Miten sähköisen liikkuvuuden alustoissa varmistetaan piirisuojaus, korkea datanopeus ja tehomuunnokset?

Luotettavan piirisuojauksen, nopean kommunikoinnin ja kompaktien tehomuunnosratkaisujen tarve sähköisessä liikkuvuudessa ja kuljetusjärjestelmissä kasvaa eri alustoilla, esimerkkinä hybridi- ja sähköautot, linja-autot, keskiraskaat ja raskaat maantie- ja maastoajoneuvot sekä merenkulku. Näitä suuntauksien taustalla on kestävän kehityksen ja turvallisuuden korostuminen kuljetusteollisuuden siirtyessä kohti autonomisempaa ohjausta ja sähkö- (EV) tai hybridiajoneuvoja (HEV). Tämän seurauksena on syntymässä uusia ajoneuvojärjestelmiä, joista on tulossa yhä riippuvaisempia turvallisesta ja kestävästä ajoneuvotoiminnasta.

Turvallisuuden ja luotettavuuden takaamiseksi verkotettujen, sähköisten ja automatisoitujen ajoneuvojen suunnittelijat tarvitsevat monenlaisia piirisuojauksia sekä kommunikointi- ja tehomuunnosratkaisuja, jotka on suunniteltu toimimaan luotettavasti haastavissa ympäristöissä ja sertifioitu täyttämään AEC-Q200-, SAE-, USCAR- ja muut suorituskykystandardit.

Tässä artikkelissa tarkastellaan lyhyesti joitakin piirisuojauslaitteiden spesifikaatioita, jotka suunnittelijoiden on otettava huomioon. Sen jälkeen siinä esitellään erityisiä piirisuojaus-, yhdistettävyys- ja tehomuunnosratkaisuja Bel Fuse-yhtiöltä ja tarkastellaan näiden tuotteiden käyttöä sähköisen liikkuvuuden järjestelmissä.

EV-suojauskomponentit ja -standardit

Jotta suunnittelijat voisivat vastata sähköajoneuvojen haasteisiin, he voivat käyttää erilaisia autokäyttöön hyväksyttyjä ja sertifioituja piirisuojaus-, kommunikointi- ja tehomuunnosratkaisuja, esimerkiksi:

• Autokäyttöön hyväksytyt sulakkeet virtajärjestelmiin ja osajärjestelmiin optimoiduissa putki-, piirilevyasennus- (läpi- ja pintaliitosasennus-) ja offset-pulttikonfiguraatioissa, sekä apusovelluksien ja lisävarusteiden sulakkeet, esimerkkinä kuljettajaa avustavat tutkajärjestelmät, jarrupumppujen moottorit, kannettavat laturit, akkujärjestelmät, infotainment-järjestelmät, kamerat, ohjelmoitava valaistus ja ohjaustehostimet. Lisäksi erityissovellukset edellyttävät suuriin kytkentävirtoihin soveltuvia, nopeita, hitaita ja palautuvia polymeerisiä positiivisen lämpötilakertoimen (PPTC) sulakkeita.
• AEC-Q200-hyväksytyt sähkömagneettisten häiriöiden (EMI) vaimennuskuristimet, jotka suodattavat kohinaa ja suojaavat ADAS- ja navigointijärjestelmien, multimediajärjestelmien, V2X (Vehicle-to-everything) -klustereiden ja antennien lukuisien anturiosajärjestelmien nopeat datasignaalit ja tarjoavat differentiaalisen kohinanvaimennuksen autojen Ethernet-, CAN (Controller Area Network) -väylä-, FlexRay- ja autojen USB (Universal Serial Bus) -väyliä varten.
• Täysin suojatut RJ45-liittimet, jotka noudattavat Society of Automotive Engineersin (SAE) USCAR2-6 ”Performance Specification for Automotive Electrical Connector System – Revision 6” -standardia ja joiden avulla suunnittelijat voivat korvata CAN-väylät nopeammalla ja kevyemmällä autojen Ethernetillä tukeakseen ajoneuvojen sisäisiä kasvavia tietotekniikkatarpeita erilaisissa ADAS-järjestelmissä. Niihin kuuluvat esimerkiksi kuljettajaa avustavat kamerat ja tutkapohjaiset kuljettajaa avustavat järjestelmät sekä telematiikka, mediamuuntimet ja yhdyskäytävät.
• IP67-sertifioidut virtamuuntimet, mukaan lukien sähkö- ja hybridiajoneuvojen akkulaturit, jotka ovat autokäyttöön hyväksyttyjä ja joita tarjotaan konvektio- tai nestejäähdytteisinä versioina galvaanisella eristyksellä.

Piirisuojauslaitteiden valinta

Kun sähköisiin liikkuvuusjärjestelmiin määritetään piirisuojauslaitteita, on tärkeää tuntea selkeästi sen toimintaominaisuudet. Joitakin perusominaisuuksia ovat:

• Jänniteluokitus: suurin sallittu jännite, jolla laite toimii turvallisesti.
• Virtaluokitus: sähkövirta ampeereina (A), jonka sulake voi kestää normaaleissa käyttöolosuhteissa.
• Katkaisukyky kutsutaan myös katkaisuluokitukseksi tai oikosulkuluokitukseksi): suurin virta, jonka sulake voi katkaista nimellisjännitteellä ilman vaurioitumista. Katkaisukyvyn on oltava vähintäänkin yhtä korkea kuin piirin suurin odotettavissa oleva vikavirta.
• Aika-virta-kuvaajat: määrittelevät, onko sulake nopea vai hidas. Nopeita sulakkeita käytetään, kun suojausnopeus on kriittistä. Hitaita sulakkeita käytetään sovelluksissa, joissa esiintyy lyhytaikaisia virtapiikkejä tai ylikuormitusta.

I²t: Spesifikaatio ilman testistandardia

Erityistä huomiota ansaitseva spesifikaatio on nimellinen sulamisluokitus I²t (lausutaan ”I toiseen T”). Tämä mittaa sulake-elementin sulattamiseen tarvittavaa energiaa ja se on tärkeä sulakkeen ominaisuus kaikissa sovelluksissa. I²t ilmaistaan ”ampeeri toiseen sekuntia” -arvossa (A²sec). Suunnittelijoiden kannalta on valittavaa, että mini- ja mikrosulakkeita koskeviin UL/CSA 248- tai IEC 127 -standardeihin ei sisälly testausmenettelyä eikä testauskriteereitä I²t-arvolle. Teollisuuden vakiomääritelmä I²t-arvolle on:

MELTING (sulatus) I²t mitattuna arvossa 10In käyttäen vakiotasavirtaa (DC), jossa ln on sulakkeen virtaluokitus.

Arvon 10In käyttö voi olla ongelmallista, eikä se anna aina tarkkoja katkaisuaikoja. Erityisesti hitaat sulakkeet saattavat vaatia yli 10-kertaisen nimellisvirran todellisen I²-arvon saamiseksi. Koska eri valmistajat käsittelevät tätä ongelmaa eri tavoin, suunnittelijoiden on tärkeää ymmärtää selkeästi kyseisten sulakkeiden I²t-arvojen mittauksessa on käytetty menetelmä. Näitä haasteita on käsitelty yksityiskohtaisemmin tässä linkissä: I²t explained.

Nopeat ja hitaat sirusulakkeet

Autojen navigointijärjestelmien, litiumioniakkujen hallintajärjestelmien (BMS), LED-ajovalojen, autojen Power over Ethernet (PoE)- ja PoE+-laitteiden sekä nestekidenäyttöjen (LCD) suunnittelijat voivat hyötyä paksukalvotekniikkaan perustuvien pintaliitossirusulakkeiden, kuten 0685P-sarjan nopeiden sulakkeiden, käytöstä. 0685P-sarjan ominaisuuksiin kuuluu korkea kytkentävirran kestokyky. Näitä AEC-Q200-yhteensopivia ja UL-hyväksyttyjä 1206-kokoisia sulakkeita on saatavana virtaluokituksilla 2–50 A sekä 50 voltin vaihtovirran (AC) ja 63 voltin tasavirran jänniteluokituksilla. 0685P3000-01-mallin virtaluokitus on 6 ampeeria ja sen I²t-luokitus on 1,3 A²sec nimellisvirralla 10In.

Hitaita sulakkeita tarvitseville suunnittelijoille Bel tarjoaa C1T-sarjan 1206-kokoiset sirusulakkeet (kuva 1). Niitä on saatavana virtaluokituksella 750 milliampeeria (mA) – 8 ampeeria ja sen jänniteluokitus on 63 volttia (AC tai DC). 0685T6000-01-mallin virtaluokitus on 6.0 ampeeria ja sen I²t-luokitus on 6,0 A²sec nimellisvirralla 10In. C1T-sarjan hitaat sulakkeet ovat UL-, CSA- ja CE-hyväksyttyjä, ja niillä on IEC 60127 -standardin mukainen TUV-sertifiointi miniatyyrisulakkeille.

Kuva 1: C1T-sarjan kaltaisia hitaita sirusulakkeita käytetään erilaisissa autoteollisuuden sovelluksissa, joissa pieni koko on tärkeää. (Kuvan lähde: Bel Fuse)

Palautuvat PPTC-laitteet

PPTC-laitteita voidaan käyttää ratkaisuissa, joissa voidaan hyödyntää palautuvaa piirisuojausta erittäin alhaisella toimintaresistanssilla ja erittäin korkealla pitovirralla. PPTC-laitteet voivat olla erityisen hyödyllisiä sovelluksissa kuten moottoreiden ja moottoripiirien suojauksessa sähkötoimisissa ovilukoissa, peileissä, istuimissa, kattoluukuissa ja ikkunoissa sekä lämmitys-, ilmanvaihto- ja ilmastointijärjestelmissä (L_VI) ja elektronisten ohjausyksiköiden (ECU) I/O-suojauksessa.

Bel tarjoaa kaksi tuoteperhettä PPTC-laitteita. Molemmat ovat AEC-Q-yhteensopivia, TUV-sertifioituja standardien EN/IEC 60738-1-1 ja EN/IEC 60730-1 mukaisesti ja UL-hyväksyttyjä standardin UL1434 mukaan:

• Radiaalijalkaisten 0ZRS-PPTC-laitteiden virtaluokitus on 500 milliampeerista 10 ampeeriin ja niiden maksimijännite on 32 V_DC ja tyypillinen teholuokitus 0,9–7,0 W (kuva 2). Esimerkiksi 0ZRS0100FF1E-mallin katkaisuvirta on 1,9 A, pitovirta 1,0 A ja teholuokitus 1,4 W.
• 0ZCG-PPTC-pintaliitossulakkeiden virtaluokitus on 100 milliampeerista 3 ampeeriin, niiden maksimijännite on 6–60 volttia DC ja niiden tyypillinen teholuokitus 0,8–1,3 W. Tämän tuotevalikoiman 0ZCG0110BF2B-laitteen jänniteluokitus on 24 volttia (DC) ja sen pitovirta on 1,1 A, katkaisuvirta 2,2 A ja teholuokitus 1 W.

Kuva 2: Radiaalijalkaisten OZRS-PPTC-sulakkeiden jänniteluokitus on 32 volttia (DC) ja virtaluokitus jopa 10 ampeeria. (Kuvan lähde: Bel Fuse).

Kytkentävirtaa kestävät sulakkeet

0680L-sarjan nelikulmaisten pintaliitettävien kotelokoon 2410 keraamisten sulakkeiden virrankestokapasiteetti on korkea (taulukko 1). Nämä hitaat sulakkeet on suunniteltu korkeita DC-katkaisuluokituksia ja korkeita DC-jännitteitä vaativiin sovelluksiin. 0680L-sulakkeiden jänniteluokitus on jopa 125 V (DC tai AC), ja ne tarjoavat virtaluokituksia 375 milliampeerista 12 ampeeriin. Lisäksi ne ovat AEC-Q-yhteensopivia.

Taulukko 1: 0680L-sarjan hitaiden pintaliitossulakkeiden sähköiset ominaisuudet. (Kuvan lähde: Bel Fuse)

Näitä hitaita sulakkeita käytetään usein PoE-, PoE+-, virtalähde- ja akunlatauspiirien suojaukseen. 0680L3000-05-mallin luokitus on 3 ampeeria ja 0,81 wattia, ja sen I²t-luokitus on 13 A²sec nimellisvirralla 10In.

Nopeat EV-virtasulakkeet

Suunnittelijat voivat käyttää suuritehoisten akkujen ja EV-tehomuuntimien suojaukseen putki- ja pulttikiinnitteisiä nopeita sulakkeita. Nämä sulakkeet ovat täysin EU-direktiivin 2011/65/EU ja muutosdirektiivin 2015/863 mukaisia. Ne on suunniteltu UL 248-1 -standardin mukaisiksi sekä noudattamaan JASO D622- ja ISO8820-8-standardien luotettavuusvaatimuksia. Tyypillisiin sovelluksiin kuuluvat:

• Järjestelmien pääsulakkeet
• Latausasemat
• Energiantallennus ja akut
• Tehonjakeluyksiköt
• Ajoneuvoon asennettavat DC-DC-muuntimet
• Jarrupumppujen moottorit
• Ilmastointilaitteiden kompressorimoottorit
• Sähköiset ohjausjärjestelmät

Sulakkeet kestävät jopa 600 A:n virran, ja niiden jänniteluokitukset ovat välillä 500–1000 volttia. 0ADAC0600-BE on hyvä esimerkki putkityyppisestä sulakkeesta, jonka luokitus on 600 milliampeeria ja 600 V_DC tai V_AC I²-luokituksella 0,073 A²sec nimellisvirralla 10In.

Aikaviiveelliset EV-sulakkeet

0697W-sarjan radiaalijalkaisten, aikaviiveellisten subminiatyyrisulakkeiden jänniteluokitukset ovat 350 volttia (AC) tai 72 volttia (DC) ja niiden virtaluokitus on 1–6 A. Lisäksi ne noudattavat standardia IEC 60127-3 (kuva 3). Nämä sulakkeet ovat AEC-Q-laatu- ja Mil-Std 202G-ympäristöstandardien mukaisia.

Kuva 3: 0697W-sarjan sulakkeet ovat AEC-Q-standardin mukaisia radiaalijalkaisia ja korkeajännitteisiä sulakkeita aikaviiveellä. (Kuvan lähde: Bel Fuse)

0697W-sulakkeiden käyttökohteisiin kuuluvat muun muassa elektroniset ohjausyksiköt, moottorit, ilmastoinnin ja ilmanvaihdon ohjausyksiköt, pistokkeet ja tupakansytyttimen lisävarusteet, pistorasiat ja johdinsarjat. Esimerkiksi 0697W2000-02-mallin luokitus on 2 ampeeria ja 0,63 wattia ja sen I²t-luokitus on 30 A²sec nimellisvirralla 10In.

Yhteismuotokuristimet nopeaa viestintää varten

Ethernet-, CAN-väylää, FlexRay- tai USB-kommunikointiväylää käyttävien autojen infotainment-, multimedia- ja ADAS-järjestelmien suunnittelijat voivat käyttää Signal Transformerin SPDL-sarjan AEC-Q200-sertifioituja erittäin kompakteja yhteismuotokuristimia vaimentamaan differentiaalimoodin kohinaa (kuva 4). Näitä kompakteja pintaliitoskuristimia (SMD) on saatavana neljässä metrisessä koossa, 2012, 3216, 3225 ja 4532, sekä 26 eri komponenttiluokituksessa. SPDL-sarjan nimellisvirta-alue on 150–400 mA ja impedanssialue 90–2200 ohmia (Ω). SPDL3225-101-2P-T-mallin luokitus on 150 mA ja 2200 Ω 100 mikrohenrin (µH) induktanssilla.

Kuva 4: SPDL-sarjan erittäin kompakteja SMD-yleismuotokuristimia voidaan käyttää Ethernet-, CAN-väylä-, FlexRay- tai USB-kommunikointirajapintojen kanssa. (Kuvan lähde: Signal Transformer)

Päivittäminen Ethernetiin

Suuremman datanopeuden ja kevyemmän kaapelin ansiosta suunnittelijat korvaavat sähköisissä liikkuvuussovelluksissa CAN-väylän yhä useammin Ethernetillä. Bel Fusen MagJack -tuotteet ovat autokäyttöön tarkoitetun Ethernetin yksiporttisia integroituja liitäntämoduuleita (ICM), joissa Ethernet-magneettiratkaisu on integroitu liitinpakettiin. Tämä tarjoaa kompaktimman ratkaisun ja yksinkertaistaa olemassa olevien CAN-väyläjärjestelmien päivittämistä käyttäen Ethernetin signalointi- ja kaapelointimenetelmiä (kuva 5). MagJack Ethernet-ICM-moduulien lämpötilaluokitus on jopa 100 °C ja ovat SAE/USCAR2-6-yhteensopivia. Nämä ICM-moduulit ovat Broadcomin, Intelin ja Marvellin hyväksymiä. Ne ovat myös yhteensopivia yleisten autoteollisuustasoisten lähetinvastaanottimien kanssa, mikä helpottaa edelleen siirtymistä Ethernetiin.

Kuva 5: Autokäyttöön tarkoitetun Ethernetin yksiporttiset MagJack-ICM-moduulit käyttävät integroitua magneettitekniikkaa, joka täyttää kompaktien ratkaisujen tarpeet. (Kuvan lähde: Bel Fuse)

Esimerkkinä tästä on autokäyttöön tarkoitetun Ethernetin ICM A829-1J1T-KM, joka täyttää kaikki IEEE 802.3 10/100Base-T -standardin sähköiset vaatimukset.

Tehomuunnokset HEV- ja EV-ajoneuvoissa

Bel Power Solutions tarjoaa suunnittelijoille täydellisen valikoiman tehomuunnosvaihtoehtoja sähköistä liikkuvuutta varten. Niihin sisältyvät DC-DC-muuntimet, kaksisuuntaiset DC-DC-muuntimet, ajoneuvoon asennettavat laturit, lisäinvertterit ja invertterilaturijärjestelmät, jotka yhdistävät kaksisuuntaisen invertterilaturin kahteen DC-DC-jännitteenalennusmuuntimeen. Esimerkiksi 22 kilowatin (kW) BCL25-700-8 on nestejäähdytteinen, ajoneuvoon asennettava akkulaturi keskiraskaisiin ja raskaisiin maantie- että maastoympäristöihin tarkoitettuihin HEV- ja EV-ajoneuvoihin (kuva 6). BCL25-700-8-akkulaturin ominaisuuksiin ja spesifikaatioihin kuuluvat:

• Yksivaiheinen (190–264 V AC) tai kolmivaiheinen (330–528 V DC) tulo
• Voidaan liittää vaihtovirtaverkkoon tai EVSE (Electric Vehicle Supply Equipment) -latausasemaan (EV-standardi IEC 61851-1)
• Jatkuva 60 A:n lähtövirta 250–800 voltin tasavirtajännitealueella
• Jopa neljä yksikköä voidaan sijoittaa rinnakkain
• IP67- ja IP6K9K-standardien mukainen
• IEC 61851-21-1- ja ECE R10.6 -sertifioinnit
• SAE J1772- ja CAN-liitäntä SAE J1939 -yhteensopivia
• Aktiivinen DC-korkeajännitelukituksen valvonta
• Toimii lämpötilassa -40 ... 60 °C täyskuormituksella
• Ylilämpötila-, ylivirta- ja lähdön ylijännitesuojaukset

Kuva 6: BCL25-700-8 on 22 kW:n ajoneuvoon asennettava nestejäähdytteinen akkulaturi HEV- ja EV-ajoneuvoille, jotka on tarkoitettu keskiraskaaseen ja raskaaseen maantie- ja maastokäyttöön. (Kuvan lähde: Bel Fuse)

Yhteenveto

Seuraavan sukupolven verkotettujen, sähköisten ja yhä korkeammin automatisoitujen ajoneuvojen turvallisuusvaatimusten ja kestävää kehitystä koskevien vaatimusten tukemiseen tarvitaan monenlaisia piirisuojaus-, kommunikaatio- ja tehomuunnosratkaisuja. Kuten artikkelissa on esitetty, suunnittelijoilla on käytettävissään ratkaisuja autokäyttöön hyväksyttyjen piirisuojauslaitteiden, AEC-Q200-standardin mukaisten EMI-vaimennuskuristimien, SAE/USCAR2-6-standardin mukaisten täysin suojattujen RJ45-Ethernet-liittimien ja IP67-sertifioitujen tehomuuntimien muodossa. Nämä auttavat HEV- ja EV-suunnittelijoita vastaamaan moniin nykyisiin ja tuleviin suunnitteluhaasteisiin autonomisten mallien kehittyessä.

Suositeltavaa luettavaa

1. Tomorrow’s Vehicles Will Have Even More Technology (Huomisen ajoneuvoissa on vieläkin enemmän teknologiaa)