Hoe beveiliging, hulpvoeding en connectiviteit implementeren voor EV's en EV-voedingsapparatuur

Elektrische voertuigen spelen een steeds belangrijkere rol bij het terugdringen van de uitstoot van broeikasgassen om de bezorgdheid over klimaatverandering weg te nemen. Voor een succesvol ontwerp en implementatie van EV's en EV-voedingsapparatuur (EVSE) zoals batterijladers, moeten ontwerpers echter een groot aantal technologische uitdagingen aanpakken. Deze omvatten overspannings- en overstroombeveiliging, de onderdrukking van elektromagnetische interferentie (EMI), het ontwerp van voedingen met een breed ingangs- en bedrijfstemperatuurbereik en de voortdurende behoefte aan gewichtsvermindering om de actieradius van EV's te verbeteren.

Een batterijbeheersysteem (BMS) en besturingsinterface in een EVSE-systeem heeft bijvoorbeeld hulpwisselstroom- en gelijkstroomvoedingen nodig die kunnen werken bij een ingangsspanningsbereik van 85 tot 305 volt wisselstroom (V_AC) en een temperatuurbereik van -40 °C tot +85 °C. Om het gewicht aan te pakken, moeten ontwerpers overwegen om over te stappen van de eerbiedwaardige en beproefde CAN-bus naar Ethernet voor de auto-industrie, dat hogere bandbreedtes kan ondersteunen met lichtere kabels.

Dit artikel geeft een kort overzicht van de basisniveaus van EV-laders. Vervolgens worden de verschillende behoeften van elk type besproken met betrekking tot aanvullende AC/DC-voedingen (hulpvoeding), worden opties voor overspanning en overstroombeveiliging gegeven en wordt gekeken hoe Ethernet-connectiviteit kan worden geïmplementeerd en EMI kan worden onderdrukt om vervorming van hogesnelheidssignalen te voorkomen. Voorbeelden van oplossingen uit de praktijk om de verschillende ontwerpproblemen aan te pakken zullen worden geïntroduceerd van leveranciers zoals Bel Fuse, Signal Transformer, Stewart Connector en CUI.

Inleiding tot EV- en EVSE-laadvereisten

De uitrol van grote aantallen EVSE's, inclusief batterijladers en laadpalen, zal essentieel zijn voor een wijdverspreide adoptie van EV. Merk op dat EV-batterijladers intern in de EV zitten, terwijl laadpalen verwijzen naar externe laadstations. SAE J1772, de Noord-Amerikaanse standaard voor EV-connectors, definieert vier laadniveaus voor EV:

• AC-niveau 1 gebruikt 120 V_AC om maximaal 16 ampère (A) of 1,9 kilowatt (kW) te leveren AC-niveau 2 gebruikt 208 tot 240 V_AC om maximaal 80 A of 19,2 kW te leveren.
• DC-niveau 1 gebruikt tot 1.000 V_DC om tot 80 A of 80 kW te leveren.
• DC-niveau 2 gebruikt tot 1.000 V_DC om tot 400 A of 400 kW te leveren.

Hoewel SAE de twee DC-niveaus afzonderlijk definieert, worden ze vaak op één hoop gegooid en aangeduid als niveau 3, of DC-snelladen. Naast de verschillende ingangsspanningen en vermogensniveaus vereisen wisselstroomlaadpalen een aparte onboard lader (OBC) in het voertuig om de AC/DC-conversie en BMS-functies uit te voeren die nodig zijn om het batterijpakket veilig en efficiënt op te laden. In het geval van snelladen met gelijkstroom is er geen OBC nodig; de stroomconversie en BMS-functies zitten in de laadpaal. Elk laadniveau omvat communicatie (signalering) tussen het voertuig en de laadpaal (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: Drie niveaus van EV-laden worden algemeen erkend. Niveau 3 (onder) combineert de twee niveaus van gelijkstroomopladen gedefinieerd door SAE J1772. (Bron afbeelding: CUI)

Extra vermogen nodig

Volgens de vereisten van SAE J1772 is extra vermogen nodig om de algemene werking van de laadpaal en de signaalfuncties te ondersteunen bij het verbinden van de laadpaalcontroller met de voertuigcontroller. Het signaalprotocol is ontworpen om efficiënt en veilig opladen te garanderen door gebruik te maken van een continue tweewegverbinding tussen de paal en het voertuig.

De basisvereisten voor voeding vereisen een AC/DC-voeding die 12 V_DC levert voor signalering en een bedrijfstemperatuurbereik heeft van -40 tot +85 °C. Complete oplossingen hebben elektromagnetische compatibiliteit (EMC) en beveiligingscircuits nodig en hebben meestal een aparte DC/DC-convertor om een lagere spanning te leveren aan andere componenten, zoals 3,3 volt om een microcontroller unit (MCU) van stroom te voorzien.

Het precieze benodigde vermogen hangt af van het ontwerp van de laadpaal. Een lader van niveau 1 is bijvoorbeeld een eenvoudig ontwerp met minimale stroombehoeften en hulpstroom die kan worden geleverd door een miniatuur AC/DC-voeding van 5 watt die op een printplaat is gemonteerd. Niveau 2-laadpalen zijn complexer en hebben ongeveer 50 watt hulpvermogen nodig. Beide werken op eenfasige wisselstroomingangen, maar met verschillende vereisten voor de ingangsspanning; 120 V_AC voor niveau 1 en 208 tot 240 V_AC voor niveau 2.

Dingen veranderen aanzienlijk met niveau 3-laadpalen. Het laadcircuit in de heipaal werkt op driefasenstroom, vaak 480 V_AC. De hulpvoeding wordt gevoed met enkelfasige stroom en heeft een breed ingangsspanningsbereik nodig, zoals 85 tot 305 V_AC. Het uitgangsvermogen is ook hoger, vaak 150 watt of meer, waardoor een breder scala aan functies mogelijk is, waaronder extra bedieningselementen zoals betaalfuncties, een display en een GBS. Het kan een enkele uitgang hebben, zoals 24 V_DC voor de algehele systeemvoeding. Het systeem heeft een reeks gedistribueerde DC/DC-convertors om de 12 V_DC te leveren die nodig is voor signalering, een aparte 12 V_DC rail voor het GBS en 3,3 V_DC voor de MCU en andere componenten. Naast EMC en standaard beveiligingsfuncties vereisen deze stroomoplossingen een correctie van de arbeidsfactor (PFC) en bescherming tegen hoge inschakelstromen wanneer ze worden ingeschakeld.

Hulpvoedingen

Het goede nieuws voor ontwerpers is dat ze voedingen niet helemaal opnieuw hoeven te bouwen. In plaats daarvan zijn er nu kant-en-klare oplossingen voor alle soorten EV-laadpalen verkrijgbaar bij de CUI-divisie van Bel Fuse. De PBO-serie van 3, 5, 8 en 10-watt AC/DC-voedingen voor printplaatmontage zijn bijvoorbeeld geschikt voor niveau 1-laders. Het model PBO-5C-12 levert 5 watt met een uitgang van 12 V_DC bij een ingangsspanningsbereik van 85 tot 305 V_AC en is geschikt voor een temperatuurbereik van -40 °C tot +85 °C.

Laadpalen van niveau 2 hebben meer hulpvermogen nodig en kunnen gebruik maken van de PSK-serie AC/DC-voedingen, zoals de meegeleverde PSK-10D-12 van 10 watt die 830 milliampère (mA) levert bij 12 V_DC. Deze voeding heeft hetzelfde ingangsspanningsbereik en dezelfde bedrijfstemperatuurspecificaties als de PBO-5C-12. Zowel de PBO als de PSK-serie hebben overstroom- en kortsluitbeveiliging, maar de PSK-serie voegt daar overspanningsbeveiliging aan toe.

Voor laadpalen van niveau 3 kan de VGS-serie AC/DC-voedingen van CUI tot 350 watt leveren. Deze voedingen hebben kortsluit-, overstroom-, overspannings- en overtemperatuurbeveiliging, evenals inschakelstroombegrenzing en actieve PFC. Ze voldoen aan CISPR/EN55032 Klasse B voor uitgestraalde/geleide emissies en IEC 61000-3-2 klasse A voor beperkingen van harmonischen. Een voorbeeldmodel is de VGS-100W-24. Hij levert 108 watt vermogen met een uitgangsspanning van 24 V_DC en een typische efficiëntie van 89,5% (Afbeelding 2).

Afbeelding 2: De VGS (links), PSK (midden) en PBO (rechts) AC/DC-voedingen (niet op schaal) zijn geschikt voor respectievelijk niveau 3, niveau 2 en niveau 1 EV-laadpalen. (Bron afbeelding: Jeff Shepard)

Overstroombeveiliging

Om overstroombeveiliging te bieden voor hoogspanningsrails biedt Bel Fuse snelwerkende en robuuste keramische zekeringen met vermogens van 240, 500 en 1.000 volt. Ze zijn ontworpen voor gebruik in EV-batterijpacks, aansluitdozen, laadpalen en aanverwante toepassingen en voldoen aan de vereisten van de JASO D622/ISO 8820-8-zekeringnorm voor wegvoertuigen. Het model 0ALEB9100-PD keramische patroonzekering met boutbevestiging is berekend op 10 A en 500 volt (afbeelding 3).

Afbeelding 3: De 0ALEB9100-PD keramische zekering met boutbevestiging is geschikt voor 10 A en 500 volt en is ontworpen voor gebruik in een verscheidenheid aan EV-toepassingen. (Afbeelding bron: Bel Fuse)

Beveiliging tegen oververhitting

Bescherming tegen te hoge temperaturen is ook belangrijk in EV-laadpalen en batterijpakketten. Voor deze toepassingen biedt Bel Fuse de 0ZT-serie resettable zekeringen voor hoge temperaturen. Deze PTC-apparaten (positieve temperatuurcoëfficiënt) hebben een hoog bedrijfstemperatuurbereik van -40 °C tot +125 °C en leveren de vereiste uitschakel- en houdstromen voor een robuuste beveiliging tegen te hoge temperaturen. De 0ZTH0020FF2E is bijvoorbeeld berekend op 30 volt met een uitschakelstroom van 500 mA en een houdstroom van 200 mA (afbeelding 4). Net als andere PTC-apparaten in de OZT-serie is deze geschikt voor gebruik in omgevingen met hoge omgevingstemperaturen.

Afbeelding 4: De OZTH0020FF2E resettable zekering voor hoge temperaturen maakt deel uit van de OZT-serie PTC-apparaten voor oververhittingsbeveiliging die geschikt is voor gebruik in EV-laadpalen en BMS'en. (Bron afbeelding: Bel Fuse)

Connectiviteit en signaalintegriteit

Naast hulpvoedings- en beveiligingsfuncties hebben EV-laadpalen snelle connectiviteit en een hoge mate van signaalintegriteit nodig voor een betrouwbare werking. Aan deze vereisten wordt gemakkelijk voldaan door automotive Ethernet, gebaseerd op IEEE 802.3ch met gegevenssnelheden tot 10 gigabit per seconde (Gbits/s). Automotive Ethernet vervangt in hoog tempo de traditionele CAN-bus met zijn gegevenssnelheid van 1 megabit per seconde (Mbit/s). Dit is deels te danken aan de hoge gegevenssnelheid van automotive Ethernet, maar ook aan het feit dat deze gegevens worden geleverd via een niet-afgeschermde, enkele twisted-pair kabel die is ontworpen met het oog op zowel een laag gewicht als minimale kosten.

Het gebruik van Ethernet zal naar verwachting blijven groeien met de geplande release van IEEE 802.3dh in 2024. Deze standaard levert multi-gigabit automotive Ethernet over plastic glasvezel (POF). Enkele voordelen van POF in automobieltoepassingen zijn hoge elasticiteitsgrenzen, hoge breuktaaiheid en hoge flexibiliteit, waardoor het een goede keuze is om twisted pair Ethernet-bekabeling te vervangen.

Ondertussen biedt de Stewart Connector divisie van Bel Fuse modulaire RJ45 Ethernet-connectors voor de autoindustrie die voldoen aan de SAE/USCAR2-6-norm voor trillingen en afdichtingsvereisten. Ze zijn verkrijgbaar in rechthoekige en verticale montageontwerpen, met meerdere LED-configuraties en een bedrijfstemperatuurbereik van -40 °C tot +100 °C.

De connectors zijn geschikt voor Power-over-Ethernet (PoE) tot 100 watt. Omdat overspraak en retourverlies vaak een probleem vormen bij dit type PoE-connector, is het contactontwerp geoptimaliseerd voor hoge prestaties in toepassingen met een hoge frequentie. Ze zijn ook geoptimaliseerd voor een kleine voetafdruk.

Niet-LED-versies van de Stewart RJ45, zoals de SS-60300-011, zijn IR-reflowcompatibel en alle apparaten in de lijn hebben contacten die selectief zijn verguld met 50 micro-inches goud voor betere prestaties. De SS-60300-011 is ontworpen voor horizontale oriëntatie (Afbeelding 5).

Afbeelding 5: De SS-60300-011 is een compacte, horizontaal georiënteerde Ethernet-connector die PoE in automobieltoepassingen kan ondersteunen. (Bron afbeelding: Stewart Connector)

Om de signaalintegriteit te waarborgen, biedt de divisie Signal Transformer van Bel Fuse de SPDL-serie opbouw, common-mode smoorspoelen voor EMI-onderdrukking van differentiële ruis. Het filtert signalen over Ethernet en andere snelle interfaces met vrijwel geen signaalvervorming. Deze common-mode smoorspoelen zijn geschikt voor stromen tot 6,5 A met impedanties van 90 tot 2200 ohm (Ω) en hebben een bedrijfstemperatuurbereik van -40 °C tot +125 °C. Het model SPDL3225-101-2P-T is bijvoorbeeld berekend op 5100 Ω (nominaal), 50 volt en 150 mA (afbeelding 6).

Afbeelding 6: De SPDL3225-101-2P-T-smoorspoel voor opbouw regelt EMI met minimale signaalvervorming. (Bron afbeelding: Signaaltransformator)

Conclusie

De uitrol van EVSE-systemen zoals EV-laadpalen is belangrijk om grootschalig EV-gebruik en de daarmee gepaard gaande vermindering van broeikasgassen te ondersteunen. Er is een reeks types laadpalen voor EV's nodig die zowel langzaam AC-laden als snel DC-laden kunnen ondersteunen. Om een succesvol ontwerp en veilige implementatie van EV's en EVSE's te garanderen, kunnen ontwerpers gebruik maken van direct beschikbare, gespecialiseerde systemen en apparaten voor stroomomzetting en -levering, circuitbeveiliging en EMI-beperking.

Aanbevolen leesmateriaal

1. Gebruik CCS-connectors om de implementatie van veilige EV-snellaadsystemen te vereenvoudigen
2. Hoe condensators selecteren en toepassen voor efficiënte, betrouwbare en duurzame EV-laders
3. Bidirectionele vermogensconvertors en PFC gebruiken om de efficiëntie van HEV, BEV en het elektriciteitsnet te verbeteren
4. Hoe worden accu's voor elektrische voertuigen gemaakt?