Come implementare la protezione, l'alimentazione ausiliaria e la connettività di EV e delle apparecchiature di alimentazione associate

I veicoli elettrici (EV) stanno svolgendo un ruolo sempre più importante nella riduzione delle emissioni di gas a effetto serra (GHG) per affrontare le problematiche legate al cambiamento climatico. Tuttavia, per il successo della progettazione e della diffusione dei veicoli elettrici e delle apparecchiature di alimentazione dei veicoli elettrici (EVSE), come i caricabatterie, i progettisti devono affrontare numerose sfide tecnologiche. Tra questi, la protezione dei circuiti da sovratensione e sovracorrente, la soppressione delle interferenze elettromagnetiche (EMI), la progettazione di alimentatori con ampi intervalli di temperatura di ingresso e di funzionamento e la costante necessità di ridurre il peso per migliorare l'autonomia dei veicoli elettrici.

Ad esempio, il sistema di gestione delle batterie (BMS) e l'interfaccia di controllo di un sistema EVSE necessitano di alimentatori c.a./c.c. ausiliari in grado di funzionare con una tensione di ingresso compresa tra 85 e 305 V_c.a. e una temperatura compresa tra -40 e +85 °C. Per risolvere il problema del peso, i progettisti devono considerare la possibilità di passare dal consolidato bus CAN a Ethernet di grado automotive, per supportare larghezze di banda più elevate con cavi più leggeri.

Questo articolo fornisce una breve panoramica dei livelli di base dei caricabatterie EV. Illustra quindi le diverse esigenze di ciascun tipo in relazione agli alimentatori c.a./c.c. ausiliari (alimentazione ausiliaria), le opzioni di protezione da sovratensione e sovracorrente e le modalità di implementazione della connettività Ethernet e di soppressione delle EMI per evitare distorsioni dei segnali ad alta velocità. Presenta infine esempi di soluzioni reali per risolvere i vari problemi di progettazione, proposte da fornitori come Bel Fuse, Signal Transformer, Stewart Connector e CUI.

Introduzione ai requisiti di ricarica di EV ed EVSE

La diffusione degli EVSE, compresi i caricabatterie e le pile di ricarica, sarà fondamentale per l'adozione diffusa dei veicoli elettrici. Si noti che i caricabatterie EV sono interni al veicolo, mentre le pile di ricarica si riferiscono a stazioni di ricarica esterne. SAE J1772, lo standard nordamericano per i connettori EV, definisce quattro livelli di ricarica EV:

• Il livello 1 c.a. utilizza 120 V_c.a. per erogare fino a 16 A o 1,9 kW Il livello 2 c.a. utilizza da 208 a 240 V_c.a. per erogare fino a 80 A o 19,2 kW.
• Il livello 1 c.c. utilizza fino a 1.000 V_c.c. per erogare fino a 80 A o 80 kW.
• Il livello 2 c.c. utilizza fino a 1.000 V_c.c. per erogare fino a 400 A o 400 kW.

Sebbene la SAE definisca i due livelli di corrente continua separatamente, spesso sono accomunati e indicati come livello 3, o ricarica rapida in corrente continua. Oltre alle diverse tensioni di ingresso e ai diversi livelli di potenza, le pile di ricarica in c.a. richiedono un caricatore di bordo (OBC) separato nel veicolo per gestire la conversione c.a./c.c. e le funzioni BMS necessarie per caricare in modo sicuro ed efficiente il gruppo batteria. Nel caso della ricarica rapida in c.c., non è necessario un OBC; le funzioni di conversione di potenza e BMS si trovano nella pila di ricarica. Ogni livello di ricarica comprende la comunicazione (segnalazione) tra il veicolo e la pila di ricarica (Figura 1).

Figura 1: Sono comunemente riconosciuti tre livelli di ricarica EV. Il livello 3 (in basso) combina i due livelli di ricarica in c.c. definiti dalla norma SAE J1772. (Immagine per gentile concessione di CUI)

Esigenze di alimentazione ausiliaria

In base ai requisiti SAE J1772, l'alimentazione ausiliaria è necessaria per supportare il funzionamento generale della pila di ricarica e le funzioni di segnalazione quando si collega il controller della pila di ricarica al controller del veicolo. Il protocollo di segnale è progettato per garantire una ricarica efficiente e sicura, utilizzando una connettività bidirezionale continua tra la pila e il veicolo.

Il requisito di alimentazione di base prevede un alimentatore c.a./c.c. che fornisca 12 V_c.c. per la segnalazione e che abbia un intervallo della temperatura di funzionamento compreso tra -40 e +85 °C. Le soluzioni complete necessitano di compatibilità elettromagnetica (EMC) e di circuiti di protezione, e di solito dispongono di un convertitore c.c./c.c. separato per fornire una tensione inferiore ad altri componenti, come 3,3 V per alimentare un'unità microcontroller (MCU).

L'esatto fabbisogno energetico dipende dalla struttura della pila di ricarica. Ad esempio, un caricabatterie di livello 1 è un progetto semplice con un fabbisogno energetico minimo e un'alimentazione ausiliaria che può essere fornita con un alimentatore c.a./c.c. miniaturizzato da 5 W montato su una scheda a circuiti stampati. Le pile di ricarica di livello 2 sono più complesse e necessitano di circa 50 W di potenza ausiliaria. Entrambi funzionano con ingressi c.a. monofase, ma con requisiti di tensione di ingresso diversi: 120 V_c.a. per il livello 1 e 208-240 V_c.a. per il livello 2.

Le cose cambiano notevolmente con le pile di ricarica di livello 3. Il circuito di carica della pila funziona con corrente trifase, spesso a 480 V_c.a.. L'alimentatore ausiliario è alimentato con corrente monofase e necessita di un ampio intervallo della tensione di ingresso, ad esempio da 85 a 305 V_c.a.. Anche la potenza di uscita è maggiore, spesso 150 W o più, e offre una gamma più ampia di funzioni, tra cui controlli aggiuntivi come le funzioni di pagamento, un display e un BMS. Può avere un'unica uscita, ad esempio a 24 V_c.c. per l'alimentazione complessiva del sistema. Il sistema sarà dotato di una serie di convertitori c.c./c.c. distribuiti per fornire i 12 V_c.c. necessari per la segnalazione, un rail separato da 12 V_c.c. per il BMS e 3,3 V_c.c. per l'MCU e altri componenti. Oltre alle funzioni di protezione EMC e standard, queste soluzioni di alimentazione richiedono la correzione del fattore di potenza (PFC) e la protezione da elevate correnti di inserzione all'accensione.

Alimentatori ausiliari

La buona notizia per i progettisti è che non devono costruire da zero gli alimentatori ausiliari. Sono infatti disponibili soluzioni standard per tutti i tipi di pile di ricarica EV, fornite dalla divisione CUI di Bel Fuse. Ad esempio, gli alimentatori c.a./c.c. da 3, 5, 8 e 10 W montati su scheda serie PBO sono adatti ai caricabatterie di livello 1. Il modello PBO-5C-12 eroga 5 W con un'uscita di 12 V_c.c. da una tensione di ingresso compresa tra 85 e 305 V_c.a. ed è progettato per funzionare a temperature comprese tra -40 e +85 °C.

Le pile di ricarica di livello 2 richiedono una maggiore potenza ausiliaria e possono utilizzare gli alimentatori c.a./c.c. serie PSK, come il modello PSK-10D-12 da 10 W, che eroga 830 mA a 12 V_c.c.. Questo alimentatore ha lo stesso intervallo di tensione di ingresso e le stesse specifiche di temperatura di funzionamento di PBO-5C-12. Entrambe le serie PBO e PSK sono dotate di protezione da sovracorrente e cortocircuito, ma la serie PSK aggiunge la protezione da sovratensione.

Per le pile di ricarica di livello 3, la serie VGS di alimentatori c.a./c.c. di CUI può erogare fino a 350 W. Questi alimentatori sono dotati di protezione da cortocircuito, sovracorrente, sovratensione e sovratemperatura, nonché di limitazione della corrente di inserzione e PFC attivo. Sono conformi alle norme CISPR/EN55032 Classe B per le emissioni irradiate/condotte e IEC 61000-3-2 Classe A per le limitazioni delle armoniche. Un esempio è il modello VGS-100W-24. Fornisce 108 W di potenza con una tensione di uscita di 24 V_c.c. e un'efficienza tipica dell'89,5% (Figura 2).

Figura 2: Gli alimentatori c.a./c.c. VGS (a sinistra), PSK (al centro) e PBO (a destra) (non in scala) sono adatti rispettivamente per le pile di ricarica EV di livello 3, livello 2 e livello 1. (Immagine per gentile concessione di Jeff Shepard)

Protezione dalle sovracorrenti

Per garantire la protezione da sovracorrente per i rail ad alta tensione, Bel Fuse offre fusibili ceramici robusti e a intervento rapido con tensioni nominali di 240, 500 e 1.000 V. Sono progettati per l'uso nei gruppi batteria EV principali, nelle scatole di giunzione, nelle pile di ricarica e nelle applicazioni correlate e soddisfano i requisiti dello standard JASO D622/ISO 8820-8 per i fusibili dei veicoli stradali. Il fusibile ceramico a cartuccia per montaggio a bullone modello 0ALEB9100-PD ha una corrente nominale di 10 A e una tensione nominale di 500 V (Figura 3).

Figura 3: Il fusibile ceramico 0ALEB9100-PD con montaggio a bullone è classificato per 10 A e 500 V ed è progettato per l'uso in una varietà di applicazioni EV. (Immagine per gentile concessione di Bel Fuse)

Protezione da sovratemperatura

La protezione da sovratemperatura è importante anche per le pile di ricarica e i gruppi batteria EV. Per queste applicazioni, Bel Fuse offre i fusibili ripristinabili per alte temperature serie 0ZT. Questi dispositivi a coefficiente di temperatura positivo (PTC) hanno un elevato intervallo della temperatura di funzionamento, da -40 a +125 °C e forniscono le correnti di sgancio e di tenuta necessarie per una robusta protezione dalle sovratemperature. 0ZTH0020FF2E, ad esempio, è classificato per 30 V con una corrente di sgancio di 500 mA e una corrente di tenuta di 200 mA (Figura 4). Come altri dispositivi PTC della serie OZT, è adatto al funzionamento in ambienti ad alta temperatura.

Figura 4: Il fusibile ripristinabile per alte temperature OZTH0020FF2E fa parte della serie OZT di dispositivi PTC per la protezione da sovratemperatura, adatti all'uso in pile di ricarica EV e BMS. (Immagine per gentile concessione di Bel Fuse)

Connettività e integrità del segnale

Oltre alle funzioni di alimentazione e protezione ausiliarie, per il funzionamento affidabile le pile di ricarica EV richiedono una connettività ad alta velocità e un elevato grado di integrità del segnale. Questi requisiti sono facilmente soddisfatti dall'Ethernet automotive, basato su IEEE 802.3ch con velocità di trasmissione dati fino a 10 Gbit/s. Ethernet automotive sta rapidamente sostituendo il tradizionale bus CAN con la sua velocità di trasmissione dati di 1 Mbit/s. Ciò è dovuto in parte all'elevata velocità di trasmissione dei dati dell'Ethernet automotive, ma anche al fatto che questi dati vengono trasmessi attraverso un cavi a doppino intrecciato singolo non schermato, che ha un peso ridotto e un costo minimo.

Si prevede che l'uso di Ethernet continuerà a crescere con il rilascio previsto di IEEE 802.3dh nel 2024. Questo standard fornirà Ethernet multi-gigabit per autoveicoli su fibra ottica plastica (POF). Tra i vantaggi di POF nelle applicazioni automotive vi sono gli elevati limiti di deformazione elastica, l'elevata tenacità alla frattura e l'alta flessibilità, che lo rendono una buona scelta per sostituire il cablaggio Ethernet a doppino intrecciato.

Nel frattempo, per i progetti automotive di oggi, la divisione Stewart Connector di Bel Fuse offre connettori Ethernet modulari RJ45 di tipo automotive conformi allo standard SAE/USCAR2-6 per i requisiti di vibrazione e tenuta. Sono disponibili con montaggio ad angolo retto e verticale, con diverse configurazioni dei LED e con una temperatura di funzionamento compresa tra -40 e +100 °C.

I connettori possono ospitare l'alimentazione PoE (Power over Ethernet) a livelli fino a 100 W. Poiché la diafonia e l'attenuazione di riflessione sono spesso un problema per questo tipo di connettori PoE, il design dei contatti è stato ottimizzato nell'ottica di prestazioni elevate in applicazioni ad alta frequenza. Sono inoltre ottimizzati per un ingombro compatto.

Le versioni non LED di Stewart RJ45, come il modello SS-60300-011, sono compatibili con la rifusione IR e tutti i dispositivi della linea hanno contatti placcati selettivamente con 1,27 micrometri d'oro per migliorare le prestazioni. SS-60300-011 è progettato per l'orientamento orizzontale (Figura 5).

Figura 5: SS-60300-011 è un connettore Ethernet compatto, orientato orizzontalmente, in grado di supportare PoE in applicazioni automotive. (Immagine per gentile concessione di Stewart Connector)

Per garantire l'integrità del segnale, la divisione Signal Transformer di Bel Fuse offre la serie SPDL di bobine di arresto di modo comune a montaggio superficiale per la soppressione EMI del rumore di modo differenziale. Filtra i segnali su Ethernet e altre interfacce ad alta velocità con una distorsione del segnale praticamente nulla. Queste bobine di arresto di modo comune sono indicate per correnti fino a 6,5 A con impedenze da 90 a 2200 Ω e hanno una temperatura di funzionamento compresa tra -40 e +125 °C. Ad esempio, il modello SPDL3225-101-2P-T ha valori nominali di 5100 Ω (tipica), 50 V e 150 mA (Figura 6).

Figura 6: La bobina di arresto di modo comune a montaggio superficiale SPDL3225-101-2P-T controlla le EMI con una distorsione minima del segnale. (Immagine per gentile concessione di Signal Transformer)

Conclusione

La diffusione di sistemi EVSE, come le pile di ricarica, è importante per sostenere l'uso dei veicoli elettrici su larga scala e la conseguente riduzione dei gas serra. È necessaria una gamma di tipi di pila di ricarica EV in grado di supportare sia la ricarica lenta in c.a. che la ricarica rapida in c.c. Per il successo della progettazione e la sicurezza di EV e EVSE, i progettisti possono avvalersi di sistemi e dispositivi specializzati per la conversione di potenza e l'erogazione, la protezione dei circuiti e la mitigazione delle EMI.

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