Az áramkörvédelem, a nagy sebességű adatforgalom és az áramátalakítás biztosítása e-Mobilitási platformok számára

Az e-Mobilitási és a közlekedési rendszerek terén egyre nagyobb a megbízható áramkörvédelem, a nagysebességű kommunikáció és a kompakt áramátalakító megoldások iránti igény, és ez számos platformra igaz, többek között a hibrid és teljesen elektromos autók, a buszok, a közepes és nehéz igénybevételre tervezett közúti és terepjáró járművek, valamint a tengeri platformok esetében. E tendenciák hátterében a fenntarthatóság és a biztonság egyre nagyobb hangsúlyozása áll, ahogyan a közlekedési ágazat egyre inkább átáll az autonóm irányítás és az elektromos járművek (EV-k) vagy hibrid autók (HEV-k) használatára. Ennek eredményeképpen olyan új járműrendszerek jelennek meg, amelyek megfelelő működése fokozatosan egyre inkább függővé válik a jármű biztonságos és fenntartható üzemeltetésétől.

A biztonság és megbízhatóság érdekében az összekapcsolt, elektromos és automatizált járművek tervezőinek széleskörű áramkörvédelmi módszerekre van szükségük, valamint olyan kommunikációs és áramátalakítási megoldásokra, amelyeket nehéz körülmények közötti megbízható működésre terveztek, és amelyek megfelelnek az AEC-Q200, az SAE, az USCAR és egyéb működési szabványoknak.

Ez a cikk az áramkörvédelmi eszközök néhány olyan műszaki jellemzőjét tekinti át röviden, amelyet munkájuk során a tervezőknek figyelembe kell venniük. Ezután bemutatja a Bel Fuse speciális áramkörvédelmi, csatlakoztathatósági és áramátalakítási megoldásait, és megvizsgálja e termékek felhasználását az e-Mobilitási rendszerekben.

Elektromos autók védelmi elemei és kapcsolódó szabványok

Az elektromos autóknál (EV-k) jelentkező problémák leküzdéséhez a tervezők számára széles választék áll rendelkezésre az autóipari minősítésű és megfelelő tanúsítványokkal rendelkező áramkörvédelmi, nagysebességű kommunikációs és áramátalakítási megoldásokból. Ilyenek többek között a következők:

• Áramellátó rendszerekhez és azok alrendszereihez optimalizált, autóipari minősítésű üvegbiztosítékok, nyomtatott áramköri lapra szerelhető (furatszerelt és felületszerelt) és csavaros rögzítésű biztosítékok, valamint kiegészítő rendszerekhez és más tartozékokhoz, például vezetőtámogató radarrendszerekhez, kézifék motorokhoz, hordozható töltőkhöz, akkumulátorrendszerekhez, infotainment rendszerekhez, kamerákhoz, programozható világításhoz és szervokormányhoz való biztosítékok. Ezen túlmenően, bizonyos alkalmazásokhoz magas indítóáramhoz való, gyors működésű, lomha vagy polimer alapú regenerálódó pozitív hőmérsékleti együtthatójú (PPTC) biztosítékokra van szükség.
• Az elektromágneses interferenciát (EMI-t) elnyomó, AEC-Q200 minősítésű fojtások a zaj kiszűrésére és azon számos érzékelő alrendszer nagysebességű adatjeleinek védelmére, amelyek az ADAS-t és a navigációs rendszereket, a multimédiás rendszereket, a vehicle-to-everything (V2X) klasztereket és antennákat alkotják, valamint a differenciálmódusú zajok elnyomását az autóipari Ethernet, a vezérlőhálózati (CAN) busz, a FlexRay és az autóipari univerzális soros busz (USB) számára.
• A Society of Automotive Engineers (SAE) USCAR2-6 „Performance Specification for Automotive Electrical Connector System - Revision 6” nevű szabványának megfelelő teljesen árnyékolt RJ45 csatlakozók, amelyek lehetővé teszik a tervezők számára, hogy a járművön belüli növekvő számítástechnikai igények támogatása érdekében a CAN-buszokat a gyorsabb és fizikailag könnyebb autóipari Ethernetre cseréljék, amelyekre számos ADAS-rendszernél, például a vezetőtámogató kameráknál és radaralapú vezetőtámogató rendszereknél, valamint a telematikánál, médiakonvertereknél és átjáróknál van szükség.
• IP67 tanúsítvánnyal rendelkező áramátalakítók, beleértve az elektromos és hibrid járművek akkumulátorainak autóipari minősítéssel rendelkező töltőit, és amelyeket konvekciós vagy folyadékhűtéses kivitelben kínálnak galvanikus leválasztással.

Az áramkörvédelmi eszközök kiválasztása

A megfelelő eszköz kiválasztásakor fontos ezen alkatrész jellemzőinek világos ismerete, hogy az e-Mobilitási rendszerekbe beépítendő áramkörvédelmi elemek pontosan meghatározhatók legyenek. Néhány alapvető műszaki jellemző a következő:

• Névleges feszültség: az a legnagyobb üzemi feszültség, amelyen a biztosítékot használni lehet.
• Áramerősség: az az amperben megadott áramerősség, amelyet a biztosíték normál üzemi körülmények között elbír.
• Megszakítóképesség (vagy más néven névleges rövidzárlati áram): az a maximális áram, amelyet a biztosíték a névleges feszültségen meg tud szakítani anélkül, hogy károsodna. A megszakítóképességnek legalább akkorának kell lennie, mint az adott áramkör várható maximális zárlati árama.
• Kiolvadási (idő-áram) jelleggsáv: ez határozza meg, hogy a biztosíték gyors vagy lomha (vagy más néven késleltetett) kioldású. A gyors kioldású biztosítékokat ott használják, ahol a védelem aktiválódásának sebessége kritikus fontosságú, míg a lomha biztosítékokat olyan alkalmazásokban, ahol rövid idejű áramlökés vagy túlterhelés fordulhat elő.

I²t: egy nem szabványosított műszaki jellemző

Különös figyelmet érdemel a névleges kiolvadási sebesség, az I²t. Ez annak a mértéke, hogy a biztosíték olvadószálának megolvadásához mennyi energiára van szükség, ami egy fontos műszaki paraméter minden alkalmazásnál. Az I²t mértékegysége az „amper- négyzetmásodperc” (A²s). A tervezők számára sajnos nem jó, hogy a miniatűr és mikroméretű biztosítékokra vonatkozó UL/CSA 248 vagy IEC127 szabványok nem tartalmaznak vizsgálati eljárást vagy vizsgálati kritériumokat az I²t-re vonatkozóan. Az I²t szabványos ipari definíciója a következő:

10In-nél mért OLVADÁSI I²t, állandó egyenáram (DC) mellett, ahol In a biztosíték névleges árama.

A 10In-t venni alapul problémás lehet, és nem mindig kapjuk meg a pontos kiolvadási időt. Különösen érvényes a késleltetett biztosítékoknál az, hogy a névleges áram 10-szeresétől nagyobbra lehet szükség, hogy eredményként az I²t valódi értékét kapjuk meg. Mivel a különböző gyártók különbözőképpen kezelik ezt a problémát, a tervezőknek fontos tisztában lenni azzal, hogy az I²t megállapítására az adott gyártó milyen módszert használt. Ezen problémák részletesebb leírása Az I²t ismertetése című írásban olvasható.

Gyors és késletetett felületszerelt biztosítékok

Az autóipari navigációs rendszerek, lítium-ionos (Li-ion) akkumulátor-kezelő rendszerek (BMS-ek), LED-es fényszórók, autóipari Power over Ethernet (PoE), PoE+ és folyadékkristályos kijelzők (LCD-k) tervezői számára előnyös lehet a vastagréteg technológián alapuló, felületszerelt biztosítékok, például a 0685P sorozatú gyors működésű biztosítékok használata. A 0685P sorozat tagjai nagyfokú ellenállósággal rendelkeznek a bekapcsolási túláramokkal szemben. Ezek az AEC-Q200 szabványnak megfelelő és UL által jóváhagyott 1206-os méretű biztosítékok 2 A-tól 50 A-ig terjedő névleges áramerősségű és 50 V-os váltakozó áramú (AC) és 63 V-os egyenáramú (DC) névleges feszültségű változatokban kaphatók. A 0685P3000-01 típus névleges áramerőssége 6 A, és I²t értéke 1,3 A²s 10In-nél.

Azon tervezők számára, akiknek lomha kioldású biztosítékra van szükségük a Bel a C1T sorozatú 1206-os méretű felületszerelt biztosítékokat kínálja (1. ábra). Ezek 750 mA és 8 A közötti megszakítóképességű változatokban kaphatók, és 63 V váltakozó vagy egyenáramú feszültségen való használatra tervezettek. A 0685T6000-01 típus névleges áramerőssége 6,0 A, és I²t értéke 6,0 A²s 10In-nél. A C1T sorozatú lomha biztosítékok UL, CSA és CE jóváhagyással, valamint a miniatűr biztosítékokra vonatkozó IEC 60127 szerinti TUV tanúsítvánnyal rendelkeznek.

1. ábra: A felületszerelt biztosítékokat, mint például a késleltetett kioldású C1T sorozat tagjait számos olyan autóipari alkalmazásban használják, ahol a kompakt méretek fontosak. (Kép: Bel Fuse)

Polimer alapú PTC regenerálódó (PPTC) biztosítékok

PPTC biztosítékok használhatók azokban a kialakításokban, ahol a nagyon alacsony üzemi ellenállású és nagyon magas tartóáramú áramkörvédelmi eszközök jelenléte előnyös lehet. A PPTC-k különösen hasznosak lehetnek olyan alkalmazásokban, mint a motorok és motoráramkörök védelme a motoros ajtózárakban, tükrökben, ülésekben, napfénytetőkben és ablakokban, valamint a fűtési, szellőzési és légkondicionáló (HVAC) rendszerekben és az elektronikus vezérlőegység (ECU) I/O védelmében.

A Bel két termékcsaládot kínál PPTC-eszközökhöz. Mindkettő megfelel az AEC-Q szabványnak, TUV tanúsítvánnyal rendelkeznek az EN/IEC 60738-1-1 és EN/IEC 60730-1 szabványok szerint, valamint UL megfelelőséggel az UL1434 szerint:

• A radiális kivezetésekkel ellátott 0ZRS PPTC-k névleges áramerőssége 500 mA és 10 A közötti, 32 V_DC maximális feszültséggel, és tipikus névleges teljesítményük 0,9 és 7,0 W között van (2. ábra). A 0ZRS0100FF1E például 1,9 A kioldási árammal és 1,0 A tartóárammal rendelkezik, és 1,4 W névleges teljesítményű.
• A felületszerelt 0ZCG PPTC-k névleges áramerőssége 100 mA és 3 A közötti, 6 és 60 V DC közötti tipikus névleges maximális feszültséggel és 0,8 és 1,3 W közötti tipikus teljesítményértékkel. A családba tartozó 0ZCG0110BF2B biztosítékot 24 V egyenfeszültségre tervezték, tartóárama 1,1, kioldási árama 2,2 A és névleges teljesítménye 1 W.

2. ábra: Az OZRS radiális kivezetésű PPTC-ket 32 V egyenfeszültségre és 10 A erősségű áramokig tervezték. (Kép: Bel Fuse)

Bekapcsolási túláramoknak ellenálló biztosítékok

A 0680L sorozatú, négyszögletes, 2410-es méretű tokba szerelt, felületszerelt kerámia biztosítékok jól tűrik a bekapcsolási túláramokat (1. táblázat). Ezeket a lomha biztosítékokat olyan alkalmazásokhoz tervezték, amelyeknél nagy egyenáramú megszakítóképességű és nagy névleges DC feszültségű alkatrészekre van szükség. A biztosítékok névlegesen 125 V egyen- vagy váltakozó feszültségig, és 375 mA és 12 A közötti áramerősségekig használhatók. A 0680L biztosítékok megfelelnek az AEC-Q szabványnak.

1. táblázat: A 0680L sorozatú, felületszerelt lomha biztosítékok elektromos jellemzői. (Kép: Bel Fuse)

Ezeket a késleltetett kioldású biztosítékokat gyakran használják PoE, PoE+, tápegységek és akkumulátortöltő áramkörök védelmére. A 0680L3000-05 3 A névleges áramerősségű és 0,81 W névleges teljesítményű, 13 A²s I²t névleges értékkel 10In-nél.

Gyors működésű erősáramú biztosítékok elektromos járművekhez

A nagy teljesítményű akkumulátorok és az elektromos járművekben lévő áramátalakítók védelmére a tervezők az üvegbiztosítékokat és csavaros kivitelű gyors működésű biztosítékokat használhatják. Ezek a biztosítékok teljes mértékben megfelelnek a 2011/65/EU uniós irányelvnek és a 2015/863 módosító irányelvnek. Úgy tervezték őket, hogy megfeleljenek az UL 248-1, valamint a JASO D622 és az ISO8820-8 szabványok megbízhatósági követelményeinek. Tipikusan a következő alkalmazásokban használják őket:

• rendszerszintű főbiztosítékként;
• töltőállomásoknál;
• energiatárolásnál és akkucsomagoknál;
• energiaelosztó egységeknél;
• fedélzeti DC-DC átalakítóknál;
• kézifék motoroknál;
• klímakompresszor motoroknál;
• elektromos kormányrendszereknél.

Ezek akár 600 A áram elviselésére is képesek, 500 V és 1000 V DC közötti névleges feszültségértékekkel. A 0ADAC0600-BE egy jó példa a 600 mA és 600 V_DC vagy V_AC névleges feszültségű üvegbiztosítékokra, melynek névleges I²t értéke 0,073 A²s 10In-nél.

Késleltetett kioldású biztosítékok elektromos járművekhez

A 0697W sorozatú szubminiatűr, radiális kivezetésekkel rendelkező, késleltetett kioldású biztosítékok névleges feszültségei 350 V AC vagy 72 V DC, 1 A és 6 A közötti névleges áramerősségekkel, és megfelelnek az IEC 60127-3 szabványnak (3. ábra). Ezek a biztosítékok továbbá megfelelnek az AEC-Q minőségre vonatkozó és a Mil-Std 202G környezetvédelmi szabványoknak is.

3. ábra: A 0697W sorozat tagjai az AEC-Q szabványnak megfelelő, radiális kivezetésű, nagyfeszültségű, késleltetett kioldású biztosítékok. (Kép: Bel Fuse)

A 0697W-ket többek között ECU-knál, motoroknál, klíma- és szellőzésvezérlőknél, dugóknál és szivargyújtó-csatlakozós tartozékoknál, tápcsatlakozóknál és vezetékkötegeknél használják. A 0697W2000-02 például 2 A és 0,63 W névleges értékű, 30 A²s I²t-vel 10In-nél.

Közös módusú fojtótekercsek nagysebességű kommunikációhoz

Az Ethernet, CAN-busz, FlexRay vagy USB kommunikációs buszokat használó autóipari infotainment, multimédia és ADAS rendszerek tervezői a Signal Transformer AEC-Q200 tanúsítvánnyal rendelkező SPDL sorozatú, ultrakompakt közös módusú fojtótekercseihez fordulhatnak a differenciálmódusú zajok elnyomására (4. ábra). Ezek a kompakt, felületszerelt (SMD) fojtók négy metrikus méretben (2012, 3216, 3225 és 4532) és 26 különböző névleges értékű változatban kaphatók. Az SPDL sorozat névleges áramtartománya 150-400 mA, impedanciatartománya pedig 90-2200 Ω. Az SPDL3225-101-2P-T modell névleges értékei 150 mA és 2200 Ω, 100 µH induktivitással.

4. ábra: Az ultrakompakt SMD közös módusú fojtók SPDL sorozata Ethernet, CAN-busz, FlexRay vagy USB kommunikációs interfészekkel használhatók. (Kép: Signal Transformer)

Korszerűsítés Ethernetre

A gyorsabb adatátviteli sebesség és a könnyebb kábel miatt a tervezők a CAN-buszt egyre több eMobilitási alkalmazásban Ethernetre cserélik fel. A Bel Fuse MagJack nevű autóipari egycsatlakozós Ethernet kompatibilis integrált csatlakozómoduljai (integrated connector module, ICM) a csatlakozók házába integráltan tartalmazzák a mágneses szűrőelemeket, ezekkel együtt biztosítva az Ethernetes csatlakozást. Ennek eredménye egy kompaktabb megoldás, ami leegyszerűsíti a meglévő CAN-buszrendszereknek Ethernet-kompatibilis kommunikációra és kábelezésre történő korszerűsítését (5. ábra). A MagJack Ethernet ICM-ek maximális üzemi hőmérséklete 100°C, és megfelelnek az SAE/USCAR2-6 szabványnak. Ezek az ICM-ek a Broadcom, az Intel és a Marvell által elfogadottak, a szabványos autóipari típusjelölésű adó-vevőegységekkel kompatibilisek, ami tovább egyszerűsíti az Ethernetre való átállást.

5. ábra: A MagJack autóipari Ethernetes egycsatlakozós ICM-ek integrált formában tartalmazzák a mágneses elemeket, hogy megfeleljenek a kompakt megoldások iránti igényeknek. (Kép: Bel Fuse)

Ilyen például az A829-1J1T-KM autóipari Ethernet ICM, amely megfelel az IEEE 802.3 10/100Base-T szabvány összes elektromos követelményének.

Energiaátalakítási igények kielégítése hibrid és teljesen elektromos járműveknél

Az eMobilitási tervezési igények kiszolgálásához a Bel Power Solutions kínálatában az áramátalakítási lehetőségek teljes skálája megtalálható, beleértve az egy- és kétirányú DC-DC átalakítókat, a fedélzeti töltőket, a kiegészítő invertereket, és az olyan inverteres töltőrendszereket, amelyek integrált formában egy kétirányú inverteres töltőt és két DC-DC feszültségcsökkentő átalakítót tartalmaznak. A 22 kW-os BCL25-700-8 például egy folyadékhűtéses, fedélzeti akkumulátortöltő a közepes és nehéz igénybevételre tervezett hibridek és teljesen elektromos autók számára, közúti és terepen történő használatra (6. ábra). A BCL25-700-8 funkciói és műszaki jellemzői a következők:

• egyfázisú (190-264 V AC) vagy háromfázisú (330-528 V AC) bemenet;
• váltakozó áramú villamosenergia hálózathoz vagy elektromos járműtöltő állomáshoz (EVSE) (EV Std. IEC 61851-1) csatlakoztatható;
• 60 A állandó kimeneti áram, 250 és 800 V DC közötti feszültségtartományban;
• lehetőség akár négy egység párhuzamos kapcsolására;
• IP67 és IP6K9K védettség;
• rendelkezik IEC 61851-21-1 és ECE R10.6 tanúsítványokkal;
• SAE J1772-nek megfelel és rendelkezik SAE J1939 kompatibilis CAN busz kommunikációs interfésszel;
• aktív HVDC-reteszelés felügyelet;
• -40 és 60°C közötti üzemi hőmérséklet teljes terhelés mellett;
• hőmérséklet túllépése, túláram és kimeneti túlfeszültség elleni védelem.

6. ábra: A BCL25-700-8 egy 22 kW-os, hibridek és teljesen elektromos járművek számára készült fedélzeti, folyadékhűtéses, akkumulátortöltő, amelyeket közepes és nehéz igénybevételre, közúti és terepi alkalmazásokhoz szánnak. (Kép: Bel Fuse)

Összegzés

Sokféle áramkörvédelmi, kommunikációs és áramátalakítási megoldásra lesz szükség az információs hálózathoz kapcsolódó, elektromos és egyre inkább automatizált járművek következő generációjára vonatkozó biztonsági és fenntarthatósági követelményeknek való megfeleléshez. Amint azt bemutattuk, a tervezők számára sok különböző megoldás könnyen elérhető, az autóipari minősítésű áramkörvédelmi eszközöktől kezdve, az AEC-Q200 szabványnak megfelelő EMI-t csillapító fojtásokon át, a SAE/USCAR2-6 szabványnak megfelelő, teljesen árnyékolt RJ45 Ethernet-csatlakozókig és az IP67 védettségű áramátalakítókig. Ezek segíthetnek a hibrid és teljesen elektromos autók tervezői számára a számos jelenlegi probléma megoldásában és az autonóm járművek fejlődését követve a jövőbeli tervezési kihívásoknak való megfelelésben is.

Ajánlott olvasnivaló

1. A holnap járművei még több technológiát fognak tartalmazni