). Disse sikringene er i samsvar med AEC-Q-kvalitet og Mil-Std 202G-miljøstandarder.

Figur 3: 0697W-serien er høyspente trege sikringer med radial leder og AEC-Q-kompatibilitet. (Bildekilde: Bel Fuse)

Konstruksjoner for 0697W-enhetene inkluderer ECU-er, motorer, klima- og ventilasjonsstyringer, plugger og sigarettennertilbehør, strømuttak og ledningsnett. For eksempel er 0697W2000-02 klassifisert for 2 A og 0,63 W med en I²t-klassifisering på 30 A²sec (sekund) ved 10In.

Common mode-drosler for høyhastighetskommunikasjon

Konstruktører av infotainment-, multimedie- og ADAS-systemer for bilindustrien som bruker Ethernet-, CAN-, FlexRay- eller USB-kommunikasjonsbuss, kan benytte seg av SPDL-serien fra Signal Transformer som er AEC-Q200-sertifiserte, ultrakompakte common mode-drosler for demping av differensialstøy (figur 4). Disse SMD-droslene (SMD – kompakt overflatemontert enhet) tilbys i fire metriske størrelser: 2012, 3216, 3225 og 4532, og 26 forskjellige komponentklassifiseringer. SPDL-serien har et nominelt strømområde på mellom 150 og 400 mA og et impedansområde på mellom 90 og 2200 ohm (Ω). Modellen SPDL3225-101-2P-T er klassifisert for 150 mA og 2200 Ω med en induktans på 100 mikrohenry (µH).

Figur 4: SPDL-serien med svært kompakte SMD common mode-drosler kan brukes med Ethernet-, CAN-, FlexRay- eller USB-kommunikasjonsgrensesnitt. (Bildekilde: Signal Transformer)

Oppgrader til Ethernet

Takket være dens raskere datahastighet og lettere kabelvekt, erstatter konstruktører CAN-buss med Ethernet i et økende antall eMobility-konstruksjoner. De integrerte MagJack-kontaktmodulene fra Bel Fuse med Ethernet-enkeltport for bilindustrien, har en magnetisk Ethernet-løsning integrert i kontaktkapslingen. Dette gir en mer kompakt løsning og forenkler oppgaven med å oppgradere eksisterende CAN-bussystemer med Ethernet-signalering og -kablingstyper (figur 5). De integrerte MagJack Ethernet-kontaktmodulene fungerer i opptil 100 °C og er SAE/USCAR2-6-kompatible. Disse integrerte kontaktmodulene (ICM) er godkjent av Broadcom, Intel og Marvell, og de er kompatible med standard transceivere i bilindustri-klassen, noe som ytterligere forenkler overgangen til Ethernet.

Figur 5: De integrerte MagJack Ethernet-kontaktmodulene med enkeltport for bilindustrien, har integrerte magneter for å møte behovet til kompakte løsninger. (Bildekilde: Bel Fuse)

Et eksempel er den integrerte Ethernet-kontaktmodulen A829-1J1T-KM for bilindustrien som oppfyller alle de elektriske kravene til IEEE 802.3 10/100Base-T.

Strømomforming for hybridelektriske (HEV) og elektriske (EV) kjøretøy

Bel Power Solutions gir konstruktører et komplett utvalg av strømomformingsalternativer for eMobility, deriblant DC-DC-omformere, toveis DC-DC-omformere, integrerte ladere, hjelpeomformere og inverter-ladesystemer som integrerer en toveis inverter-lader med to DC-DC-nedkonvertere. For eksempel er den 22 kilowatt (kW) BCL25-700-8 en væskekjølt, integrert batterilader for hybridelektriske og elektriske kjøretøy på middels tunge og tunge plattformer, for drift på og utenfor motorveien (figur 6). Funksjoner og spesifikasjoner for BCL25-700-8 omfatter:

• Enfaset (190 til 264 volt vekselstrøm) eller trefaset (330 til 528 volt vekselstrøm) inngang
• Kan kobles til nettspenning eller en EVSE (Electric Vehicle Supply Equipment)-ladestasjon (EV Std. IEC 61851-1)
• Konstant utgangsstrøm på 60 A over et spenningsområde på mellom 250 og 800 volt likestrøm
• Opptil fire enheter kan plasseres parallelt
• IP67- og IP6K9K-kvalifisert
• IEC 61851-21-1- og ECE R10.6-sertifiseringer
• SAE J1772- og CAN-grensesnitt SAE J1939-samsvar
• Aktiv overvåking av likestrømskoblinger med høy spenning
• Fungerer fra –40 til 60 °C ved full belastning
• Beskyttelse mot overtemperatur, overstrøm og overspenning på utgang

Figur 6: BCL25-700-8 er en 22 kW, integrert, væskekjølt batterilader for hybridelektriske og elektriske kjøretøy som er beregnet på middels tunge og tunge konstruksjoner, både på og utenfor motorveien. (Bildekilde: Bel Fuse)

Konklusjon

Det vil være behov for et bredt spekter av løsninger for kretsbeskyttelse, kommunikasjon og strømomforming for å kunne støtte kravene til sikkerhet og bærekraft i neste generasjon av tilkoblede, elektriske og stadig mer automatiserte kjøretøy. Som vist har konstruktører lett tilgang til løsninger i form av kretsbeskyttelsesenheter for bilindustrien, EMI-filterdrosler som er i samsvar med AEC-Q200, fullstendig skjermede RJ45 Ethernet-kontakter som er i samsvar med SAE/USCAR2-6 og IP67-sertifiserte strømomformere. Disse vil bidra til at konstruktører av hybridelektriske og elektriske kjøretøy kan møte de mange nåværende og nye konstruksjonsutfordringene etter hvert som autonome konstruksjoner utvikler seg videre.

Anbefalt lesing

1. Morgendagens kjøretøy vil ha enda mer teknologi