Come fornire protezione dei circuiti, dati ad alta velocità e conversione di potenza alle piattaforme di eMobility

La necessità di soluzioni compatte per la protezione affidabile dei circuiti, di comunicazioni ad alta velocità e di conversione di potenza nei sistemi di eMobility e di trasporto sta crescendo in una gamma di piattaforme che comprendono auto ibride ed elettriche, autobus, veicoli medi e pesanti sia su strada che fuoristrada e piattaforme marine. Queste tendenze sono guidate da una crescente enfasi sulla sostenibilità e la sicurezza mentre il settore dei trasporti passa a un controllo più autonomo e ai veicoli elettrici (EV) o ibridi (HEV). Di conseguenza, stanno emergendo nuovi sistemi che diventano progressivamente più dipendenti dal funzionamento sicuro e sostenibile del veicolo.

Per garantire la sicurezza e l'affidabilità, i progettisti di veicoli connessi, elettrici e automatizzati hanno bisogno di un'ampia varietà di protezioni dei circuiti, insieme a soluzioni di comunicazione e conversione di potenza progettate per un funzionamento affidabile in ambienti difficili e certificate per soddisfare AEC-Q200, SAE, USCAR e altri standard di prestazioni.

Questo articolo passa brevemente in rassegna alcune delle specifiche dei dispositivi di protezione dei circuiti che i progettisti devono considerare. Introduce poi specifiche soluzioni di protezione dei circuiti, connettività e conversione di potenza di Bel Fuse ed esamina l'uso di questi prodotti nei sistemi di eMobility.

Componenti e standard di protezione EV

Per affrontare le sfide legate ai veicoli elettrici, i progettisti possono rivolgersi a una serie di soluzioni per la protezione dei circuiti, comunicazioni ad alta velocità e conversione di potenza qualificate e certificate per il settore automotive, tra cui:

• Fusibili qualificati automotive in configurazioni a cartuccia, montati su scheda CS (a foro passante e a montaggio superficiale) e con bulloni, ottimizzati per sistemi e sottosistemi di alimentazione, oltre a fusibili per applicazioni ausiliarie e accessori come sistemi radar di assistenza alla guida, motori per le pompe dei freni, caricatori portatili, sistemi a batteria, infotainment, telecamere, illuminazione programmabile e servosterzo. Inoltre, applicazioni specifiche richiederanno fusibili per alta corrente di inserzione, a intervento rapido, ad azione ritardata e ripristinabili a coefficiente di temperatura positivo polimerico (PPTC).
• Bobine di sbarramento delle interferenze elettromagnetiche (EMI) qualificate AEC-Q200 per filtrare il rumore e proteggere i segnali di dati ad alta velocità per i numerosi sottosistemi di sensori che compongono i sistemi ADAS e di navigazione, i sistemi multimediali, i gruppi V2X (Vehicle-to-everything) e le antenne e fornire la soppressione del rumore differenziale per Ethernet automotive, bus CAN (Controller Area Network), FlexRay e USB (Universal Serial Bus) automotive
• Connettori RJ45 completamente schermati conformi alla Society of Automotive Engineers (SAE) USCAR2-6 "Performance Specification for Automotive Electrical Connector System - Revision 6" e che permettono ai progettisti di sostituire i bus CAN con Ethernet automotive più veloce e leggero per supportare le crescenti esigenze di elaborazione a bordo del veicolo in una gamma di sistemi ADAS come le telecamere e i sistemi di assistenza alla guida basati su radar, nonché la telematica, i convertitori multimediali e i gateway.
• Convertitori di potenza certificati IP67, compresi i caricabatterie per veicoli elettrici e ibridi qualificati per il settore automotive e offerti in implementazioni raffreddate a convezione o a liquido con isolamento galvanico.

Selezione dei dispositivi di protezione dei circuiti

Quando si seleziona un dispositivo appropriato, è importante capirne a fondo le caratteristiche operative quando si specificano i dispositivi di protezione dei circuiti per i sistemi di eMobility. Alcune specifiche di base includono:

• Tensione nominale: la tensione massima ammissibile per un funzionamento sicuro
• Corrente nominale: la corrente in ampere (A) che il fusibile può trasportare in condizioni operative normali
• Potere di interruzione (detto anche capacità di cortocircuito): la corrente massima che il fusibile può interrompere alla sua tensione nominale senza danneggiarsi; il potere di interruzione deve soddisfare o superare la corrente di guasto massima prevista per il circuito
• Curve tempo-corrente: definiscono se il fusibile è a intervento rapido oppure ad azione ritardata; i fusibili a intervento rapido sono usati dove la velocità di protezione è critica; i fusibili ad azione ritardata sono usati in applicazioni che ricevono un picco di corrente a breve termine o un sovraccarico

I²t: una specifica senza uno standard di test

Una specifica che merita un'attenzione particolare è il grado di fusione nominale, I²t (pronunciato "I al quadrato di T"). Questa è una misura dell'energia richiesta per fondere l'elemento fusibile, una caratteristica importante per qualsiasi applicazione. I²t è espresso in "ampere secondi al quadrato" (A²sec). Sfortunatamente per i progettisti, né gli standard UL/CSA 248 né IEC127 per i fusibili miniaturizzati e i micro fusibili includono una procedura di prova o criteri di prova per I²t. La definizione standard del settore di I²t è:

I²t di FUSIONE misurato a 10In, usando corrente continua costante (c.c.), dove ln è la corrente nominale del fusibile.

L'uso di 10In può essere problematico e non sempre risulta in tempi di apertura accurati. I fusibili ad azione ritardata, in particolare, possono richiedere un multiplo superiore a 10 volte la corrente nominale per arrivare al vero valore I²t. Poiché diversi produttori affrontano questo dilemma in modo diverso, è importante per i progettisti avere conoscere il metodo utilizzato per arrivare ai valori I²t per fusibili specifici. Una discussione più dettagliata di queste sfide è disponibile qui: Spiegazione di I²t.

Fusibili in chip a intervento rapido e ad azione ritardata

I progettisti di sistemi di navigazione automotive, sistemi di gestione delle batterie agli ioni di litio (Li-ion) (BMS), fari a LED, Power over Ethernet (PoE), PoE+ e display a cristalli liquidi (LCD) possono trarre vantaggio dall'uso di fusibili in chip a montaggio superficiale basati sulla tecnologia a film spesso, come la serie 0685P di fusibili a intervento rapido. La serie 0685P ha un'elevata capacità di resistenza alla correnti di inserzione. Questi fusibili di formato 1206, conformi AEC-Q200 e approvati da UL, sono disponibili con correnti nominali da 2 a 50 A e tensioni nominali di 50 V c.a. e 63 V c.c. Il modello 0685P3000-01 è classificato per 6 A con un valore nominale I²t di 1,3 A²sec a 10In.

Per i progettisti che hanno bisogno di fusibili ad azione ritardata, Bel offre la serie C1T di fusibili in chip formato 1206 (Figura 1). Questi sono disponibili con capacità di corrente da 750 mA a 8 A e sono classificati per 63 V c.a. o c.c. Il modello 0685T6000-01 è classificato per 6,0 A con un valore nominale I²t di 6,0 A²sec a 10In. I fusibili ad azione ritardata serie C1T sono approvati UL, CSA e CE e hanno la certificazione TUV secondo IEC 60127 per i fusibili in miniatura.

Figura 1: I fusibili in chip ad azione ritardata come la serie C1T sono utilizzati in una varietà di applicazioni automotive dove il fattore di forma compatto è importante. (Immagine per gentile concessione di Bel Fuse)

Dispositivi PPTC ripristinabili

I progetti che possono beneficiare di una protezione dei circuiti ripristinabile con una resistenza di funzionamento molto bassa e una corrente di tenuta molto alta possono utilizzare i dispositivi PPTC. I PPTC possono essere particolarmente utili in applicazioni come la protezione dei motori e dei circuiti di chiusure centralizzate, specchietti, sedili, tetti apribili e finestrini, così come negli impianti di riscaldamento, ventilazione e aria condizionata (HVAC) e nella protezione I/O delle unità di controllo elettronico (ECU).

Bel offre due famiglie di dispositivi PPTC. Entrambi sono conformi AEC-Q, certificati TUV secondo EN/IEC 60738-1-1 e EN/IEC 60730-1 e riconosciuti UL secondo UL1434:

• I PPTC a conduttori radiali 0ZRS sono classificati da 500 mA a 10 A con una tensione massima di 32 V_c.c. e potenze tipiche da 0,9 a 7,0 W (Figura 2). Ad esempio, 0ZRS0100FF1E ha una corrente di sgancio di 1,9 A, una corrente di tenuta di 1,0 A ed è classificato per 1,4 W.
• I PPTC a montaggio superficiale 0ZCG sono classificati da 100 mA a 3 A con tensioni massime da 6 a 60 V c.c. e potenze tipiche da 0,8 a 1,3 W. Il dispositivo 0ZCG0110BF2B di questa famiglia è classificato a 24 V c.c. e ha una corrente di tenuta di 1,1 A, una corrente di sgancio di 2,2 A e una potenza nominale di 1 W.

Figura 2: I PPTC a conduttori radiali OZRS sono classificati a 32 V c.c. fino a 10 A (Immagine per gentile concessione di Bel Fuse)

Fusibile con resistenza alla corrente di inserzione

La serie 0680L di fusibili ceramici a montaggio superficiale in formato quadrato 2410 ha un'elevata capacità di resistenza alla corrente di inserzione (Tabella 1). Questi fusibili ad azione ritardata sono progettati per il settore automotive e le applicazioni che richiedono alte tensioni nominali c.c. ed elevati valori di potere di interruzione c.c. Sono classificati fino a 125 V c.c. o c.a. e offrono correnti nominali da 375 mA a 12 A. I fusibili 0680L sono conformi AEC-Q.

Tabella 1: Caratteristiche elettriche della serie 0680L di fusibili ad azione ritardata a montaggio superficiale. (Immagine per gentile concessione di Bel Fuse)

Questi fusibili ad azione ritardata sono spesso utilizzati per la protezione dei circuiti PoE, PoE+, di alimentazione e di carica delle batterie; 0680L3000-05 è classificato a 3 A e 0,81 W con un valore I²t di 13 A²sec a 10In.

Fusibili di potenza EV a intervento rapido

I progettisti possono rivolgersi ai fusibili a intervento rapido nelle configurazioni a cartuccia e a bullone per proteggere le batterie ad alta potenza e i convertitori di potenza EV. Questi fusibili sono pienamente conformi alla direttiva UE 2011/65/UE, con modifica alla direttiva 2015/863. Sono progettati per soddisfare la norma UL 248-1 e i requisiti di affidabilità di JASO D622 e ISO8820-8. Le applicazioni tipiche comprendono:

• Fusibile del sistema principale
• Stazioni di carica
• Immagazzinaggio dell'energia e batterie
• Unità di alimentazione distribuita
• Convertitori c.c./c.c. integrati
• Motori delle pompe dei freni
• Motori del compressore per l'aria condizionata
• Sistemi di sterzo elettrici

Possono gestire correnti fino a 600 A e hanno tensioni nominali da 500 a 1.000 V c.c.; 0ADAC0600-BE è un buon esempio di fusibile a cartuccia per 600 mA e 600 V_c.c. o V_c.a., con un valore I²t di 0,073 A²sec a 10In.

Fusibili ritardati EV

La serie 0697W di fusibili subminiaturizzati, a conduttore radiale, ritardati, ha valori nominali di 350 V c.a. o 72 V c.c., una corrente nominale da 1 A a 6 A ed è conforme a IEC 60127-3 (Figura 3). Questi fusibili sono conformi AEC-Q e agli standard ambientali Mil-Std 202G.

Figura 3: La serie 0697W comprende fusibili ritardati conformi AEC-Q, con conduttori radiali, ad alta tensione. (Immagine per gentile concessione di Bel Fuse)

Le applicazioni per i dispositivi 0697W includono ECU, motori, controlli di climatizzazione e ventilazione, spine e accessori per accendisigari, prese di corrente e cablaggi. Ad esempio, 0697W2000-02 è classificato a 2 A e 0,63 W con un valore I²t di 30 A²sec a 10In.

Bobine di arresto di modo comune per comunicazioni ad alta velocità

I progettisti di sistemi di infotainment, multimediali e ADAS automotive che utilizzano un bus di comunicazione Ethernet, CAN, FlexRay o USB possono rivolgersi alla serie SPDL di Signal Transformer che comprende bobine di arresto di modo comune ultracompatte certificate AEC-Q200 per la soppressione del rumore di modo differenziale (Figura 4). Queste bobine di arresto compatte a montaggio superficiale (SMD) sono offerte in quattro dimensioni metriche, 2012, 3216, 3225 e 4532 e in 26 classi diverse. La serie SPDL ha un intervallo di corrente nominale da 150 a 400 mA e un intervallo di impedenza da 90 a 2200 Ω. Il modello SPDL3225-101-2P-T è classificato a 150 mA e 2200 Ω con un'induttanza di 100 µH.

Figura 4: La serie SPDL di bobine di arresto di modo comune SMD ultracompatte può essere utilizzata con interfacce di comunicazione Ethernet, bus CAN, FlexRay o USB. (Immagine per gentile concessione di Signal Transformer)

Aggiornamento a Ethernet

Grazie alla sua velocità dati e al cavo più leggero, i progettisti stanno sostituendo il bus CAN con Ethernet in un numero crescente di applicazioni di eMobility. I moduli di connessione integrati (ICM) MagJack di Bel Fuse per Ethernet automotive a porta singola hanno i componenti magnetici Ethernet integrati nel contenitore del connettore. Questo si traduce in una soluzione più compatta che semplifica il compito di aggiornare i sistemi bus CAN esistenti con la segnalazione Ethernet e gli stili di cablaggio (Figura 5). Gli ICM Ethernet MagJack funzionano fino a 100 °C e sono compatibili con SAE/USCAR2-6. Questi ICM sono approvati da Broadcom, Intel e Marvell e sono compatibili con i transceiver standard di grado automotive, semplificando ulteriormente il passaggio a Ethernet.

Figura 5: Gli ICM MagJack per Ethernet automotive a porta singola presentano componenti magnetici integrati per soddisfare la necessità di soluzioni compatte. (Immagine per gentile concessione di Bel Fuse)

Un esempio è l'ICM A829-1J1T-KM per Ethernet automotive che soddisfa tutti i requisiti elettrici IEEE 802.3 10/100Base-T.

Conversione di potenza per HEV e EV

Bel Power Solutions offre ai progettisti una gamma completa di opzioni di conversione di potenza per l'eMobility, compresi convertitori c.c./c.c., convertitori c.c./c.c. bidirezionali, caricatori integrati, inverter ausiliari e sistemi di caricatori inverter che integrano un caricatore inverter bidirezionale con due convertitori abbassatori c.c./c.c. Ad esempio, BCL25-700-8 da 22 kW è un caricabatterie su scheda raffreddato a liquido per HEV e EV su piattaforme medie e pesanti per l'uso su strada e fuoristrada (Figura 6). Le caratteristiche e le specifiche di BCL25-700-8 includono:

• Ingresso monofase (da 190 a 264 V c.a.) o trifase (da 330 a 528 V c.a.)
• Può collegarsi alla rete elettrica in c.a. o a una stazione di ricarica EVSE (Electric Vehicle Supply Equipment) (EV Std. IEC 61851-1)
• Corrente di uscita costante di 60 A su un intervallo di tensione da 250 a 800 V c.c.
• Possibilità di mettere in parallelo fino a quattro unità
• Conforme IP67 e IP6K9K
• Certificazioni IEC 61851-21-1 e ECE R10.6
• Interfaccia SAE J1772 e CAN conforme SAE J1939
• Monitoraggio attivo dell'interblocco c.c. ad alta tensione
• Funziona da -40 a 60 °C a pieno carico
• Protezioni di sovratemperatura, sovracorrente e sovratensione in uscita

Figura 6: BCL25-700-8 è un caricabatterie su scheda raffreddato a liquido da 22 kW per HEV e EV destinati ad applicazioni medie e pesanti, sia su strada che fuoristrada. (Immagine per gentile concessione di Bel Fuse)

Conclusione

Sarà necessaria un'ampia varietà di soluzioni per la protezione dei circuiti, le comunicazioni e la conversione di potenza per supportare i requisiti di sicurezza e sostenibilità della prossima generazione di veicoli connessi, elettrici e sempre più automatizzati. Come mostrato, i progettisti hanno a disposizione soluzioni sotto forma di dispositivi di protezione dei circuiti qualificati per il settore automotive, bobina di sbarramento EMI conformi AEC-Q200, connettori Ethernet RJ45 completamente schermati conformi SAE/USCAR2-6 e convertitori di potenza certificati IP67. Questi aiuteranno i progettisti di HEV e EV ad affrontare le numerose sfide di progettazione attuali ed emergenti durante l'evoluzione dei progetti autonomi.

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1. I veicoli del futuro saranno ancora più tecnologici