Stromkreisschutz, Hochgeschwindigkeitsdaten und Energieumwandlung für eMobilitätsplattformen sicherstellen

Von Jeff Shepard

Zur Verfügung gestellt von Nordamerikanische Fachredakteure von Digi-Key

Der Bedarf an zuverlässigem Stromkreisschutz, Hochgeschwindigkeitskommunikation und kompakten Energieumwandlungslösungen in eMobilitäts- und Transportsystemen wächst in einer Reihe von Plattformen, darunter Hybrid- und Elektroautos, Busse, mittelschwere und schwere On- und Off-Highway-Fahrzeuge 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 Konstrukteure von vernetzten, elektrischen und automatisierten Fahrzeugen eine Vielzahl von Stromkreisschutz-, 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 Stromkreisschutzgeräten, die Konstrukteure berücksichtigen müssen. Anschließend werden spezifische Stromkreisschutz-, Verbindungs- und Energieumwandlungslösungen von Bel Fuse vorgestellt und der Einsatz dieser Produkte in eMobility-Systemen untersucht.

EV-Schutzkomponenten und Normen

Um die Herausforderungen im Zusammenhang mit Elektrofahrzeugen zu meistern, können Konstrukteure auf eine Reihe von für den Automobilbereich qualifizierten und zertifizierten Stromkreisschutz-, Hochgeschwindigkeitskommunikations- und Energieumwandlungslösungen zurückgreifen, darunter:

  • Qualifizierte Sicherungen für die Automobilindustrie in den Konfigurationen Patrone, Leiterplattenmontage (Durchsteck- und Oberflächenmontage) und versetzte Bolzen, 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, schnellem und langsamem Auslösen sowie rücksetzbare Polymersicherungen mit positivem Temperaturkoeffizienten (PPTC) erforderlich.
  • AEC-Q200-qualifizierte Drosseln zur Unterdrückung elektromagnetischer Interferenzen (EMI), um Rauschen herauszufiltern und Hochgeschwindigkeits-Datensignale für die zahlreichen Sensor-Subsysteme zu schützen, aus denen ADAS- und Navigationssysteme, Multimediasysteme, Vehicle-to-Everything (V2X)-Cluster und Antennen bestehen, und um eine differentielle Rauschunterdrückung für Automotive Ethernet, Controller Area Network (CAN)-Bus, FlexRay und Automotive Universal Serial Bus (USB) zu bieten
  • Vollständig geschirmte RJ45-Steckverbinder, die der Society of Automotive Engineers (SAE) 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 Stromrichter, einschließlich Ladegeräte für Elektro- und Hybridfahrzeuge, die für die Automobilindustrie geeignet sind und in konvektions- oder flüssigkeitsgekühlter Ausführung mit galvanischer Isolierung angeboten werden.

Auswahl der Stromkreisschutzeinrichtungen

Bei der Auswahl eines geeigneten Geräts ist ein klares Verständnis seiner Betriebseigenschaften wichtig, wenn Stromkreisschutzgeräte für eMobility-Systeme spezifiziert werden sollen. Einige grundlegende Spezifikationen sind:

  • Nennspannung: die maximal zulässige Spannung für einen sicheren Betrieb
  • Nennstrom: der Strom in Ampere (A), den die Sicherung unter normalen Betriebsbedingungen führen kann
  • Ausschaltvermögen (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 (auch 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" (A2sec). Zum Leidwesen der Konstrukteure enthalten weder die UL/CSA 248- noch die IEC127-Normen für Kleinst- und Feinsicherungen ein Prüfverfahren oder Prüfkriterien für I2t. Die branchenübliche Definition von I2t lautet:

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

Die Verwendung von 10In 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 Konstrukteure 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 Chip-Sicherungen

Entwickler von Kfz-Navigationssystemen, Lithium-Ionen-Batterie-Management-Systemen (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 1,3A2secbei 10In ausgelegt.

Für Entwickler, die träge Sicherungen benötigen, bietet Bel die C1T-Serie von Chipsicherungen 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 6,0A2secbei 10In ausgelegt. Die trägen Sicherungen der Serie C1T sind UL-, CSA- und CE-zugelassen und tragen die TÜV-Zertifizierung nach IEC 60127 für Feinsicherungen.

Image of Bel Fuse träge Chip-Sicherungen der Serie C1TAbbildung 1: Chip-Sicherungen wie die träge C1T-Serie werden in einer Vielzahl von Automobilanwendungen eingesetzt, bei denen ein kompakter Formfaktor wichtig ist. (Bildquelle: Bel Fuse)

Rücksetzbare PPTC-Geräte

Für Designs, die von einem rücksetzbaren Stromkreisschutz 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 E/A-Schutz von elektronischen Steuergeräten (ECU).

Bel bietet zwei Familien für PPTC-Geräte 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 Serie0ZRS haben einen Nennstrom von 500 mA bis 10 A bei einer maximalen Spannung von 32 VDC und einer typischen Nennleistung von 0,9 bis 7,0 W (Abbildung 2). Der 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 Serie0ZCG 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.

Bild von Bel Fuse OZRS radial verbleite PPTCsAbbildung 2: Die radial geführten PPTCs von OZRS sind für 32 Volt DC und bis zu 10 A ausgelegt (Bildquelle: Bel Fuse)

Einschaltstromfestigkeitsabsicherung

Die Keramiksicherungen der Serie 0680L in quadratischer Bauform mit 2410er-Gehäusegröße zur Oberflächenmontage haben 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.

Prüfstrom Pustezeit
Minimum Maximum
100 % 4 Stunden n/v
200% n/v 120 Sekunden
300% 0.15 Sekunden 3 Sekunden
800% 0.01 Sekunden 0.1 Sekunde

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 13A2secbei 10In ausgelegt.

Flinke EV-Leistungssicherungen

Zum Schutz von Hochleistungsbatterien und EV-Stromrichtern können Konstrukteure 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 sind:

  • Hauptsystem-Sicherung
  • Ladestationen
  • Energiespeicherung und Batteriepakete
  • Stromverteilungseinheiten
  • Eingebaute DC/DC-Wandler
  • Motoren für Bremspumpen
  • Motoren für Klimakompressoren
  • Elektrische Lenksysteme

Sie können Ströme bis zu 600 A bewältigen und haben Spannungswerte von 500 bis 1.000 Volt DC; die 0ADAC0600-BE ist ein gutes Beispiel für eine Patronensicherung, die für 600 mA und 600 VDC oderVAC ausgelegt ist, mit einem I2t-Wert von 0,073A2secbei 10In.

EV-Sicherungen mit Zeitverzögerung

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

Image of Bel Fuse 0697W Serie SicherungenAbbildung 3: Bei der Serie 0697W handelt es sich um AEC-Q-konforme, radial geführte Hochspannungssicherungen mit Zeitverzögerung. (Bildquelle: Bel Fuse)

Zu den Anwendungen für die 0697W-Geräte gehören Steuergeräte, Motoren, Klima- und Lüftungssteuerungen, Stecker und Zigarettenanzünder, Steckdosen und Kabelbäume. Der 0697W2000-02 ist zum Beispiel für 2 A und 0,63 W mit einem I2t-Wert von 30A2secbei 10In ausgelegt.

Gleichtaktdrosseln für Hochgeschwindigkeitskommunikation

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 derSPDL-Serie von Signal Transformer wenden, um das differentielle Rauschen zu unterdrücken (Abbildung 4). Diese kompakten SMD-Drosseln werden in vier metrischen Größen (2012, 3216, 3225 und 4532) und 26 verschiedenen Bauteilleistungen angeboten. Die SPDL-Serie hat 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 Mikrohenrien (µH) ausgelegt.

Image of Signal Transformer SPDL Serie von ultra-kompakten SMD GleichtaktdrosselnAbbildung 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 Bel Fuse MagJack Automotive Ethernet Single-Port Integrated Connector Module (ICMs) haben die Ethernet-Magnetiklösung 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 arbeiten 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.

Image of Bel Fuse MagJack automotive Ethernet Einzelanschluss-ICMsAbbildung 5: Die MagJack-Automotive-Ethernet-ICMs mit einem Anschluss verfügen über integrierte Magnete, um dem Bedarf an kompakten Lösungen gerecht zu werden. (Bildquelle: Bel Fuse)

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

Energieumwandlung für HEVs und EVs

Bel Power Solutions bietet Entwicklern eine vollständige Palette von Stromwandlungsoptionen 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 On- und Off-Highway-Betrieb (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
  • IEC 61851-21-1 und ECE R10.6 Zertifizierungen
  • SAE J1772 & CAN-Schnittstelle SAE J1939-konform
  • Aktive Hochspannungs-DC-Verriegelungsüberwachung
  • Arbeitet von -40 bis 60°C bei voller Belastung
  • Übertemperatur-, Überstrom- und Überspannungsschutz für den Ausgang

Image of Bel Fuse BCL25-700-8 ist ein flüssigkeitsgekühltes 22-kW-Batterieladegerät mit integrierter StromversorgungAbbildung 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 Stromkreisschutz-, Kommunikations- und Energieumwandlungslösungen benötigt. Wie gezeigt, können Entwickler auf Lösungen in Form von für die Automobilindustrie qualifizierten Stromkreisschutzgeräten, EMI-Unterdrückungsdrosseln, 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-Designern helfen, die vielen aktuellen und zukünftigen Herausforderungen bei der Entwicklung autonomer Designs zu meistern.

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Über den Autor

Jeff Shepard

Jeff has been writing about power electronics, electronic components, and other technology topics for over 30 years. He started writing about power electronics as a Senior Editor at EETimes. He subsequently founded Powertechniques, a power electronics design magazine, and later founded Darnell Group, a global power electronics research and publishing firm. Among its activities, Darnell Group published PowerPulse.net, which provided daily news for the global power electronics engineering community. He is the author of a switch-mode power supply text book, titled “Power Supplies,” published by the Reston division of Prentice Hall.

Jeff also co-founded Jeta Power Systems, a maker of high-wattage switching power supplies, which was acquired by Computer Products. Jeff is also an inventor, having his name is on 17 U.S. patents in the fields of thermal energy harvesting and optical metamaterials and is an industry source and frequent speaker on global trends in power electronics. He has a Masters Degree in Quantitative Methods and Mathematics from the University of California.

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