Slik implementeres beskyttelse, hjelpestrøm og konnektivitet for elbiler og elbilforsyningsutstyr

Elektriske kjøretøy (EV – electric vehicle) spiller en stadig viktigere rolle i å redusere klimagassutslipp (GHG – greenhouse gas) for å løse klimaproblemer. Den vellykkede konstruksjonen og implementeringen av elbiler (EV) og elbilforsyningsutstyr (EVSE – electric vehicle supply equipment) som batteriladere, krever imidlertid at konstruktører tar tak i et bredt spekter av teknologiske utfordringer. Disse inkluderer kretsbeskyttelse mot overspenning og overstrøm, undertrykkelse av elektromagnetisk interferens (EMI – electromagnetic interference), utforming av strømforsyninger med brede inngangs- og driftstemperaturområder og det pågående behovet om å øke rekkevidden til elbiler.

For eksempel trenger et batteristyringssystem (BMS – battery management system) og styringsgrensesnitt i et EVSE-system ekstra AC–DC-hjelpestrømforsyninger som kan fungere over et inngangsspenningsområde fra 85 til 305 volt AC (V_AC) og et temperaturområde fra –40 °C til +85 °C. For å takle vekten må konstruktører vurdere å bevege seg fra den ærverdige og veletablerte CAN-bussen, til Ethernet som er klassifisert for kjøretøy, og som kan støtte høyere båndbredder med lettere kabler.

Denne artikkelen gir en kort oversikt over kjernekravene til elbiladere. Den tar deretter for seg de ulike behovene til hver type relatert til AC–DC-hjelpestrømforsyninger (aux power), gir alternativer for overspennings- og overstrømsvern, og ser på hvordan Ethernet-konnektivitet kan implementeres og EMI kan undertrykkes for å unngå forvrengning av høyhastighetssignaler. Eksempler på virkelige løsninger som kan løse de ulike konstruksjonsproblemene, vil bli introdusert fra leverandører som Bel Fuse, Signal Transformer, Stewart Connector og CUI.

Introduksjon til ladekrav for elbiler og elbilutstyr

Distribusjonen av et stort antall EVSE-er, deriblant batteriladere og ladepunkter (charging piles), vil være nøkkelen til utbredt bruk av elbiler. Vær oppmerksom på at batteriladere for elbiler er interne i elbilen, mens ladepunkter refererer til eksterne ladestasjoner. SAE J1772, den nordamerikanske standarden for elbilkontakter, definerer fire ladenivåer for elbiler:

• AC-nivå 1 bruker 120 V_AC til å forsyne opptil 16 ampere (A) eller 1,9 kilowatt (kW) AC-nivå 2 bruker 208 til 240 V_AC til å forsyne opptil 80 A eller 19,2 kW
• DC-nivå 1 bruker opptil 1000 V_DC til å forsyne opptil 80 A eller 80 kW
• DC-nivå 2 bruker opptil 1000 V_DC til å forsyne opptil 400 A eller 400 kW

Mens SAE definerer de to DC-nivåene separat, blir de ofte klumpet sammen og referert til som nivå 3, eller DC-hurtiglading. I tillegg til de forskjellige inngangsspenningene og effektnivåene, krever AC-ladepunkter en separat integrert lader (OBC – onboard charger) i kjøretøyet for å håndtere AC–DC-omformingen og BMS-funksjonene som trengs for å lade batteripakken på en sikker og effektiv måte. Når det gjelder DC-hurtiglading (likestrøm-hurtiglading), er det ikke behov for noen OBC. Strømomformingen og BMS-funksjonene er plassert i ladepunktet. Hvert ladenivå inkluderer kommunikasjon (signalisering) mellom kjøretøyet og ladepunktet (figur 1).

Figur 1: Tre nivåer av elbillading vil vanligvis gjenkjennes. Nivå 3 (nederst) kombinerer de to nivåene med DC-lading som er definert av SAE J1772. (Bildekilde: CUI)

Hjelpestrømbehov

I henhold til kravene i SAE J1772, er det nødvendig med hjelpestrøm for å støtte den generelle driften av ladepunktet og signaliseringsfunksjonene når ladepunktstyringen kobles til kjøretøystyringen. Signalprotokollen er utviklet for å sikre effektiv og sikker lading, noe som oppnås ved å bruke kontinuerlig toveis konnektivitet mellom ladepunktet og kjøretøyet.

Det grunnleggende strømbehovet krever en AC–DC-strømforsyning som forsyner 12 V_DC for signalering og har et driftstemperaturområde fra –40 til +85 °C. Komplette løsninger trenger elektromagnetisk kompatibilitet (EMC – electromagnetic compatibility) og beskyttelseskretser, og de har vanligvis en separat DC–DC-omformer som kan forsyne en lavere spenning til andre komponenter, for eksempel 3,3 volt for å drive en mikrokontroller (MCU – microcontroller unit).

Det nøyaktige strømbehovet avhenger av utformingen til ladepunktet. For eksempel er en nivå 1-lader en enkel konstruksjon med minimale strømbehov, og hjelpestrøm som kan forsynes med en 5-watts AC–DC-miniatyrstrømforsyning er montert på et kretskort. Ladepunkter på nivå 2 er mer komplekse og trenger ca. 50 watt hjelpestrøm. Begge drives av enfasede AC-innganger (vekselstrøm-innganger), men med forskjellige krav til inngangsspenning – 120 V_AC for nivå 1 og 208 til 240 V_DC for nivå 2.

Ting endrer seg betydelig med nivå 3-ladepunkter. Ladekretsene i punktene drives av trefasestrøm, ofte 480 V_AC. Hjelpestrømforsyningen mates med enfasestrøm og trenger et bredt inngangsspenningsområde, for eksempel 85 til 305 V_AC. Utgangseffekten er også høyere, ofte 150 watt eller mer, noe som muliggjør et bredere spekter av funksjoner, inkludert ekstra styrefunksjoner som betalingsfunksjoner, en skjerm og en BMS. Den kan ha en enkelt utgang, for eksempel 24 V_DC for total systemstrøm. Systemet vil ha en serie distribuerte DC–DC-omformere for å forsyne 12 V_DC-strømmen som trengs for signalering, en separat 12V_DC-skinne for BMS-en og 3,3 V_DC for mikrokontrolleren og andre komponenter. I tillegg til EMC og standard beskyttelsesfunksjoner, krever disse strømløsningene effektfaktorkorreksjon (PFC – power factor correction) og beskyttelse mot høye innkoblingsstrømstøt når de slås på.

Hjelpestrømforsyninger

Den gode nyheten for konstruktører er at de ikke trenger å bygge ekstra strømforsyninger fra bunnen av. I stedet finnes det nå ferdigløsninger for alle typer elbilladestasjoner fra CUI-avdelingen til Bel Fuse. For eksempel er PBO-serien med 3-, 5-, 8- og 10-watts kortmonterte AC–DC-strømforsyninger egnet for nivå 1-ladere. PBO-5C-12-modellen forsyner 5 watt med en 12 V_DC-utgang fra et inngangsspenningsområde fra 85 til 305 V_AC, og den er klassifisert for drift over et temperaturområde fra –40 °C til +85 °C.

Nivå 2-ladepunkter krever mer hjelpestrøm og kan bruke AC–DC-strømforsyninger i PSK-serien, for eksempel den innkapslede PSK-10D-12 på 10 watt, som forsyner 830 milliampere (mA) ved 12 V_DC. Denne forsyningen har samme inngangsspenningsområde og driftstemperaturspesifikasjoner som PBO-5C-12. Både PBO- og PSK-serien har overstrøms- og kortslutningsvern, mens PSK-serien også har overspenningsvern.

For nivå 3-ladepunkter kan AC-DC-strømforsyninger i VGS-serien fra CUI forsyne opptil 350 watt. Disse forsyningene har kortslutnings-, overstrøms-, overspennings- og overtemperaturvern, samt strømbegrensning for innkoblingsstrømstøt og aktiv effektfaktorkorreksjon (PFC). De oppfyller CISPR/EN55032 klasse B for utstrålt/ledet utslipp og IEC 61000-3-2 klasse A for oversvingningsbegrensninger. Et eksempel på en modell, er VGS-100W-24. Den forsyner 108 watt med en utgangsspenning på 24 V_DC og en typisk virkningsgrad på 89,5 % (figur 2).

Figur 2: VGS (venstre), PSK (midten) og PBO (høyre) AC–DC-strømforsyninger (ikke i riktig skala) er egnet for EV-ladepunkter med henholdsvis nivå 3, nivå 2 og nivå 1. (Bildekilde: Jeff Shepard)

Overstrømsbeskyttelse

For å gi overstrømsbeskyttelse for høyspenningsskinner, tilbyr Bel Fuse hurtigvirkende og robuste keramiske sikringer klassifisert for 240, 500 og 1000 volt. De er konstruert for bruk i elbil-batteripakker, koblingsbokser, ladepunkter og relaterte bruksområder, og de oppfyller kravene i JASO D622/ISO 8820-8-sikringsstandarden for kjøretøy på veien. Den keramiske patronsikringen 0ALEB9100-PD med boltmontering, er klassifisert for 10 A og 500 volt (figur 3).

Figur 3: Keramikksikringen 0ALEB9100-PD med boltmontering er klassifisert for 10 A og 500 V, og den er konstruert for bruk i en rekke bruksområder for elbiler. (Bildekilde: Bel Fuse)

Overtemperaturbeskyttelse

Overtemperaturbeskyttelse er også viktig i ladepunkter og batteripakker for elbiler. For disse bruksområdene tilbyr Bel Fuse 0ZT-serien, en serie nullstillbare sikringer for høye temperaturer. Disse enhetene med positiv temperaturkoeffisient (PTC) har et høyt driftstemperaturområde fra –40 °C til +125 °C, og de tilbyr den nødvendige utløsnings- og holdestrømmen som trengs for robust overtemperaturbeskyttelse. For eksempel er 0ZTH0020FF2E klassifisert for 30 volt, med en utløsningsstrøm på 500 mA og en holdestrøm på 200 mA (figur 4). I likhet med andre PTC-enheter i OZT-serien, er den godt egnet for drift i omgivelser med høye omgivelsestemperaturer.

Figur 4: Den nullstillbare OZTH0020FF2E-sikringen for høye temperaturer er en del av PTC-enhetene i OZT-serien som gir overtemperaturbeskyttelse egnet for bruk i ladepunkter og BMS-er for elbiler. (Bildekilde: Bel Fuse)

Konnektivitet og signalintegritet

I tillegg til hjelpestrøm og beskyttelsesfunksjoner, krever ladepunkter for elbiler høyhastighetskonnektivitet og en høy grad av signalintegritet for å gi pålitelig drift. Disse kravene oppfylles enkelt av Ethernet for bilindustrien, som er basert på IEEE 802.3ch-kanaler med datahastigheter på opptil 10 gigabit per sekund (Gb/s). Ethernet for bilindustrien er i ferd med å erstatte den tradisjonelle CAN-bussen, med sin datahastighet på 1 megabit per sekund (Mb/s). Dette er delvis på grunn av den høye datahastigheten til Ethernet for bilindustrien, men også fordi den leverer disse dataene over en uskjermet kabel med enkelt tvunnet par som er utviklet for både lav vekt og minimale kostnader.

Bruken av Ethernet forventes å fortsette å vokse med den planlagte utgivelsen av IEEE 802.3dh i 2024. Denne standarden vil levere Ethernet på flere gigabit over optisk plastfiber (POF – plastic optical fiber). Noen fordeler med POF i bilindustrien inkluderer høye elastiske tøyningsgrenser, høy bruddseighet og høy fleksibilitet, noe som gjør disse til et godt valg når det gjelder å erstatte Ethernet-kabling med tvunnet par.

I mellomtiden, for dagens kjøretøykonstruksjoner, tilbyr Stewart Connector-avdelingen til Bel Fuse RJ45 Ethernet-modulkontakter klassifisert for bilindustrien, og som er i samsvar med SAE/USCAR2-6-standarden for vibrasjons- og tetningskrav. De er tilgjengelige i rettvinklet og vertikalt monterte konstruksjoner, med flere lysdiodekonfigurasjoner og et driftstemperaturområde fra –40 °C til +100 °C.

Kontaktene har plass til Power-over-Ethernet (PoE) på nivåer som er opptil 100 watt. Siden krysstale og returtap ofte er utfordringer med denne typen PoE-kontakt, har kontaktens utforming blitt optimalisert for høy ytelse i høyfrekvente konstruksjoner. De er også optimalisert for liten fysisk størrelse.

Versjoner uten lysdioder fra Stewart RJ45, for eksempel SS-60300-011, er kompatibel med IR-påsmeltingslodding, og alle enhetene i linjen har kontakter som er selektivt belagt med 50 mikrotommer gull for å gi forbedret ytelse. SS-60300-011 er konstruert for horisontal retning (figur 5).

Figur 5: SS-60300-011 er en kompakt, horisontalt orientert Ethernet-kontakt som kan støtte PoE i bilindustrien. (Bildekilde: Stewart Connector)

For å sikre signalintegritet, tilbyr Signal Transformer-avdelingen til Bel Fuse SPDL-serien, som er overflatemonterte fellesmodusdrosler (common-mode chokes) for EMI-demping av differensialmodusstøy. De filtrerer signaler over Ethernet og andre høyhastighetsgrensesnitt med praktisk talt null signalforvrengning. Disse fellesmodusdroslene er klassifisert for strøm på opptil 6,5 A, med impedanser fra 90 til 2200 ohm (Ω), og de har et driftstemperaturområde fra –40 °C til +125 °C. For eksempel er SPDL3225-101-2P-T-modellen klassifisert til 5100 Ω (typisk), 50 volt og 150 mA (figur 6).

Figur 6: SPDL3225-101-2P-T overflatemonterte fellesmodusdrossler styrer EMI med minimal signalforvrengning. (Bildekilde: Signal Transformer)

Konklusjon

Distribusjonen av EVSE-systemer som ladepunkter for elbiler er viktig for å støtte elbilbruk i storskala og den medfølgende reduksjonen av klimagasser. Det trengs en rekke typer ladepunkter for elbiler som kan støtte både langsom vekselstrømslading og hurtig likestrømslading. For å sikre vellykket konstruksjon og sikker implementering av elbiler og elbilutstyr, kan konstruktører dra nytte av lett tilgjengelige, spesialiserte systemer og enheter for strømomforming og -forsyning, kretsbeskyttelse og reduksjon av elektromagnetisk interferens.

Anbefalt lesing

1. Bruke CCS-kontakter til å forenkle implementeringen av sikre hurtigladesystemer for elbiler
2. Slik velger og bruker du kondensatorer for å sikre effektive, pålitelige og bærekraftige elbiladere
3. Bruke toveis strømomformere og PFC til å forbedre virkningsgraden til HEV, BEV og strømnettet
4. Slik produseres batteripakker for elektriske kjøretøy