Sicherstellung von Schaltkreisschutz, Highspeed-Daten und Energieumwandlung für eMobilitätsplattformen

Der Bedarf an zuverlässigem Stromkreisschutz, Highspeed-Kommunikation und kompakten Energieumwandlungslösungen in eMobilitäts- und Transportsystemen wächst in einer Reihe von Plattformen, darunter Hybrid- und Elektroautos, Busse, mittelschwere und schwere Straßen- und Geländefahrzeuge sowie Schiffsplattformen. Diese Trends werden durch die zunehmende Betonung von Nachhaltigkeit und Sicherheit vorangetrieben, da die Transportindustrie zu mehr autonomer Steuerung und Elektrofahrzeugen (EVs) oder Hybrid-EVs (HEVs) übergeht. Infolgedessen entstehen neue Fahrzeugsysteme, die immer stärker von einem sicheren und nachhaltigen Fahrzeugbetrieb abhängig sind.

Um Sicherheit und Zuverlässigkeit zu gewährleisten, benötigen Entwickler von vernetzten, elektrischen und automatisierten Fahrzeugen eine Vielzahl von Schaltungsschutz-, Kommunikations- und Energieumwandlungslösungen, die für einen zuverlässigen Betrieb in anspruchsvollen Umgebungen ausgelegt und nach AEC-Q200-, SAE-, USCAR- und anderen Leistungsstandards zertifiziert sind.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über einige der Spezifikationen von Schutzkomponenten, die Entwickler berücksichtigen müssen. Anschließend werden spezifische Schaltungsschutz-, Verbindungs- und Energieumwandlungslösungen von Bel Fuse vorgestellt und die Verwendung dieser Produkte in eMobilitätssystemen untersucht.

EV-Schutzkomponenten und Normen

Um die Herausforderungen im Zusammenhang mit Elektrofahrzeugen zu meistern, können Entwickler auf eine Reihe von für den Automobilbereich qualifizierten und zertifizierten Schaltungsschutz-, Highspeed-Kommunikations- und Stromversorgungslösungen zurückgreifen:

• Qualifizierte Sicherungen für die Automobilindustrie in den Konfigurationen Patrone, Leiterplattenmontage (Durchsteck- und Oberflächenmontage) und Schraubmontage, die für Stromversorgungssysteme und Subsysteme optimiert sind, sowie Sicherungen für Hilfsanwendungen und Zubehör wie Radarsysteme zur Fahrerunterstützung, Bremspumpenmotoren, tragbare Ladegeräte, Batteriesysteme, Infotainment, Kameras, programmierbare Beleuchtung und Servolenkung. Darüber hinaus sind für bestimmte Anwendungen Sicherungen mit hohem Einschaltstrom, mit schneller und langsamer Auslösung sowie rücksetzbare Polymersicherungen mit positivem Temperaturkoeffizienten (PPTC) erforderlich.
• AEC-Q200-qualifizierte Drosseln zur Unterdrückung elektromagnetischer Interferenzen (EMI), um Rauschen herauszufiltern und Highspeed-Datensignale für die zahlreichen Sensor-Subsysteme zu schützen, aus denen ADAS- und Navigationssysteme, Multimediasysteme, V2X-Cluster (Vehicle-to-Everything) und Antennen bestehen, und um eine differentielle Rauschunterdrückung für Automotive-Ethernet, CAN-Bus (Controller Area Network), FlexRay und Automotive-USB (Universal Serial Bus) zu bieten
• Vollständig geschirmte RJ45-Steckverbinder, die der SAE-Norm (Society of Automotive Engineers) USCAR2-6 „Performance Specification for Automotive Electrical Connector System - Revision 6“ entsprechen und es den Entwicklern ermöglichen, CAN-Busse durch schnelleres und leichteres Automotive-Ethernet zu ersetzen, um die wachsenden Anforderungen an die Datenverarbeitung im Fahrzeug in einer Reihe von ADAS-Systemen, wie z. B. Fahrerassistenzkameras und radarbasierte Fahrerassistenzsysteme, sowie Telematik, Medienkonverter und Gateways zu erfüllen.
• IP67-zertifizierte Leistungswandler, einschließlich Ladegeräte für Elektro- und Hybridfahrzeuge, die für die Automobilindustrie geeignet sind und in konvektions- oder flüssigkeitsgekühlter Ausführung mit galvanischer Isolierung angeboten werden.

Auswahl von Schutzkomponenten

Bei der Auswahl eines geeigneten Bauteils ist ein klares Verständnis seiner Betriebseigenschaften wichtig, wenn Schaltungsschutzkomponenten für eMobilitätssysteme spezifiziert werden sollen. Einige grundlegende Spezifikationen umfassen:

• Nennspannung: die maximal zulässige Spannung für einen sicheren Betrieb
• Nennstrom: der Strom in Ampere (A), den die Sicherung unter normalen Betriebsbedingungen führen kann
• Durchschlagvermögen (auch Unterbrechungsleistung oder Kurzschlussleistung genannt): der maximale Strom, den die Sicherung bei ihrer Nennspannung unterbrechen kann, ohne beschädigt zu werden; das Ausschaltvermögen muss dem für den Stromkreis zu erwartenden maximalen Fehlerstrom entsprechen oder diesen übersteigen
• Zeitstromkurven: legen fest, ob die Sicherung flink oder träge (verzögert) ist; flinke Sicherungen werden verwendet, wenn die Schnelligkeit des Schutzes kritisch ist; träge Sicherungen werden in Anwendungen verwendet, bei denen ein kurzfristiger Stromstoß oder eine Überlast auftritt

I²t: Eine Spezifikation ohne Prüfnorm

Eine Spezifikation, die besondere Aufmerksamkeit verdient, ist die Nennschmelzleistung, I²t (ausgesprochen „I Quadrat T“). Dies ist ein Maß für die Energie, die erforderlich ist, um das Sicherungselement zu schmelzen, eine wichtige Eigenschaft von Sicherungen für jede Anwendung. I²t wird ausgedrückt als „Ampere zum Quadrat in Sekunden“ (A²s). Zum Leidwesen der Entwickler enthalten weder die Norm UL/CSA 248 noch IEC127 für Kleinst- und Feinsicherungen ein Prüfverfahren oder Prüfkriterien für I²t. Die branchenübliche Definition von I²t lautet:

Schmelzvorgang I²t gemessen bei 10 In, mit konstantem Gleichstrom (DC), wobei ln der Nennstrom der Sicherung ist.

Die Verwendung von 10 In kann problematisch sein und führt nicht immer zu genauen Öffnungszeiten. Insbesondere träge Sicherungen können ein höheres Vielfaches als das 10-fache des Nennstroms erfordern, um den wahren I²t-Wert zu erhalten. Da die verschiedenen Hersteller dieses Dilemma unterschiedlich handhaben, ist es für Entwickler wichtig, die Methode zu kennen, mit der die I²t-Werte für bestimmte Sicherungen ermittelt werden. Eine ausführlichere Diskussion über diese Herausforderungen finden Sie hier: I²t erklärt.

Flinke und träge Chipsicherungen

Entwickler von Kfz-Navigationssystemen, Lithium-Ionen-Batteriemanagementsystemen (BMS), LED-Scheinwerfern, Power-over-Ethernet (PoE), PoE+ und Flüssigkristallanzeigen (LCDs) können von der Verwendung oberflächenmontierbarer Chipsicherungen auf Basis der Dickschichttechnologie profitieren, wie z. B. von den flinken Sicherungen der Serie 0685P.  Die Serie 0685P zeichnet sich durch eine hohe Einschaltstrombelastbarkeit aus. Diese AEC-Q200-konformen und UL-zugelassenen Sicherungen der Größe 1206 sind mit Nennströmen von 2 A bis 50 A und Nennspannungen (Volt) von 50 Volt Wechselstrom (AC) und 63 Volt Gleichstrom (DC) erhältlich. Das Modell 0685P3000-01 ist für 6 A mit einem I²t-Wert von 1,3 A²s bei 10 In ausgelegt.

Für Entwickler, die träge Sicherungen benötigen, bietet Bel die Chipsicherungen der Serie C1T in der Größe 1206 an (Abbildung 1). Sie sind mit Stromkapazitäten von 750 Milliampere (mA) bis 8 A erhältlich und für 63 Volt AC oder DC ausgelegt. Das Modell 0685T6000-01 ist für 6,0 A mit einem I²t-Wert von 6,0 A²s bei 10 In ausgelegt. Die trägen Sicherungen der Serie C1T sind UL-, CSA- und CE-zugelassen und tragen die TÜV-Zertifizierung nach IEC 60127 für Miniatursicherungen.

Abbildung 1: Chipsicherungen wie die träge Serie C1T werden in einer Vielzahl von Automobilanwendungen eingesetzt, bei denen ein kompakter Formfaktor wichtig ist. (Bildquelle: Bel Fuse)

Rücksetzbare PPTC-Komponenten

Für Designs, die von einem rücksetzbaren Schaltungsschutz mit sehr niedrigem Betriebswiderstand und sehr hohem Haltestrom profitieren, können PPTC-Bauelemente verwendet werden. PPTCs eignen sich besonders für Anwendungen wie den Schutz von Motoren und Motorstromkreisen in elektrischen Türschlössern, Spiegeln, Sitzen, Schiebedächern und Fenstern sowie für Heizungs-, Lüftungs- und Klimasysteme (HVAC) und den I/O-Schutz von elektronischen Steuergeräten (ECU).

Bel bietet zwei Familien aus PPTC-Komponenten an. Beide sind AEC-Q-konform, TÜV-zertifiziert nach EN/IEC 60738-1-1 und EN/IEC 60730-1 und UL-anerkannt nach UL1434:

• Die radial bedrahteten PPTCs der Serie 0ZRS haben einen Nennstrom von 500 mA bis 10 A bei einer maximalen Spannung von 32 V_DC und einer typischen Nennleistung von 0,9 bis 7,0 W (Abbildung 2). Das Bauteil 0ZRS0100FF1E hat zum Beispiel einen Auslösestrom von 1,9 A, einen Haltestrom von 1,0 A und ist für 1,4 W ausgelegt.
• Die oberflächenmontierbaren PPTCs der Serie 0ZCG haben einen Nennstrom von 100 mA bis 3 A, eine maximale Spannung von 6 bis 60 Volt DC und eine typische Leistung von 0,8 bis 1,3 W. Der Baustein 0ZCG0110BF2B aus dieser Familie ist für 24 Volt DC ausgelegt und hat einen Haltestrom von 1,1 A, einen Auslösestrom von 2,2 A und eine Nennleistung von 1 W.

Abbildung 2: Die radial bedrahteten PPTCs der Serie OZRS sind für 32 Volt Gleichstrom und bis zu 10 A ausgelegt (Bildquelle: Bel Fuse)

Sicherungen mit Einschaltstromstoßfestigkeit

Die Keramiksicherungen der Serie 0680L in quadratischer Bauform mit 2410er-Gehäusegröße zur Oberflächenmontage bieten eine hohe Einschaltstromfestigkeit (Tabelle 1). Diese trägen Sicherungen sind für Anwendungen konzipiert, die hohe DC-Unterbrechungswerte und hohe DC-Spannungswerte erfordern. Sie sind für bis zu 125 Volt DC oder AC ausgelegt und bieten Nennströme von 375 mA bis 12 A. Die 0680L-Sicherungen sind AEC-Q-konform.

Tabelle 1: Elektrische Eigenschaften der oberflächenmontierbaren trägen Sicherungen der Serie 0680L. (Bildquelle: Bel Fuse)

Diese trägen Sicherungen werden häufig zum Schutz von PoE-, PoE+-, Stromversorgungs- und Batterieladestromkreisen verwendet; die 0680L3000-05 ist für 3 A und 0,81 W mit einem I²t-Wert von 13 A²s bei 10 In ausgelegt.

Flinke EV-Leistungssicherungen

Zum Schutz von Hochleistungsbatterien und EV-Stromrichtern können Entwickler auf flinke Sicherungen in Patronen- und Schraubkonfigurationen zurückgreifen. Diese Sicherungen entsprechen vollständig der EU-Richtlinie 2011/65/EU und der Änderungsrichtlinie 2015/863. Sie entsprechen der UL 248-1 sowie den Zuverlässigkeitsanforderungen von JASO D622 und ISO8820-8. Typische Anwendungen umfassen:

• Hauptsystem-Sicherung
• Ladestationen
• Energiespeicherung und Akku-Packs
• Stromverteilungseinheiten
• Eingebaute DC/DC-Wandler
• Motoren für Bremspumpen
• Kompressormotoren für Klimaanlagen
• Elektrische Lenksysteme

Sie können Ströme bis zu 600 A bewältigen und bieten Nennspannungen von 500 bis 1000 Volt DC; die 0ADAC0600-BE ist ein gutes Beispiel für eine Patronensicherung, die für 600 mA und 600 V_DC oder V_AC ausgelegt ist, mit einem I²t-Wert von 0,073 A²s bei 10 In.

EV-Sicherungen mit Zeitverzögerung

Die Subminiatur-Sicherungen der Serie 0697W mit radialer Bedrahtung und Zeitverzögerung bieten Nennspannungen von 350 Volt AC oder 72 Volt DC, einen Nennstrom von 1 A bis 6 A und entsprechen IEC 60127-3 (Abbildung 3). Diese Sicherungen entsprechen den Qualitätsstandards AEC-Q und den Umweltstandards Mil-Std 202G.

Abbildung 3: Die Sicherung der Serie 0697W ist eine AEC-Q-konforme, radial bedrahtete Hochspannungssicherung mit Zeitverzögerung. (Bildquelle: Bel Fuse)

Zu den Anwendungen für die 0697W-Bauelemente gehören Steuergeräte, Motoren, Klima- und Lüftungssteuerungen, Stecker und Zigarettenanzünder, Steckdosen und Kabelbäume. Die 0697W2000-02 ist zum Beispiel für 2 A und 0,63 W mit einem I²t-Wert von 30 A²s bei 10 In ausgelegt.

Gleichtaktdrosseln für Highspeed-Kommunikation

Entwickler von Infotainment-, Multimedia- und ADAS-Systemen im Automobilbereich, die einen Ethernet-, CAN-Bus-, FlexRay- oder USB-Kommunikationsbus verwenden, können sich an die ultrakompakten, AEC-Q200-zertifizierten Gleichtaktdrosseln der SPDL-Serie von Signal Transformer wenden, um das differenzielle Rauschen zu unterdrücken (Abbildung 4). Diese kompakten oberflächenmontierbaren (SMD) Drosseln werden in vier metrischen Größen (2012, 3216, 3225 und 4532) und 26 verschiedenen Nennwerten angeboten. Die SPDL-Serie bietet einen Nennstrombereich von 150 bis 400 mA und einen Impedanzbereich von 90 bis 2200 Ohm (Ω). Das Modell SPDL3225-101-2P-T ist für 150 mA und 2200 Ω mit einer Induktivität von 100 Mikrohenry (µH) ausgelegt.

Abbildung 4: Die ultrakompakten SMD-Gleichtaktdrosseln der SPDL-Serie können mit Ethernet-, CAN-Bus-, FlexRay- oder USB-Kommunikationsschnittstellen verwendet werden. (Bildquelle: Signal Transformer)

Upgrade auf Ethernet

Aufgrund der schnelleren Datenrate und des geringeren Gewichts des Kabels ersetzen Konstrukteure den CAN-Bus in einer wachsenden Zahl von eMobility-Anwendungen durch Ethernet. Die MagJack-Automotive-Ethernet-ICMs (ICM: Integrated Connector Module, integrierte Steckverbindermodule) von Bel Fuse mit einem Port haben die Ethernet-Filterkomponenten in das Steckergehäuse integriert. Dies führt zu einer kompakteren Lösung und vereinfacht die Aufrüstung bestehender CAN-Bus-Systeme mit Ethernet-Signalen und Verkabelungsarten (Abbildung 5). MagJack-Ethernet-ICMs funktionieren bei bis zu 100°C und sind SAE/USCAR2-6-kompatibel. Diese ICMs sind von Broadcom, Intel und Marvell zugelassen und mit Standard-Transceivern für die Automobilindustrie kompatibel, was den Umstieg auf Ethernet weiter vereinfacht.

Abbildung 5: Die MagJack-Automotive-Ethernet-ICMs mit einem Port verfügen über integrierte Filterkomponenten, um den Bedarf an kompakten Lösungen zu decken. (Bildquelle: Bel Fuse)

Ein Beispiel dafür ist das Automotive-Ethernet-ICM A829-1J1T-KM, das alle elektrischen 10/100Base-T-Anforderungen für IEEE 802.3 erfüllt.

Energieumwandlung für HEVs und EVs

Bel Power Solutions bietet Entwicklern eine vollständige Palette von Leistungswandlungsoptionen für die eMobilität, einschließlich DC/DC-Wandlern, bidirektionalen DC/DC-Wandlern, On-Board-Ladegeräten, Hilfswechselrichtern und Wechselrichter-Ladesystemen, die ein bidirektionales Wechselrichter-Ladegerät mit zwei DC/DC-Abwärtswandlern integrieren. Das BCL25-700-8 mit einer Leistung von 22 Kilowatt (kW) beispielsweise ist ein flüssigkeitsgekühltes On-Board-Batterieladegerät für HEVs und EVs auf mittelschweren und schweren Plattformen für den Straßen- und Geländebetrieb (Abbildung 6). Zu den Merkmalen und Spezifikationen des BCL25-700-8 gehören:

• Einphasiger (190 bis 264 Volt AC) oder dreiphasiger (330 bis 528 Volt AC) Eingang
• Kann an das Wechselstromnetz oder an eine Ladestation für Elektrofahrzeuge (EVSE) angeschlossen werden (EV Std. IEC 61851-1)
• Konstanter Ausgangsstrom von 60 A über einen Spannungsbereich von 250 bis 800 Volt DC
• Bis zu vier Geräte können parallel geschaltet werden
• IP67- und IP6K9K-konform
• Zertifizierungen gemäß IEC 61851-21-1 und ECE R10.6
• SAE J1772 und CAN-Schnittstelle, SAE-J1939-konform
• Aktive Hochspannungs-DC-Verriegelungsüberwachung
• Arbeitet von -40°C bis 60°C bei voller Belastung
• Überspannungsschutz für den Ausgang sowie Übertemperatur- und Überstromschutz

Abbildung 6: Das BCL25-700-8 ist ein flüssigkeitsgekühltes On-Board-Batterieladegerät mit einer Leistung von 22 kW für HEVs und EVs, die für mittelschwere bis schwere Anwendungen sowohl auf der Straße als auch im Gelände bestimmt sind. (Bildquelle: Bel Fuse)

Fazit

Um die Sicherheits- und Nachhaltigkeitsanforderungen der nächsten Generation vernetzter, elektrischer und zunehmend automatisierter Fahrzeuge zu erfüllen, wird eine Vielzahl von Schaltungsschutz-, Kommunikations- und Energieumwandlungslösungen benötigt. Wie gezeigt, können Entwickler auf Lösungen in Form von für die Automobilindustrie qualifizierten Schaltungsschutzkomponenten, EMI-Drosseln, die AEC-Q200 entsprechen, vollständig geschirmten RJ45-Ethernet-Steckern, die SAE/USCAR2-6 entsprechen, und IP67-zertifizierten Stromwandlern zugreifen. Diese werden den HEV- und EV-Entwicklern helfen, die vielen aktuellen und zukünftigen Herausforderungen bei der Entwicklung autonomer Designs zu meistern.

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1. Fahrzeuge der Zukunft werden noch mehr Technologie enthalten