Hur man säkerställer kretsskydd, höghastighetsdata och kraftomvandling i plattformar för elektriska transporter

Behovet av ett tillförlitligt kretsskydd, höghastighetskommunikation och kompakta lösningar för kraftomvandling i system för elektriska transporter ökar för en mängd olika plattformar, bland annat hybrid- och elbilar, bussar, medelstora och tunga fordon på och utanför vägen samt marina plattformar. Trenderna drivs av den ökande tonvikten på hållbarhet och säkerhet när transportbranschen övergår till mer autonom styrning samt el- och hybridfordon. Detta medför att nya fordonssystem uppstår som successivt blir mer beroende av en säker och hållbar fordonsdrift.

För att garantera säkerhet och tillförlitlighet behöver konstruktörer av uppkopplade, elektriska och automatiserade fordon ett brett utbud av kretsskydd, samt lösningar för kommunikation och kraftomvandling som är utformade för tillförlitlig drift i krävande miljöer och är certifierade för AEC-Q200, SAE, USCAR och andra prestandastandarder.

Artikeln granskar i korthet några av de specifikationer för kretsskyddsanordningar som konstruktörer behöver ta hänsyn till. Därefter presenteras specifika lösningar för kretsskydd, anslutningsmöjligheter och kraftomvandling från Bel Fuse och användningen av dessa produkter i system för elektriska transporter undersöks.

Komponenter och standarder för skydd av elektriska fordon

För att klara utmaningarna kring elektriska fordon, kan konstruktörer använda sig av en mängd lösningar för kretsskydd, höghastighetskommunikation och kraftomvandling som är godkända och certifierade för fordon, inklusive:

• Säkringar för användning i bilar såsom finsäkringar, kretskortsmonterade säkringar (för genomgående hål eller ytmonterade) och säkringar med utstickande bulthål som är optimerade för kraftsystem och delsystem, samt säkringar för extra tillämpningar och tillbehör, som exempelvis förarassisterande radarsystem, pumpmotorer för bromsar, bärbara laddare, batterisystem, infotainment, kameror, programmerbar belysning och servostyrning. Vissa tillämpningar kräver dessutom avsäkring med en återställningsbar polymerisk säkring med positiv temperaturkoefficient (PPTC) som tål höga strömrusningar, reagerar snabbt och utlöses sakta.
• Filterdrosslar för elektromagnetiska störningar (EMI) som uppfyller AEC-Q200 används för att filtrera bort störningar och skydda datasignaler i hög hastighet i de många delsystem med givare som ingår i ADAS- och navigationssystem, multimediasystem, fordon-till-allting-kluster (V2X) och antenner, samt för att dämpa differentiella störningar på Ethernet, CAN- (Controller Area Network), FlexRay- och USB-bussar (Universal Serial Bus) i fordon
• Helt skärmade RJ45-kontakter som uppfyller Society of Automotive Engineers (SAE) USCAR2-6 "Performance Specification for Automotive Electrical Connector System - Revision 6", och gör det möjligt för konstruktörer att ersätta CAN-bussar med snabbare och lättare Ethernet i fordon för att stödja de ökande behoven av datorer i fordon för en mängd ADAS-system, som t.ex. Kameror för förarassistans och radarbaserade system för förarassistans, samt telematik, medieomvandlare och gateways.
• IP67-klassificerade kraftomvandlare, inklusive fordonsgodkända batteriladdare för el- och hybridfordon som finns i konvektions- eller vätskekylda utföranden med galvanisk isolering.

Val av anordningar för kretsskydd

Vid val av en lämplig anordning för kretsskydd, är en tydlig förståelse för dess driftsegenskaper viktigt när man specificerar system för elektriska transporter. Några grundläggande specifikationer är:

• Märkspänning: den högsta tillåtna spänningen för säker drift
• Märkström: den ström i ampere (A) som säkringen ska tåla vid normala driftsförhållanden
• Brytarkapacitet (även kallat brytvärde eller kortslutningsvärde): den maximala ström som säkringen kan bryta vid sin märkspänning utan att skadas. Brytarkapaciteten måste uppfylla eller överstiga den maximala felström som förväntas för kretsen
• Tid-strömkurvor: definierar om säkringen är snabb eller långsam (även kallad fördröjd). Snabba säkringar används när hastigheten på skyddet är viktig, långsamma säkringar används i tillämpningar som kan utsättas för en kortvarig strömspik eller överbelastning

I²t: En specifikation utan en teststandard

En specifikation som förtjänar särskild uppmärksamhet är den nominella smältgränsen, I²t (uttalas "I upphöjt till T"). Den är ett mått på den energi som krävs för att smälta säkringselementet, en viktig egenskap för säkringar i alla tillämpningar. I²t uttrycks som "ampere per kvadratsekund" (A²sek). Oturligt nog för konstruktörerna innehåller varken standarden UL/CSA 248 eller IEC127 för miniatyr- och mikrosäkringar något testförfarande eller några testkriterier för I²t. Branschens standarddefinition för I²t är:

SMÄLTNING I²t uppmätt vid 10In, med konstant likström (DC), där ln är säkringens märkström.

Användningen av 10In kan vara problematiskt och resulterar inte alltid i korrekta brytningstider. I synnerhet, långsamma säkringar kan kräva en högre multiplikator än 10 gånger den nominella märkströmmen för att få fram det sanna värdet för I²t. Eftersom olika tillverkare hanterar detta dilemma på olika sätt är det viktigt att konstruktörerna har en tydlig förståelse för den metod som används för att komma fram till I²t-värdena för specifika säkringar. En mer detaljerad diskussion om dessa utmaningar finns här: En förklaring av I²t .

Snabba och långsamma ytmonterade kretssäkringar

Konstruktörer av navigationssystem, batterihanteringssystem för litiumjonbatterier, LED-strålkastare, Power over Ethernet (PoE), PoE+ och LCD-skärmar i fordon kan dra nytta av att använda ytmonterade kretssäkringar baserade på tjockfilmsteknik, som exempelvis serien 0685P med snabba säkringar. Serien 0685P har hög tålighet mot strömrusningar. Säkringarna i storlek 1206 som uppfyller AEC-Q200 och UL finns i märkströmmar från 2 till 50 A och märkspänningar på 50 V AC och 63 V DC. Modellen 0685P3000-01 är dimensionerad för 6 A med ett I²t-värde på 1,3 A²sek. vid 10In.

För konstruktörer som behöver en långsam säkring erbjuder Bel serien C1T med ytmonterade kretsssäkringar i storlek 1206 (figur 1). De finns med strömkapaciteter från 750 mA till 8 A och är dimensionerade för 63 V AC eller DC. Modellen 0685T6000-01 är dimensionerad för 6 A med ett I²t-värde på 6 A²sek. vid 10In. De långsamma säkringarna i serien C1T är UL-, CSA- och CE-godkända och har TUV-certifiering enligt IEC 60127 för miniatyrsäkringar.

Figur 1: Ytmonterade kretssäkringar som den långsamma C1T-serien används i en mängd olika fordonstillämpningar där ett kompakt format är viktigt. (Bildkälla: Bel Fuse)

Återställningsbara PPTC-enheter

Konstruktioner som kan dra nytta av ett återställningsbart kretsskydd med mycket lågt driftsmotstånd och väldigt hög hållström kan använda PPTC-enheter. PPTC:er kan vara särskilt användbara i tillämpningar som t.ex. skydd av motorer och motorkretsar i elektriska dörrlås, speglar, säten, soltak och fönster, samt i värme-, ventilations- och luftkonditioneringssystem (HV_AC) och för skydd av in- och utgångar i elektroniska styrenheter (ECU).

Bel har två familjer med PPTC-enheter. Båda uppfyller AEC-Q, och är TUV-certifierade enligt EN/IEC 60738-1-1-1 och EN/IEC 60730-1 samt UL-godkända enligt UL1434:

• 0ZRS radiellt anslutna PPTC:er har en märkström på 500 mA till 10 A med en maximal spänning på 32 V_DC och en typisk effekt på 0,9 till 7 W (figur 2). 0ZRS0100FF1E har exempelvis en brytström på 1,9 A, en hållström på 1 A och är dimensionerad för 1,4 W.
• De ytmonterade PPTC:erna från 0ZCG är dimensionerade för 100 mA till 3 A med maximala spänningar från 6 till 60 V DC och en typisk effekt på 0,8 till 1,3 W. Enheten 0ZCG0110BF2B i denna familj är dimensionerad för 24 V DC och har en hållström på 1,1 A, en brytström på 2,2 A och en effekt på 1 W.

Figur 2: OZRS radiellt anslutna PPTC:er är dimensionerade för 32 V DC och upp till 10 A. (Bildkälla: Bel Fuse)

Säkringen tål strömrusningar

Serien 0680L med fyrkantiga keramiska ytmonterade säkringar i 2410-kapsling tål höga strömrusningar (tabell 1). Dessa långsamma säkringar är utformade för tillämpningar som kräver höga DC-avbrottsvärden och höga DC-spänningsvärden. De är dimensionerade för upp till 125 V DC eller AC och har märkströmmar på 375 mA till 12 A. Säkringarna 0680L uppfyller AEC-Q.

Tabell 1: Elektriska egenskaper hos 0680L-seriens ytmonterade långsamma säkringar. (Bildkälla: Bel Fuse)

Dessa långsamma säkringar används ofta för skydd av PoE-, PoE+-, strömförsörjnings- och batteriladdningskretsar. 0680L3000-05 är dimensionerad för 3 A och 0,81 W med en I²t-klassning på 13 A²sek. vid 10In.

Snabbverkande säkringar för kraft i elfordon

Konstruktörer kan använda sig av snabba finsäkringar eller säkringar med utstickande bulthål för att skydda batterier med hög effekt och kraftomvandlare för elfordon. Säkringarna uppfyller EU-direktivet 2011/65/EU och ändringsdirektivet 2015/863. De är utformade för att uppfylla UL 248-1 samt tillförlitlighetskraven i JASO D622 och ISO8820-8. Typiska tillämpningar är:

• Säkring för huvudsystemet
• Laddstationer
• Energilagring och batteripaket
• Kraftfördelningsenheter
• Inbyggda DC-DC-omvandlare
• Pumpmotorer för bromsar
• Kompressormotorer för luftkonditionering
• Elektriska styrsystem

De kan hantera strömmar på upp till 600 A och har spänningsvärden från 500 till 1 000 V DC. 0ADAC0600-BE är ett bra exempel på en finsäkring som är märkt för 600 mA och 600 V_DC eller V_AC, med ett I²t-värde på 0,073 A²sek. vid 10In.

Säkringar med tidsfördröjning för elfordon

Serien 0697W med subminiatursäkringar, radiell anslutning och tidsfördröjning har en kapacitet på 350 V AC eller 72 V DC, en märkström på 1 till 6 A och uppfyller IEC 60127-3 (figur 3). Säkringarna uppfyller kvalitetsstandarden AEC-Q och miljöstandarden Mil-Std 202G.

Figur 3: Den tidsfördröjda säkringsserien 0697W uppfyller AEC-Q, har radiella anslutningar och tål hög spänning. (Bildkälla: Bel Fuse)

Tillämpningar för 0697W-enheterna är bl.a. elektroniska styrenheter, motorer, klimat- och ventilationsstyrning, kontakter och cigarettändartillbehör, eluttag och kabelstammar. 0697W2000-02 är exempelvis dimensionerad för 2 A och 0,63 W med ett I²t-värde på 30 A²sek. vid 10In.

Drosslar för höghastighetskommunikation

Konstruktörer av infotainment-, multimedia- och ADAS-system för bilar som använder en Ethernet-, CAN-, FlexRay- eller USB-kommunikationsbuss kan använda sig av serien SPDL från Signal Transformers som är AEC-Q200-certifierade extremt kompakta drosslar för att dämpa differentiella störningar (figur 4). Dessa kompakta ytmonterade drosslar finns i fyra metriska storlekar, 2012, 3216, 3225 och 4532 med 26 olika komponentvärden. SPDL-serien har ett märkströmsområde från 150 till 400 mA och ett impedansområde från 90 till 2200 Ω. Modellen SPDL3225-101-2P-T är dimensionerad för 150 mA och 2200 Ω med en induktans på 100 µH.

Figur 4: SPDL-serien med extremt kompakta ytmonterade drosslar kan användas för kommunikationsgränssnitt som Ethernet, CAN, FlexRay och USB. (Bildkälla: Signal Transformer)

Uppgradera till Ethernet

Tack vare dess högre datahastighet och den lättare kabeln, kan konstruktörer ersätta CAN-bussen med Ethernet i ett växande antal tillämpningar inom elektriska transporter. De integrerade kontaktmodulerna MagJack med en port för Ethernet i fordon från Bel Fuse har en magnetisk Ethernet-lösning integrerad i anslutningsdonet. Detta ger en mer kompakt lösning och förenklar uppgiften att uppgradera befintliga CAN-bussystem med Ethernet-signaler och kabeltyper (figur 5). Ethernet-kontaktmodulerna MagJack arbetar i upp till 100 °C och uppfyller SAE/USCAR2-6. Kontaktmodulerna är godkända av Broadcom, Intel och Marvell och är kompatibla med transceivrar av standard fordonskvalitet, vilket förenklar övergången till Ethernet ytterligare.

Figur 5: De integrerade Ethernet-kontaktmodulerna med en port, har inbyggda magneter för att tillgodose behovet av kompakta lösningar. (Bildkälla: Bel Fuse)

Ett exempel är den integrerade Ethernet-kontaktmodulen A829-1J1T-KM för fordon som uppfyller alla elektriska krav i IEEE 802.3 10/100Base-T.

Kraftomvandling i el- och hybridbilar

Bel Power Solutions erbjuder konstruktörer ett komplett utbud av kraftomvandlingsalternativ för elektriska transporter, inklusive DC-DC-omvandlare, dubbelriktade DC-DC-omvandlare, inbyggda laddare, externa växelriktare och laddningssystem med växelriktare som integrerar en dubbelriktad laddare med växelriktare och två DC-DC-omvandlare. BCL25-700-8 på 22 kilowatt (kW) är ett exempel på en vätskekyld, inbyggd batteriladdare för hybrid- och elfordon på medelstora och tunga plattformar för användning på och utanför vägar (figur 6). Funktioner och specifikationer för BCL25-700-8 inkluderar:

• Enfas (190 till 264 V AC) eller trefas (330 till 528 V AC) inspänning
• Kan anslutas till nätspänning eller en laddningsstation för elfordon (EVSE) (EV Std. IEC 61851-1)
• Konstant utgångsström på 60 A i ett spänningsområde från 250 till 800 V DC
• Upp till fyra enheter kan placeras parallellt
• Uppfyller IP67 och IP6K9K
• Certifieringar enligt IEC 61851-21-1 och ECE R10.6
• Uppfyller SAE J1772 och CAN-gränssnittet SAE J1939
• Aktiv övervakning av DC-kopplingar med hög spänning.
• Arbetar från -40 till 60 °C vid full belastning
• Skydd mot övertemperatur, överström och överspänning på utgången

Figur 6: BCL25-700-8 är en inbyggd, vätskekyld batteriladdare på 22 kW för hybrid- och elfordon som är avsedd för medelstora till tunga tillämpningar, både på och utanför väg. (Bildkälla: Bel Fuse)

Sammanfattning

Det kommer att behövas en mängd olika lösningar för kretsskydd, kommunikation och kraftomvandling för att stödja säkerhets- och hållbarhetskraven i nästa generations uppkopplade, elektriska och alltmer automatiserade fordon. Som visat, har konstruktörer tillgång till lösningar i form av anordningar för kretsskydd som är godkända för fordonsindustrin, drosslar för dämpning av EMI som uppfyller AEC-Q200, helt skärmade RJ45-kontakter för Ethernet som uppfyller SAE/USCAR2-6 och IP67-klassificerade kraftomvandlare. Dessa kommer att hjälpa konstruktörer av hybrid- och elfordon att möta de många aktuella och kommande konstruktionsutmaningarna i takt med att autonoma konstruktioner utvecklas.

Rekommenderad läsning

1. Morgondagens fordon kommer att innehålla ännu mer teknik