Bescherming van circuits, snelle gegevensoverdracht en stroomconversie voor eMobility-platforms

De behoefte aan betrouwbare circuitbeveiliging, hogesnelheidscommunicatie en compacte stroomconversieoplossingen in eMobility en transportsystemen neemt toe voor een reeks platforms, waaronder hybride en elektrische auto's, bussen, middelzware en zware voertuigen voor op de weg en in het terrein, en maritieme platforms. Deze trends worden gestimuleerd door de toenemende nadruk op duurzaamheid en veiligheid naarmate de vervoersector overschakelt op meer autonome besturing en elektrische voertuigen (EV's) of hybride EV's (HEV's). Als gevolg daarvan ontstaan er nieuwe voertuigsystemen die steeds afhankelijker worden van een veilige en duurzame werking van het voertuig.

Om de veiligheid en betrouwbaarheid te garanderen, hebben ontwerpers van geconnecteerde, elektrische en geautomatiseerde voertuigen een grote verscheidenheid aan circuitbeveiliging nodig, samen met communicatie- en stroomconversieoplossingen die ontworpen zijn voor een betrouwbare werking in veeleisende omgevingen, en die gecertificeerd zijn om te voldoen aan AEC-Q200, SAE, USCAR en andere prestatienormen.

Dit artikel geeft een kort overzicht van enkele specificaties van circuitbeveiligingsinrichtingen waarmee ontwerpers rekening moeten houden. Vervolgens worden de specifieke circuitbeschermings-, connectiviteits- en stroomconversieoplossingen van Bel Fuse voorgesteld en wordt het gebruik van deze producten in eMobility-systemen onderzocht.

Onderdelen en normen voor EV-bescherming

Om de uitdagingen rond EV's aan te gaan, kunnen ontwerpers een beroep doen op een reeks gekwalificeerde en gecertificeerde circuitbeschermings-, high-speed communicatie- en stroomconversieoplossingen voor de auto-industrie, waaronder:

• Zekeringen voor de automobielindustrie in patroon-, printplaat- (door gat en opbouw) en offset boutconfiguraties geoptimaliseerd voor vermogenssystemen en subsystemen, plus zekeringen voor hulptoepassingen en accessoires zoals radarsystemen voor bestuurdersondersteuning, rempompmotoren, draagbare laders, accusystemen, infotainment, camera's, programmeerbare verlichting en stuurbekrachtiging. Daarnaast zijn voor specifieke toepassingen hoge inschakelstromen, snel werkende, langzaam doorslaande en herinstelbare polymere positieve temperatuurcoëfficiënt (PPTC) zekeringen vereist.
• EMI-smoorspoelen met AEC-Q200-kwalificatie om ruis te filteren en datasignalen met hoge snelheid te beschermen voor de talrijke sensorsubsystemen die deel uitmaken van ADAS en navigatiesystemen, multimediasystemen, voertuig-tot-alles (V2X)-clusters en antennes, en differentiële ruisonderdrukking te bieden voor auto-ethernet, CAN-bus (Controller Area Network), FlexRay en Universal Serial Bus (USB) in auto's
• Volledig afgeschermde RJ45-connectoren die voldoen aan de Society of Automotive Engineers (SAE) USCAR2-6 "Performance Specification for Automotive Electrical Connector System - Revision 6", en die ontwerpers in staat stellen CAN-bussen te vervangen door sneller en lichter auto-ethernet ter ondersteuning van de groeiende computerbehoeften in een reeks ADAS-systemen, zoals camera's voor bestuurdersassistentie en op radar gebaseerde rijhulpsystemen, evenals telematica, mediaconverters en gateways.
• IP67-gecertificeerde stroomconverters, waaronder acculaders voor elektrische en hybride voertuigen, die geschikt zijn voor de auto-industrie en worden aangeboden in convectie- of vloeistofgekoelde uitvoeringen met galvanische scheiding.

Keuze van circuitbeveiligingsinrichtingen

Bij de keuze van een geschikte voorziening is een duidelijk inzicht in de werkingskarakteristieken ervan van belang bij de specificatie van circuitbeveiligingsvoorzieningen voor eMobility-systemen. Enkele basisspecificaties zijn:

• Spanningsklasse: de maximaal toelaatbare spanning voor een veilige werking
• Stroomklasse: de stroomsterkte in ampère (A) die de zekering onder normale bedrijfsomstandigheden kan afgeven
• Breekcapaciteit (ook wel onderbrekingswaarde of kortsluitingswaarde genoemd): de maximale stroom die de zekering bij de nominale spanning kan onderbreken zonder beschadigd te raken; de onderbrekingscapaciteit moet gelijk zijn aan of groter zijn dan de maximale foutstroom die voor het circuit wordt verwacht
• Tijdstroomcurven: bepalen of de zekering snel of traag (ook vertraagd) in werking treedt; snelwerkende zekeringen worden gebruikt wanneer de snelheid van de beveiliging van kritiek belang is; traagwerkende zekeringen worden gebruikt in toepassingen die te maken hebben met een kortstondige stroomstoot of overbelasting

I²t: Een specificatie zonder testnorm

Een specificatie die speciale aandacht verdient is de nominale smeltwaarde, I²t (uitgesproken als "I kwadraat T"). Dit is een maat voor de energie die nodig is om de smeltgeleider te smelten, een belangrijk smeltgeleider kenmerk voor elke toepassing. I²t wordt uitgedrukt als "ampère in het kwadraat seconden" (^A2sec). Helaas voor ontwerpers bevatten noch de UL/CSA 248-, noch de IEC127-normen voor miniatuur- en microzekeringen een testprocedure of testcriteria voor I²t. De industrie standaard definitie van I²t is:

MELTING I²t gemeten bij 10In, met constante gelijkstroom (DC), waarbij ln de nominale stroom van de zekering is.

Het gebruik van 10In kan problemen opleveren en resulteert niet altijd in nauwkeurige openingstijden. Vooral bij trage zekeringen kan een veelvoud van meer dan 10 maal de nominale stroom nodig zijn om tot de werkelijke I²t-waarde te komen. Aangezien verschillende fabrikanten verschillend met dit dilemma omgaan, is het voor ontwerpers van belang een duidelijk inzicht te hebben in de methode die wordt gebruikt om tot de I²t-waarden voor specifieke zekeringen te komen. Een meer gedetailleerde bespreking van deze uitdagingen is hier beschikbaar: I²t uitgelegd.

Snelwerkende en traagwerkende chipzekeringen

Ontwerpers van autonavigatiesystemen, lithium-ion (Li-ion) batterijbeheersystemen (BMS), LED-koplampen, power over Ethernet (PoE), PoE+, en LCD-schermen (liquid crystal displays) kunnen hun voordeel doen met het gebruik van oppervlakte gemonteerde chipzekeringen op basis van dikke-film technologie, zoals de 0685P-serie snelwerkende zekeringen. De 0685P-serie is bestand tegen hoge inschakelstroom. Deze zekeringen voldoen aan AEC-Q200 en UL-goedgekeurd type 1206 en zijn verkrijgbaar met stroomsterkten van 2 A tot 50 A, en spanningssterkten van 50 volt wisselstroom (AC) en 63 volt gelijkstroom (DC). Het model 0685P3000-01 is geschikt voor 6 A met een I²t-waarde van 1,3^A2secbij 10In.

Voor ontwerpers die traag werkende zekeringen nodig hebben, biedt Bel de C1T-serie chipzekeringen van 1206-formaat (Afbeelding 1). Deze zijn verkrijgbaar met stroomcapaciteiten van 750 milliampère (mA) tot 8 A en zijn geschikt voor 63 volt wissel- of gelijkstroom. Het model 0685T6000-01 is geschikt voor 6,0 A met een I²t-waarde van 6,0 A²sec bij 10In. De C1T-serie vertraagde zekeringen zijn goedgekeurd door UL, CSA en CE, en dragen de TUV-certificering volgens IEC 60127 voor miniatuurzekeringen.

Afbeelding 1: Chipzekeringen zoals de C1T-serie met trage doorlating worden gebruikt in een groot aantal toepassingen in de automobielsector waar een compacte vormfactor belangrijk is. (Bron afbeelding: Bel Fuse)

Resetbare PPTC-apparaten

Ontwerpen die baat kunnen hebben bij een herinstelbare circuitbeveiliging met zeer lage bedrijfsweerstand en zeer hoge houdstroom kunnen PPTC-apparaten gebruiken. PPTC's kunnen bijzonder nuttig zijn in toepassingen zoals bescherming van motoren en motorcircuits in elektrische deursloten, spiegels, zetels, zonnedaken en vensters, alsook in verwarmings-, ventilatie- en airconditioningsystemen (HV_AC) en in I/O-bescherming van elektronische regeleenheden (ECU).

Bel biedt twee families voor PPTC-apparaten. Beide voldoen aan AEC-Q, zijn TUV gecertificeerd volgens EN/IEC 60738-1-1 en EN/IEC 60730-1, en UL-erkend volgens UL1434:

• 0ZRS radiale geleide PPTC's hebben een nominale stroomsterkte van 500 mA tot 10 A met een maximum spanning van 32 V_DC en een typisch vermogen van 0,9 tot 7,0 W (Afbeelding 2). De 0ZRS0100FF1E heeft bijvoorbeeld een uitschakelstroom van 1,9 A, een houdstroom van 1,0 A en een nominaal vermogen van 1,4 W.
• 0ZCG-opbouw-PPTC 's hebben een nominale spanning van 100 mA tot 3 A, een maximale spanning van 6 tot 60 volt gelijkstroom en een nominaal vermogen van 0,8 tot 1,3 W. De 0ZCG0110BF2B uit deze serie is geschikt voor 24 volt gelijkstroom en heeft een houdstroom van 1,1 A, een uitschakelstroom van 2,2 A en een nominaal vermogen van 1 W.

Afbeelding 2: De OZRS radiaal geleide PPTC's zijn geschikt voor 32 volt gelijkstroom en tot 10 A. (Bron afbeelding: Bel Fuse)

Inschakelstroom bestand beveiliging

De 0680L-reeks van vierkante keramische zekeringen in 2410-pakketgrootte voor opbouwmontage heeft een hoge weerstand tegen inschakelstroom (Tabel 1). Deze trage doorslaande zekeringen zijn ontworpen voor toepassingen die hoge DC onderbrekingswaarden en hoge DC spanningswaarden vereisen. Ze zijn geschikt tot 125 volt gelijkstroom of wisselstroom en hebben een stroomsterkte van 375 mA tot 12 A. De 0680L zekeringen voldoen aan de AEC-Q norm.

Tabel 1: Elektrische kenmerken van de 0680L-serie traagbrandzekeringen voor opbouwmontage. (Bron afbeelding: Bel Fuse)

Deze trage zekeringen worden vaak gebruikt voor PoE, PoE+, stroomtoevoer en acculaadstroombeveiliging; de 0680L3000-05 is geschikt voor 3 A en 0,81 W met een I²t-waarde van 13A²sec bij 10In.

Snelwerkende EV-vermogenszekeringen

Ontwerpers kunnen een beroep doen op snelwerkende zekeringen in patroon- en boutconfiguraties voor de beveiliging van accu's met hoog vermogen en EV-vermogensconverters. Deze zekeringen zijn volledig in overeenstemming met EU-richtlijn 2011/65/EU en wijzigingsrichtlijn 2015/863. Zij zijn ontworpen om te voldoen aan UL 248-1 en aan de betrouwbaarheidseisen van JASO D622 en ISO8820-8. Typische toepassingen zijn onder meer:

• Zekering hoofdsysteem
• Oplaadstations
• Energieopslag en batterijpakken
• Stroomverdelingseenheden
• DC/DC-omzetters aan boord
• Motoren voor rempompen
• Motoren van aircocompressoren
• Elektrische stuursystemen

Zij kunnen stromen aan tot 600 A en hebben spanningswaarden van 500 tot 1.000 volt gelijkstroom; de 0ADAC0600-BE is een goed voorbeeld van een patroonzekering die geschikt is voor 600 mA en 600 V_DC of V_AC, met een I²t-waarde van 0,073 A²sec bij 10In.

EV-tijdvertragingszekeringen

De 0697W-serie sub-miniatuurzekeringen met radiale geleider en tijdvertraging hebben een nominale spanning van 350 volt AC of 72 volt DC, een stroomsterkte van 1 A tot 6 A, en voldoen aan IEC 60127-3 (Afbeelding 3). Deze zekeringen voldoen aan de AEC-Q kwaliteitsnormen en de Mil-Std 202G-milieunormen.

Afbeelding 3: De 0697W-serie zijn aan de AEC-Q-normen beantwoordende, radiale, hoogspannings-, tijdklokzekeringen. (Bron afbeelding: Bel Fuse)

Toepassingen voor de 0697W-apparaten zijn onder meer ECU's, motoren, klimaat- en ventilatieregelaars, stekkers en accessoires voor sigarettenaanstekers, stopcontacten en kabelbomen. De 0697W2000-02 is bijvoorbeeld geschikt voor 2 A en 0,63 W met een I²t-waarde van 30 A²sec bij 10In.

Common-mode smoorspoelen voor hogesnelheidscommunicatie

Ontwerpers van infotainment-, multimedia- en ADAS-systemen voor auto's die gebruikmaken van een Ethernet-, CAN-bus-, FlexRay- of USB-communicatiebus kunnen zich wenden tot de SPDL-serie van Signal Transformer, een serie AEC-Q200-gecertificeerde ultracompacte common-mode smoorspoelen voor de onderdrukking van differentiële modus ruis (Afbeelding 4). Deze compacte SMD-smoorspoelen worden aangeboden in vier metrische maten, 2012, 3216, 3225 en 4532, en 26 verschillende componentwaarden. De SPDL-serie heeft een nominaal stroombereik van 150 tot 400 mA en een impedantiebereik van 90 tot 2200 ohm (Ω). Het model SPDL3225-101-2P-T is geschikt voor 150 mA en 2200 Ω met een inductie van 100 microhenries (µH).

Afbeelding 4: De ultracompacte SMD-spanningsmoorspoelen van de SPDL-serie kunnen worden gebruikt met Ethernet-, CAN-bus-, FlexRay- of USB-communicatie-interfaces. (Bron afbeelding: Signal Transformer)

Upgrade naar Ethernet

Vanwege de hogere datasnelheid en het lichtere gewicht van de kabel, vervangen ontwerpers CAN-bus door Ethernet in een groeiend aantal eMobility-toepassingen. De Bel Fuse MagJack automotive Ethernet single-port geïntegreerde connectormodules (ICM's) hebben de Ethernet magnetische oplossing geïntegreerd in het connectorpakket. Dit resulteert in een compactere oplossing en vereenvoudigt de taak van het upgraden van bestaande CAN-bussystemen met Ethernet-signalering en bekabelingsstijlen (Afbeelding 5). MagJack Ethernet ICM's werken tot 100°C en zijn SAE/USCAR2-6-compatibel. Deze ICM's zijn goedgekeurd door Broadcom, Intel en Marvell, en zijn compatibel met standaard transceivers van autokwaliteit, waardoor de overstap naar Ethernet nog eenvoudiger wordt.

Afbeelding 5: De MagJack automotive Ethernet single-port ICM's hebben geïntegreerde magnetische onderdelen om te voldoen aan de behoefte aan compacte oplossingen. (Bron afbeelding: Bel Fuse)

Een voorbeeld is de A829-1J1T-KM automotive Ethernet ICM die voldoet aan alle elektrische IEEE 802.3 10/100Base-T eisen.

Stroomomzetting voor HEV's en EV's

Bel Power Solutions biedt ontwerpers een compleet assortiment stroomconversieopties voor eMobility, waaronder DC-DC converters, bidirectionele DC-DC converters, boordladers, hulpomvormers en omvormerlaadsystemen die een bidirectionele omvormerlader integreren met twee DC-DC down converters. De BCL25-700-8 van 22 kilowatt (kW) bijvoorbeeld is een vloeistofgekoelde, ingebouwde batterijlader voor HEV's en EV's op middelzware en zware platforms voor gebruik op en naast de weg (Afbeelding 6). Kenmerken en specificaties van de BCL25-700-8 zijn onder andere:

• Eenfasige (190 tot 264 volt AC) of driefasige (330 tot 528 volt AC) ingang
• Kan worden aangesloten op het wisselstroomnet of op een laadstation voor elektrische voertuigvoeding (EVSE) (EV Std. IEC 61851-1)
• Constante uitgangsstroom van 60 A over een spanningsbereik van 250 tot 800 volt DC
• Tot vier eenheden kunnen parallel worden geplaatst
• Voldoet aan IP67 en IP6K9K
• IEC 61851-21-1 en ECE R10.6 certificeringen
• Voldoet aan SAE J1772 & CAN interface SAE J1939
• Actieve hoogspanning DC interlock bewaking
• Werkt van -40 tot 60°C bij volle belasting
• Overtemperatuur-, overstroom- en uitgangsoverspanningsbeveiligingen

Afbeelding 6: De BCL25-700-8 is een vloeistofgekoelde acculader met een vermogen van 22 kW voor HEV's en EV's die bedoeld zijn voor middelzware tot zware toepassingen, zowel voor gebruik op als naast de weg. (Bron afbeelding: Bel Fuse)

Conclusie

Er zal behoefte zijn aan een grote verscheidenheid van circuitbeveiligings-, communicatie- en stroomconversieoplossingen om te voldoen aan de veiligheids- en duurzaamheidsvereisten van de volgende generatie van gekoppelde, elektrische en in toenemende mate geautomatiseerde voertuigen. Zoals blijkt, hebben ontwerpers gemakkelijk toegang tot oplossingen in de vorm van voor de automobielindustrie gekwalificeerde circuitbeveiligingen, EMI-onderdrukkingssmoorspoelen die voldoen aan AEC-Q200, volledig afgeschermde RJ45 Ethernet-connectoren die voldoen aan SAE/USCAR2-6, en IP67-gecertificeerde stroomconverters. Deze zullen HEV- en EV-ontwerpers helpen om de vele huidige en opkomende ontwerpuitdagingen aan te gaan naarmate autonome ontwerpen zich verder ontwikkelen.

Aanbevolen lectuur

1. De voertuigen van morgen zullen over nog meer technologie beschikken