Hur man implementerar skydd, extern ström och anslutning för elfordon och strömförsörjningsutrustning för elfordon

Elfordon (EV) spelar en allt viktigare roll för att minska utsläppen av växthusgaser (GHG) och för att möta oron gällande klimatförändringar. För att lyckas med konstruktion och distribution av elfordon och strömförsörjningsutrustning för elfordon (EVSE), som t.ex. batteriladdare, krävs dock att konstruktörer tar itu med ett stort antal tekniska utmaningar. Bland dessa finns kretsskydd för överspänning och överström, dämpning av elektromagnetiska störningar (EMI), utformning av nätaggregat med breda ingångs- och drifttemperatursområden samt det ständiga behovet av att minska vikten för att förbättra elfordonens räckvidd.

Ett batterihanteringssystem (BMS) och ett styrgränssnitt i ett EVSE-system behöver exempelvis externa likriktare som kan arbeta i ett inspänningsområde 85 till 305 V_AC och ett temperaturområde på -40 till +85 °C. För att hantera vikten måste konstruktörer överväga att gå över från den respekterade och väletablerade CAN-bussen till Ethernet för fordon som stödjer högre bandbredd med lättare kablage.

Artikeln ger en kort översikt över de grundläggande kraven på laddare för elfordon. Därefter diskuteras de olika behoven för varje typ relaterat till externa likriktare, alternativ för överspännings- och överströmsskydd samt hur man implementerar Ethernet-anslutningar och dämpar EMI för att undvika förvrängning av höghastighetssignaler. Exempel på verkliga lösningar för att hantera dessa olika konstruktionsbekymmer kommer att presenteras från leverantörer som Bel Fuse, Signal Transformer, Stewart Connector och CUI.

En introduktion till laddningskrav för elfordon (EV) och strömförsörjningsutrustning för elfordon (EVSE)

Den stora utbyggnaden av strömförsörjningsutrustning för elfordon, inklusive batteriladdare och laddningsstolpar, kommer att vara avgörande för en utbredd användning av elfordon. Observera att batteriladdare för elfordon är inbyggda i elfordonet medan laddningsstolpar avser externa laddningsstationer. SAE J1772, som är den nordamerikanska standarden för anslutning av elfordon, definierar fyra laddningsnivåer för elfordon:

• AC nivå 1 använder 120 V_AC för att leverera upp till 16 A eller 1,9 kW. AC nivå 2 använder 208 till 240 V_AC för att leverera upp till 80 A eller 19,2 kW
• DC nivå 1 använder upp till 1 000 V_DC för att leverera upp till 80 A eller 80 kW
• DC nivå 2 använder upp till 1 000 V_DC för att leverera upp till 400 A eller 400 kW

Även om SAE definierar de två DC-nivåerna separat, klumpas de ofta ihop och kallas för nivå 3 eller snabbladdning med likström. Förutom de olika inspänningarna och effektnivåerna kräver laddningsstolpar med växelström en separat inbyggd laddare (OBC) i fordonet, för att hantera AC/DC-omvandlingen, samt batterihanteringsfunktioner, som behövs för att ladda batteripaketet på ett säkert och effektivt sätt. Vid snabbladdning med likström finns det inget behov av en inbyggd laddare; funktionen för effektomvandling och BMS finns i laddningsstolpen. Varje laddningsnivå omfattar kommunikation (signalering) mellan fordonet och laddningsstolpen (figur 1).

Figur 1: Tre nivåer för laddning av elfordon är allmänt vedertagna. Nivå 3 (längst ner) kombinerar de två nivåer av likströmsladdning som definieras av SAE J1772. (Bildkälla: CUI)

Behov av extern effekt

Enligt kraven i SAE J1772 behövs extern effekt för att stödja den allmänna driften av laddningsstolpen och signalfunktionerna när laddningsstolpens styrenhet ansluts till fordonets styrenhet. Signalprotokollet är utformat för att säkerställa effektiv och säker laddning med hjälp av kontinuerlig tvåvägsanslutning mellan laddningsuttag och fordon.

Det grundläggande effektbehovet är en AC/DC-strömförsörjning som levererar 12 V_DC för signalering och har ett drifttemperatursområde på -40 till +85 °C. Kompletta lösningar behöver kretsar för elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) och skydd, och de har vanligtvis en separat DC/DC-omvandlare för att leverera en lägre spänning till andra komponenter, som till exempel 3,3 V för att driva en microcontroller (MCU).

Det exakta effektbehovet beror på hur laddningsstolpen är utformad. En laddare på nivå 1 är till exempel en enkel konstruktion med minimalt effektbehov och en extern strömförsörjning som kan matas av en liten AC/DC-strömförsörjning på 5 W monterad på ett kretskort. Laddningsstolpar på nivå 2 är mer komplicerade och behöver ca 50 W extern effekt. Båda drivs av växelström via enfas, men med olika krav på ingångsspänning; 120 V_AC för nivå 1 och 208 till 240 V_AC för nivå 2.

Saker och ting förändras avsevärt med laddningsstolpar på nivå 3. Laddningsstolpens kretsar drivs med trefas, ofta 480 V_AC. Den extra effektförsörjningen matas med enfas och behöver ett brett omfång för inspänning, såsom 85 till 305 V_AC. Uteffekten är även högre, ofta 150 W eller mer, vilket möjliggör ett bredare utbud av funktioner, inklusive ytterligare styrningar som t.ex. betalfunktioner, en display och ett batterihanteringssystem. Den kan ha en enda utgång, t.ex. 24 V_DC, för systemets totala strömförsörjning. Systemet kommer att ha en serie distribuerade DC/DC-omvandlare för att leverera de 12 V_DC som behövs för signalering, en separat matning på 12 V_DC för batterihanteringssystemet och 3,3 V_DC för microcontrollern och andra komponenter. Förutom funktioner för EMC och standardskydd kräver dessa strömlösningar en effektfaktorkorrigering (PFC) och skydd mot höga rusningsströmmar när de slås på.

Extra strömförsörjning

Den goda nyheten för konstruktörer är att de inte behöver bygga flera nätaggregat från grunden. Istället finns det färdiga lösningar för alla typer av laddningsstolpar för elfordon som nu är tillgängliga från divisionen CUI hos Bel Fuse. En kretskortsmonderad strömförsörjning i exempelvis PBO-serien med AC/DC-nätaggregat för 3, 5, 8 och 10 W är lämpliga för laddare på nivå 1. Modellen PBO-5C-12 levererar 5 W vid en utspänning på 12 V_DC från ett inspänningsområde på 85 till 305 V_AC, och den är klassificerad för drift i ett temperaturområde på -40 till +85 °C.

Laddningsstolpar på nivå 2 kräver mer extern effekt och kan använda AC-DC nätaggregat i PSK-serien, som t.ex. den medföljande PSK-10D-12 på 10 W som levererar 830 mA vid 12 V_DC. Nätaggregatet har samma specifikationer för inspänningsområde och drifttemperaturer som PBO-5C-12. Både PBO- och PSK-serien har överströms- och kortslutningsskydd, PSK-serien har dessutom överspänningsskydd.

För laddningsstolpar på nivå 3 kan VGS-serien med AC/DC-nätaggregat från CUI leverera upp till 350 W. Nätaggregaten har skydd mot kortslutning, överström, överspänning och övertemperatur, samt begränsning av inrusningsström och aktiv effektfaktorkorrigering. De uppfyller klass B i CISPR/EN55032 för strålnings-/ledningsemissioner och klass A i IEC 61000-3-2 för begränsning av övertoner. Ett exempel på en modell är VGS-100W-24. Den ger 108 W vid en utspänning på 24 V_DC och har en typisk verkningsgrad på 89,5 % (figur 2).

Figur 2: AC/DC-nätaggregat VGS (vänster), PSK (mitten) och PBO (höger) (ej skalenliga) är lämpliga för laddningsstolpar för elfordon på nivå 3, 2 respektive 1. (Bildkälla: Jeff Shepard)

Överströmsskydd

För överströmsskydd av högspänningsmatningar erbjuder Bel Fuse snabba och robusta keramiska säkringar med märkspänningar på 240, 500 och 1 000 V. De är utformade för användning i batteripaket till elfordon, kopplingsboxar, laddningsstolpar och relaterade tillämpningar samt uppfyller kraven enligt standarden JASO D622/ISO 8820-8 för säkringar i vägfordon. Den bultmonterade keramiska säkringen av modell 0ALEB9100-PD är märkt 10 A och 500 V (figur 3).

Figur 3: Den bultmonterade keramiska säkringen 0ALEB9100-PD är klassificerad för 10 A och 500 V och är konstruerad för användning i en mängd olika elfordonstillämpningar. (Bildkälla: Bel Fuse)

Övertemperaturskydd

Skydd mot övertemperatur är också viktigt i laddningsstolpar och batteripaket för elfordon. För dessa tillämpningar erbjuder Bel Fuse serien 0ZT med återställningsbara säkringar för höga temperaturer. PTC-enheterna (positiv temperaturkoefficient) har ett stort drifttemperatursområde mellan -40 till +125 °C och ger de utlösnings- och hållströmmar som krävs för ett robust övertemperatursskydd. 0ZTH0020FF2E, är exempelvis klassificerad för 30 V med en utlösningsström på 500 mA och en hållström på 200 mA (figur 4). Liksom andra PTC-enheter i serien OZT är den väl lämpad för drift i miljöer med höga omgivningstemperaturer.

Figur 4: Den återställningsbara säkringen OZTH0020FF2E för hög temperatur ingår i serien OZT med PTC-enheter för övertemperaturskydd som lämpar sig för användning i laddningsstolpar för elfordon och i system med batterihantering. (Bildkälla: Bel Fuse)

Anslutningsmöjligheter och signalintegritet

Förutom extern ström och skyddsfunktioner kräver laddningsstolpar för elfordon anslutningar med hög hastighet och en hög grad av signalintegritet för tillförlitlig drift. Kraven uppfylls enkelt av Ethernet för fordon baserat på IEEE 802.3ch med datahastigheter på upp till 10 Gbit/s. Ethernet för fordon ersätter snabbt den traditionella CAN-bussen med sin datahastighet på 1 Mbit/s. Detta beror delvis på den höga datahastigheten i Ethernet för fordon, men också på att data levereras via en oskärmad, enkel partvinnad kabel som är konstruerad för både låg vikt och minimal kostnad.

Användningen av Ethernet förväntas fortsätta att öka med den planerade lanseringen av IEEE 802.3dh år 2024. Standarden kommer att leverera Ethernet för fordon i multigigabit över optisk fiber av plast (POF). Några av fördelarna med optisk fiber av plast i fordonstillämpningar är hög elastisk töjningsgräns, hög brottseghet samt hög flexibilitet, vilket gör den till ett bra val för att ersätta partvinnade Ethernet-kablage.

För dagens fordonskonstruktioner erbjuder divisionen Stewart Connector hos Bel Fuse Ethernet-modularkontakter med RJ45 som uppfyller standarden SAE/USCAR2-6 för vibrations- och tätningskrav. De finns för rätvinklig och vertikal montering, med flera lysdiodskonfigurationer och ett drifttemperatursområde på -40 till +100 °C.

Anslutningarna kan hantera nivåer av PoE (Power-over-Ethernet) på upp till 100 W. Eftersom överhörning och returförlust ofta är utmaningar i denna typ av PoE-kontakter, har kontaktens utformning optimerats för hög effektivitet i tillämpningar med hög frekvens. De är även optimerade för ett litet format.

De modeller av RJ45 från Stewart Connector som saknar lysdioder, som t.ex. SS-60300-011, är kompatibel med IR-omlödning, och alla enheter i serien har kontakter som selektivt pläterats med 50 mikrotum guld för förbättrad prestanda. SS-60300-011 är konstruerad för horisontell riktning (figur 5).

Figur 5: SS-60300-011 är en kompakt, horisontell Ethernet-kontakt som kan stödja PoE i fordonstillämpningar. (Bildkälla: Stewart Connector)

För att säkerställa signalens integritet finns serien SPDL med ytmonterade common mode-drosslar för EMI-dämpning av differentialbrus från Bel Fuses avdelning Signal Transformer. De filtrerar signaler över Ethernet och andra höghastighetsgränssnitt praktiskt taget utan signalförvrängning. Common-mode-drosslarna är avsedda för strömmar upp till 6,5 A med impedanser från 90 till 2 200 Ω och har ett drifttemperatursområde på -40 till +125 °C. Modell SPDL3225-101-2P-T är exempelvis klassificerad för 5 100 Ω (typiskt), 50 V och 150 mA (figur 6).

Figur 6: Ytmonterad common-mode-drossel SPDL3225-101-2P-T styr EMI med minimal signalförvrängning. (Bildkälla: Signal Transformer)

Sammanfattning

Utbyggnaden av system med strömförsörjningsutrustning för elfordon, som t.ex. laddningsstolpar, är viktig för att stödja storskalig användning av elfordon och den åtföljande minskningen av växthusgaser. Det behövs en mängd olika typer av laddningsstolpar för elfordon som kan stödja både långsam växelströmsladdning och snabb likströmsladdning. För att garantera en framgångsrik konstruktion och säker distribution av elfordon och strömförsörjningsutrustning för elfordon kan konstruktörer dra nytta av lättillgängliga, specialiserade system och enheter för effektomvandling och strömförsörjning, kretsskydd samt EMI-reducering.

Rekommenderad läsning

1. Användning av CCS-kontakter för att förenkla implementeringen av säkra snabbladdningssystem i elfordon
2. Hur man väljer och använder kondensatorer för att garantera effektiva, tillförlitliga och hållbara elfordonsladdare
3. Använd dubbelriktade effektomvandlare och effektfaktorkorrigering för att förbättra effektiviteten i HEV, BEV och elnät
4. Hur tillverkas batteripaket för elfordon?