A villanyjárművek és villanyjármű-kiszolgáló berendezések védelmének, kisegítő áramellátásának és csatlakozásainak megvalósítása

A villanyjárművek (EV, electric vehicle) egyre fontosabb szerepet játszanak az üvegházhatású gázok (GHG, greenhouse gas) kibocsátásának csökkentésében, segítve ezzel az éghajlatváltozással kapcsolatos aggályok kezelését. A villanyjárművek és a villanyjármű-kiszolgáló berendezések (EVSE, electric vehicle supply equipment), például az akkumulátortöltők sikeres megtervezése és bevezetése azonban számos műszaki feladat megoldását igényli a tervezőktől. Ezek közé tartozik a túlfeszültség- és túláramvédelem, az elektromágneses zavarás (EMI) elnyomása, a tág bemenőfeszültség- és üzemihőmérséklet-tartományú tápegységek tervezése, valamint a tömegcsökkentés iránti folyamatos igény a villanyjárművek hatótávolságának növelése érdekében.

Például egy villanyjármű-kiszolgáló rendszerben lévő akkumulátorfigyelő rendszernek (BMS, battery management system) és vezérlőcsatlakozónak olyan egyenirányítós kisegítő tápegységekre van szüksége, amelyek képesek 85 V és 305 V közötti váltakozó (V_AC) bemenőfeszültség-tartományban és –40 °C – +85 °C hőmérséklet-tartományban működni. A tömegcsökkentés érdekében a tervezőknek fontolóra kell venniük, hogy az elismerésre méltó és jól bevált CAN sínről áttérjenek a nagyobb sávszélességet könnyebb kábelekkel támogató gépjárműipari Ethernetre.

Ez a cikk rövid áttekintést nyújt a villanyjárműtöltők alapvető szintjeiről. Ezután tárgyalja az egyes típusok eltérő igényeit az egyenirányítós kisegítő tápegységekkel (kisegítő áramellátással) kapcsolatban, túlfeszültség- és túláramvédelmi lehetőségeket ismertet, és megvizsgálja, hogyan lehet megvalósítani az Ethernet-kapcsolatot, és a nagy sebességű jelek torzításának elkerülése érdekében hogyan lehet elnyomni az elektromágneses zavarást. A különböző tervezési problémák megoldásának szemléltetésére olyan szolgáltatók való életből vett megoldásait fogjuk bemutatni, mint a Bel Fuse, a Signal Transformer, a Stewart Connector és a CUI.

A villanyjárművekkel és a villanyjármű-kiszolgáló berendezésekkel szemben támasztott töltési követelmények ismertetése

A villanyjárművek széles körű elterjedéséhez kulcsfontosságú lesz, hogy nagy számban építsenek ki villanyjármű-kiszolgáló berendezéseket, köztük akkumulátortöltőket és töltőoszlopokat. Megjegyzendő, hogy a villanyjármű-akkumulátortöltők a villanyjárművek belső töltői, míg a töltőoszlopok külső töltőállomások. A SAE J1772, a villanyjármű-csatlakozók észak-amerikai szabványa négy villanyjárműtöltési szintet határoz meg:

• Az 1. váltakozó áramú szint 120 V váltakozó feszültséget (V_AC) használ 16 A áramerősségig vagy 1,9 kW teljesítményig. A 2. váltakozó áramú szint 208–240 V váltakozó feszültséget használ 80 A áramerősségig vagy 19,2 kW teljesítményig.
• Az 1. egyenáramú szint maximum 1000 V egyenfeszültséget (V_DC) használ 80 A áramerősségig vagy 80 kW teljesítményig.
• Az 2. egyenáramú szint maximum 1000 V egyenfeszültséget (V_DC) használ 400 A áramerősségig vagy 400 kW teljesítményig.

Bár az SAE külön határozza meg a két egyenáramú szintet, ezeket gyakran összevonják, és 3. szintnek vagy egyenáramú gyorstöltésnek nevezik őket. A különböző bemenőfeszültségek és teljesítményszintek mellett a váltakozó áramú töltőoszlopok esetén külön fedélzeti töltőre (OBC, onboard charger) van szükség a járműben a váltakozó áramról egyenáramra alakítás és az akkumulátorfigyelő funkciók kezeléséhez, amelyek elengedhetetlenek az akkumulátorcsomag biztonságos és hatékony töltéséhez. Az egyenáramú gyorstöltés esetében nincs szükség fedélzeti töltőre, az áramátalakítást és az akkumulátorfigyelő funkciókat a töltőoszlop végzi. A töltés minden szintje magában foglalja a jármű és a töltőoszlop közötti kommunikációt (visszajelzéseket) (1. ábra).

1. ábra: A villanyjárműtöltés jellemzően három szintre van osztva. A 3. szint (alul) egyesíti a SAE J1772 szabványban meghatározott két egyenáramú töltési szintet (kép: CUI)

Kisegítő áramellátás iránti igény

A SAE J1772 szabvány előírásai szerint a töltőoszlop általános működésének és a visszajelző funkcióknak a támogatásához kisegítő áramellátásra van szükség, amikor a töltőoszlop vezérlőegységét összekapcsolják a jármű vezérlőegységével. A jelprotokollt úgy tervezték, hogy hatékony és biztonságos töltést tegyen lehetővé, folyamatos kétirányú kapcsolatot használva a töltőoszlop és a jármű között.

Az alapvető áramellátási követelmény olyan egyenirányítós tápegységet igényel, amely 12 V egyenfeszültséget szolgáltat a visszajelzésekhez, és –40 °C – +85 °C közötti az üzemi hőmérséklet-tartománya. A teljes megoldások esetében elektromágneses összeférhetőségi (EMC, electromagnetic compatibility) és védelmi áramkörökre is szükség van, és ezekhez általában külön egyenáram-átalakító tartozik, amely kisebb feszültséget szolgáltat más alkatrészek számára, például 3,3 V-ot a mikrovezérlő egység (MCU, microcontroller unit) táplálására.

A pontos energiaigény a töltőoszlop kialakításától függ. Az 1. szintű töltő például egyszerű kialakítású és minimális energiaigényű, a hozzá szükséges kisegítő áramellátás egy nyomtatott áramköri kártyára szerelt miniatűr, 5 W-os egyenirányítós tápegységgel is megoldható. A 2. szintű töltőoszlopok bonyolultabbak, és körülbelül 50 W teljesítményű kisegítő áramellátásra van szükségük. Mindkettő egyfázisú váltakozó áramú bemenetről működik, de eltérő bemenőfeszültség-igénnyel: ez az 1. szint esetében 120 V, míg a 2. szint esetében 208–240 V váltakozó feszültség.

A dolgok a 3. szintű töltőoszlopok esetében jelentősen különböznek. A töltőoszlopban lévő töltőáramkörök háromfázisú, gyakran 480 V-os váltakozó feszültségről működnek. A kisegítő tápegység egyfázisú tápfeszültséget kap, és széles bemenőfeszültség-tartományra van szüksége, például 85 V és 305 V  váltakozó feszültség közöttire. A kimenőteljesítmény is nagyobb, gyakran 150 W vagy több, ami a funkciók szélesebb körét teszi lehetővé, beleértve egyéb szolgáltatásokat, például a fizetési funkciókat, a kijelzőt és az akkumulátorfigyelést. Lehet egyetlen kimenete, például 24 V egyenfeszültség a teljes rendszer áramellátásához. A rendszerben található jó néhány elosztott egyenáram-átalakító a visszajelzésekhez szükséges 12 V biztosítására, egy külön 12 V-os sín áramellátására az akkumulátorfigyeléshez, valamint a mikrovezérlők és más alkatrészek számára szükséges 3,3 V  egyenfeszültség szolgáltatására. Az elektromágneses összeférhetőség és a szabványos áramkörvédelmi funkciók mellett ezeknek az áramellátási megoldásoknak a bekapcsoláskor teljesítménytényező-javításra (PFC, power factor correction) és a nagy indítóáramok elleni védelemre is szükségük van.

Kisegítő tápegységek

Jó hír a tervezők számára, hogy nem a semmiből kell kisegítő tápegységeket építeniük. Ehelyett a Bel Fuse cég CUI részlege már kész megoldásokat kínál minden típusú villanyjármű-töltőoszlophoz. Például a PBO sorozat 3, 5, 8 és 10 W-os, nyomtatott áramköri kártyára szerelhető egyenirányítós tápegységei alkalmasak az 1. szintű töltőkhöz. A PBO-5C-12 típus 5 W-ot szolgáltat 12 V kimenő egyenfeszültséggel, 85 V és 305 V közötti bemenő váltakozófeszültség-tartományról működve, –40 °C és +85 °C közötti üzemi hőmérséklet-tartománnyal.

A 2. szintű töltőoszlopok nagyobb teljesítményű kisegítő áramellátást igényelnek, és használhatják a PSK sorozatú egyenirányítós tápegységeket, például a zárt házú 10 W-os PSK-10D-12-t, amely 12 V  egyenfeszültség mellett 830 mA-t szolgáltat. Ez a tápegység a PBO-5C-12-vel azonos bemenőfeszültség-tartományban és üzemi hőmérsékleten működik. Mind a PBO, mind a PSK sorozat el van látva túláram- és rövidzárvédelemmel, valamint a PSK sorozat túlfeszültség-védelemmel is kiegészül.

A CUI 3. szintű töltőoszlopokhoz való, VGS sorozatú egyenirányítós tápegységei akár 350 W-ot is képesek leadni. Ezek a tápegységek rövidzárlat-, túláram- és túlfeszültség-védelemmel és túlmelegedés elleni védelemmel, valamint indítási áramkorlátozással és aktív teljesítménytényező-javítással is el vannak látva. Megfelelnek a CISPR/EN55032 B osztály sugárzott/vezetett jelkibocsátásra vonatkozó előírásainak és az IEC 61000-3-2 A osztály szerinti felharmonikuskorlátozásoknak. Egy példaként bemutatható típus a VGS-100W-24. Ez 108 W teljesítményt ad le 24 V kimenő egyenfeszültséggel és 89,5%-os jellemző hatásfokkal (2. ábra).

2. ábra: A VGS (balra), a PSK (középen) és a PBO (jobbra) egyenirányítós tápegységek (nem méretarányos) a 3., a 2. és az 1. szintű villanyjármű-töltőoszlopokhoz használhatóak (kép: Jeff Shepard)

Túláramvédelem

A nagyfeszültségű sínek túláramvédelméhez a Bel Fuse 240, 500 és 1000 V-os névleges feszültségű, gyors működésű és strapabíró kerámiabiztosítékokat kínál. Ezeket a villanyjárművek fő akkumulátorcsomagjaiban, a csatlakozódobozokban, a töltőoszlopokban és a kapcsolódó eszközökben való használatra tervezték, és megfelelnek a közúti járművek biztosítékaira vonatkozó JASO D622/ISO 8820-8 szabvány követelményeinek. A 0ALEB9100-PD típusú hengeres, csavarral rögzíthető kerámiabiztosíték 10 A-re és 500 V-ra van méretezve (3. ábra).

3. ábra: A csavarral rögzíthető 0ALEB9100-PD kerámiabiztosíték 10 A-re és 500 V-ra van méretezve, és különféle villanyjárművekhez kapcsolódó felhasználási területeken való használatra tervezték (kép: Bel Fuse)

Túlmelegedés elleni védelem

A túlmelegedés elleni védelem a villanyjármű-töltőoszlopok és az akkumulátorok esetében is fontos. Ezekre a felhasználási területekre a Bel Fuse a 0ZT sorozatú, magas hőmérsékletű visszaállítható biztosítékokat kínálja. Ezek a pozitív hőmérsékleti együtthatójú (PTC, positive temperature coefficient) eszközök nagy üzemi hőmérséklet-tartományban (–40 °C és +125 °C között) használhatók, és biztosítják a túlmelegedés elleni hatékony védelemhez szükséges kioldó- és tartóáramot. A 0ZTH0020FF2E például 30 V-ra van méretezve, 500 mA kioldóárammal és 200 mA tartóárammal (4. ábra). A 0ZT sorozat többi pozitív hőmérsékleti együtthatójú eszközéhez hasonlóan ez is kiválóan alkalmas magas hőmérsékletű környezetben való működésre.

4. ábra: A 0ZTH0020FF2E magas hőmérsékletű visszaállítható biztosíték a túlmelegedés elleni védelemre szolgáló pozitív hőmérsékleti együtthatójú (PTC) eszközök 0ZT sorozatának tagja, és alkalmas a villanyjármű-töltőoszlopokban és akkumulátorfigyelő rendszerekben való használatra (kép: Bel Fuse)

Csatlakozások és jelépség

A kisegítő áramellátás és a védelmi funkciók mellett a villanyjármű-töltőoszlopok nagy sebességű kapcsolatot és nagyfokú jelépséget igényelnek a megbízható működéshez. Ezeket a követelményeket az IEEE 802.3ch szabványon alapuló, akár 10 Gb/s (gigabit/másodperc) adatátviteli sebességű gépjárműipari Ethernet könnyedén teljesíti. A gépjárműipari Ethernet gyorsan felváltja az 1 Mb/s (megabit/másodperc) adatátviteli sebességű hagyományos CAN síneket. Ez részben a gépjárműipari Ethernet nagy adatátviteli sebességének köszönhető, de részben annak is, hogy az adatokat egy árnyékolatlan, egyetlen sodrott érpárt tartalmazó kábelen keresztül továbbítja, amelyet kis tömegűre és minimális költségűre terveztek.

Az Ethernet használata az IEEE 802.3dh szabvány 2024-re tervezett megjelenésével várhatóan még inkább tért hódít majd. Ez a szabvány több gigabites gépjárműipari Ethernetet kínál műanyag optikai szálon (POF, plastic optical fiber) keresztül. A műanyag optikai szál néhány előnye a gépjárműipari felhasználási területeken a nagy rugalmas nyúláshatár, a nagy szakítószilárdság és a nagy rugalmasság, ami jó választássá teszi a sodrott érpárú Ethernet-kábelek helyettesítésére.

Eközben a Bel Fuse cég Stewart Connector részlege a mai gépjárműipari tervezéshez kínál gépjárműipari minőségű, modulrendszerű RJ45 Ethernet-csatlakozókat, amelyek a rezgésállósági és tömítettségi követelmények tekintetében megfelelnek az SAE/USCAR2-6 szabványnak. Ezek a csatlakozók derékszögben és függőlegesen szerelhető kivitelben, többféle LED-kialakítással és –40 °C – +100 °C közötti üzemi hőmérséklet-tartománnyal kaphatóak.

Ezek a csatlakozók akár 100 W teljesítményű ethernetes áramellátást (PoE, power-over-Ethernet) is képesek kezelni. Mivel a PoE-csatlakozók ezen elrendezése gyakran jelent gondot az áthallás és a visszaverődési csillapítás tekintetében, az érintkezők kialakítását nagyfrekvenciás felhasználásra és nagy teljesítményre optimalizálták. Emellett a helyigényük is kicsi.

A Stewart RJ45 LED-et nem tartalmazó változatai, például az SS-60300-011, forraszthatóak infravörös újraolvasztásos lágyforrasztással, és a termékcsalád összes tagjának érintkezői szelektív bevonatkészítés útján 50 mikrohüvelyk (1,27 ezredmilliméter) vastag aranyréteggel vannak bevonva a jobb teljesítmény érdekében. Az SS-60300-011 csatlakozó vízszintes tájolású (5. ábra).

5. ábra: Az SS-60300-011 egy kis méretű, vízszintes tájolású Ethernet-csatlakozó, amely lehetővé teszi gépjárműipari felhasználási területeken az ethernetes áramellátást (kép: Stewart Connector)

A jelépség biztosításához a Bel Fuse cég Signal Transformer részlege az SPDL sorozatú felületszerelt közös módusú fojtótekercseket kínálja a különbségi (vagy más néven normál) módusú elektromágneses zajok elnyomására. Ez a fojtótekercs az Etherneten és más nagy sebességű illesztőfelületeken gyakorlatilag jeltorzítás nélkül szűri a jeleket. Ezek a közös módusú fojtótekercsek 6,5 A-ig használhatók, 90 Ω és 2200 Ω közötti ellenállással, és –40 °C – +125 °C közötti az üzemi hőmérséklet-tartományuk. Az SPDL3225-101-2P-T típus névleges értékei például 5100 Ω (jellemző), 50 V és 150 mA (6. ábra).

6. ábra: Az SPDL3225-101-2P-T felületszerelt közös módusú fojtótekercs minimális jeltorzítással tartja kordában az elektromágneses zajokat (kép: Signal Transformer)

Összegzés

A villanyjármű-kiszolgáló rendszerek, például villanyjármű-töltőoszlopok kiépítése fontos a villanyjármű-használat jelentős növeléséhez és az üvegházhatású gázok ezzel járó kisebb mértékű kibocsátásának támogatásához. Többféle típusú villanyjármű-töltőoszlopra van szükség, amelyek lehetővé teszik mind a lassú váltakozó áramú töltést, mind az egyenáramú gyorstöltést. A villanyjárművek és villanyjármű-kiszolgáló berendezések sikeres tervezéséhez és biztonságos kiépítéséhez a tervezők kihasználhatják a készen kapható, kimondottan áramátalakításra és áramellátásra, áramkörvédelemre és az elektromágneses zavarás csökkentésére készült rendszerek és eszközök előnyeit.

Ajánlott olvasnivaló

1. Use CCS Connectors to Simplify the Implementation of Safe EV Fast Charging Systems (CCS-csatlakozók használata a biztonságos villanyjármű-gyorstöltő rendszerek megvalósításának egyszerűsítésére)
2. How to Select and Apply Capacitors to Ensure Efficient, Reliable, and Sustainable EV Chargers (Kondenzátorok kiválasztása és használata jó hatásfokú, megbízható és a fenntarthatóságot segítő villanyjárműtöltő berendezésekhez)
3. Use Bidirectional Power Converters and PFC to Improve HEV, BEV, and Electric Grid Efficiency (A hibrid gépkocsik (HEV), akkumulátoros villanyjárművek (BEV) és a villamos hálózat hatásfokának javítása kétirányú áramátalakítókkal és teljesítménytényező-javítással)
4. How Are Electric Vehicle Battery Packs Manufactured? (Hogyan készülnek a villanyjárművek akkumulátorcsomagjai?)