Sähköajoneuvojen ja niiden virtalaitteiden suojauksen, lisävirran ja verkkoyhteyden toteutus

Sähköajoneuvoilla (Electric Vehicle, EV) on alati kasvava rooli kasvihuonekaasupäästöjen (GHG) vähentämisessä ja ilmastonmuutoksen hidastamisessa. Kuitenkin sähköajoneuvojen ja niiden vaatiman virransyöttölaitteiston (EV Supply Equipment, EVSE), kuten akkulatureiden, onnistunut suunnittelu ja käyttöönotto vaativat lukuisten erilaisten teknisten haasteiden ratkaisemista. Näihin sisältyvät piirien ylijännite- ja ylivirtasuojaus, sähkömagneettisten häiriöiden (Electromagnetic Interference, EMI) vaimentaminen, laajan syöttö- ja käyttöjännitealueen virtalähteiden suunnittelu sekä EV-käyttösäteen parantaminen painoa pienentämällä.

Esimerkiksi EVSE-järjestelmän akunhallintajärjestelmä (Battery Management System, BMS) ja ohjausrajapinta vaativat AC/DC-lisävirtalähteitä, jotka toimivat syöttöjännitealueella 85–305 volttia AC (V_AC) ja lämpötila-alueella −40 °C … +85 °C. Painon vähentämiseksi suunnittelijoiden on syytä harkita siirtymistä vanhasta tutusta CAN-väylästä autoteollisuusluokan Ethernetiin, joka tukee korkeampia kaistanleveyksiä kevyemmillä kaapeleilla.

Tässä artikkelissa esitetään lyhyt katsaus EV-latureiden käyttötasoihin. Sitten artikkelissa tutustutaan erityyppisten AC/DC-lisävirtalähteiden tarpeisiin, ylijännite- ja ylivirtasuojausvaihtoehtoihin, Ethernet-yhteyden toteutukseen sekä EMI-häiriöiden vaimentamiseen, jotka muutoin saattaisivat vääristää nopeiden yhteyksien signaaleja. Artikkelissa esitellään myös tosimaailman ratkaisuesimerkkejä erilaisiin suunnitteluhaasteisiin sellaisilta valmistajilta kuten Bel Fuse, Signal Transformer, Stewart Connector ja CUI.

Sähköajoneuvojen ja EVSE-latausvaatimusten esittely

Jotta sähköajoneuvot voisivat yleistyä, käytettävissä on oltava suuri määrä EVSE-ratkaisuita, kuten akkulatureita ja latauspylväitä. Huomaa, että EV-akkulaturit kuuluvat sähköajoneuvoon, kun taas latauspylväillä viitataan ulkoisiin latausasemiin. Pohjois-Amerikan EV-liitinstandardissa SAE J1772 määritellään neljä EV-lataustasoa:

• AC-taso 1 käyttää jännitettä 120 V_AC ja syöttää jopa 16 ampeeria tai 1,9 kilowattia, kun taas AC-taso 2 käyttää jännitettä 208–240 V_AC ja syöttää jopa 80 A tai 19,2 kW.
• DC-taso 1 käyttää maksimijännitettä 1000 V_DC ja syöttää jopa 80 A tai 80 kW.
• DC-taso 2 käyttää maksimijännitettä 1000 V_DC ja syöttää jopa 400 A tai 400 kW.

Vaikka SAE-standardissa määritelläänkin kaksi erillistä DC-tasoa, ne usein yhdistetään ja niitä kutsutaan tasoksi 3 tai DC-pikalataukseksi. Erilaisten syöttöjännitteiden ja tehotasojen lisäksi AC-latauspylväät vaativat erillisen ajoneuvon sisäisen laturin (Onboard Charger, OBC), joka suorittaa akun tehokkaan latauksen edellyttämän AC/DC-muunnoksen ja BMS-toiminnot. DC-pikalatauksessa ei tarvita sisäistä laturia, sillä virtamuunnos- ja BMS-toiminnot sijaitsevat latauspylväässä. Kuhunkin lataustasoon sisältyy kommunikaatiota (tiedonsiirto) ajoneuvon ja latauspylvään välillä (kuva 1).

Kuva 1: Yleisesti käytössä olevia EV-lataustasoja on kolme. Taso 3 (alimmaisena) yhdistää SAE J1772 ‑standardissa määritellyt kaksi DC-lataustasoa. (Kuvan lähde: CUI)

Lisävirran tarve

SAE J1772 -vaatimusten mukaisesti latauspylvään yleiseen toimintaan ja tiedonsiirtoon tarvitaan lisätehoa, kun latauspylvään ohjain kytketään ajoneuvon ohjaimeen. Tiedonsiirtoprotokolla on suunniteltu varmistamaan tehokas ja turvallinen lataus jatkuvalla kaksisuuntaisella yhteydellä pylvään ja ajoneuvon välillä.

Perustason tehovaatimuksena on AC/DC-virtalähde, joka syöttää tiedonsiirtoa varten jännitteen 12 V_DC käyttölämpötila-alueella −40 °C … +85 °C. Kokonaisratkaisuun tarvitaan EMC (Electromagnetic Compatibility) -piirit sekä suojapiirit. Niissä on yleensä erillinen DC/DC-muunnin pienemmän jännitteen syöttämiseksi muihin komponentteihin, kuten 3,3 voltin jännite mikrokontrolleria (Microcontroller Unit, MCU) varten.

Tarkat tehovaatimukset riippuvat latauspylvään rakenteesta. Esimerkiksi tason 1 laturi on melko yksinkertainen ja vaatii minimaalisesti virtaa. Tällöin lisävirta voidaan syöttää piirilevyyn asennetulla 5 watin AC/DC-pienoisvirtalähteellä. Tason 2 latauspylväät ovat kompleksisempia ja tarvitsevat noin 50 wattia lisävirtaa. Kumpikin standardi toimii AC-yksivaihesyötöllä, mutta niillä on erilaiset syöttöjännitevaatimukset: 120 V_AC tasolla 1 ja 208–240 V_AC tasolla 2.

Tason 3 latauspylväillä tilanne on hyvin erilainen. Pylvään latauspiiri toimii kolmivaihevirralla, usein jännitteellä 480 V_AC. Lisävirta syötetään yksivaihevirtana, ja se vaatii laajan syöttöjännitevälin, kuten 85–305 V_AC. Lähtöteho on myös suurempi, usein 150 wattia tai enemmän. Näin ollen voidaan tarjota sellaisia lisäominaisuuksia kuten maksutoiminnot, näyttö ja BMS. Siinä voi olla järjestelmän yleistä virransyöttöä varten yksi lähtö, kuten 24 V_DC. Järjestelmässä on sarja hajautettuja DC/DC-muuntimia 12 V_DC:n syöttämiseksi tiedonsiirtoa varten, erillinen jännitetaso 12 V_DC BMS:lle sekä 3,3 V_DC:n syöttö MCU:lle ja muille komponenteille. EMC-suojauksen ja tavallisten suojaustoimintojen lisäksi nämä virransyöttöratkaisut vaativat tehokertoimen korjauksen (Power Factor Correction, PFC) sekä suojauksen käynnistyksen aikana esiintyviä korkeita virtapiikkejä vastaan.

Lisävirtalähteet

Suunnittelijat voivat huokaista helpotuksesta, sillä heidän ei tarvitse rakentaa lisävirtalähteitä alusta alkaen. Sen sijaan Bel Fusen CUI-jaosto tarjoaa valmiita ratkaisuja erityyppisiä EV-latauspylväitä varten. Esimerkiksi PBO-sarjan 3, 5, 8 ja 10 watin piirilevylle asennettavat AC/DC-virtalähteet sopivat tason 1 latureihin. PBO-5C-12-malli syöttää 5 wattia lähtöjännitteellä 12 V_DC ja sen syöttöjännite on 85–305 V_AC. Se on luokiteltu toimimaan lämpötila-alueella −40 °C … +85 °C.

Enemmän lisävirtaa vaativat tason 2 latauspylväät voivat käyttää PSK-sarjan AC/DC-virtalähteitä, kuten koteloitu 10 watin PSK-10D-12, joka syöttää 830 milliampeeria jännitteellä 12 V_DC. Tällä virtalähteellä on samat syöttöjännite- ja käyttölämpötilaspesifikaatiot kuin piirillä PBO-5C-12. Sekä PBO- että PSK-sarja sisältävät ylivirta- ja oikosulkusuojauksen, mutta PSK-sarjassa on myös ylijännitesuojaus.

Tason 3 latauspylväissä voidaan hyödyntää CUI VGS-sarjan AC/DC-virtalähteitä, jotka voivat syöttää jopa 350 wattia. Näissä virtalähteissä on oikosulku-, ylivirta-, ylijännite- ja ylikuumenemissuojaus sekä virtapiikkien rajoitus ja aktiivinen tehokertoimen korjaus. Ne täyttävät säteilevien/johtuvien häiriöiden CISPR/EN55032 Class B ‑vaatimukset ja harmonisia monikertoja koskevat IEC 61000-3-2 Class A ‑rajoitukset. Esimerkkinä toimii malli VGS-100W-24. Se syöttää tehoa 108 wattia lähtöjännitteellä 24 V_DC, ja sen tyypillinen hyötysuhde on 89,5 % (kuva 2).

Kuva 2: AC/DC-virtalähteet VGS (vasemmalla), PSK (keskellä) ja PBO (oikealla) (kuva ei mittakaavassa) sopivat tasojen 3, 2 ja 1 EV-latauspylväisiin. (Kuvan lähde: Jeff Shepard)

Ylivirtasuojaus (OCP)

Korkeajännitetasojen ylivirtasuojausta varten Bel Fuse tarjoaa nopeatoimisia ja lujatekoisia keraamisia sulakkeita jänniteluokituksella 240, 500 ja 1000 volttia. Ne on suunniteltu käyttöön EV-pääakuissa, jakorasioissa, latauspylväissä ja muissa vastaavissa sovelluksissa. Ne myös täyttävät maantieajoneuvojen JASO D622 / ISO 8820-8 ‑sulakestandardit. Keraamisen 0ALEB9100-PD-pulttisulakkeen virtaluokitus on 10 ampeeria ja jänniteluokitus 500 volttia (kuva 3).

Kuva 3: Keraaminen 0ALEB9100-PD-pulttisulake on suunniteltu erilaisiin EV-sovelluksiin ja sen virtaluokitus on 10 ampeeria ja jänniteluokitus 500 volttia. (Kuvan lähde: Bel Fuse)

Ylikuumenemissuojaus

Myös ylikuumenemissuojaus on tärkeä ominaisuus EV-latauspylväissä ja -akuissa. Bel Fuse tarjoaa näihin sovelluksiin korkean lämpötilan nollattavien sulakkeiden 0ZT-sarjan. Näillä positiivisen lämpötilakertoimen (Positive Temperature Coefficient, PTC) komponenteilla on laaja käyttölämpötilaväli −40 °C … +125 °C, ja ne tarjoavat robustiin ylikuumenemissuojaukseen tarvittavat laukaisu- ja pitovirrat. Esimerkiksi 0ZTH0020FF2E-piirin jänniteluokitus on 30 V, laukaisuvirta 500 mA ja pitovirta 200 mA (kuva 4). 0ZT-sarjan muiden PTC-laitteiden tavoin se sopii hyvin käyttöön korkean lämpötilan ympäristöissä.

Kuva 4: Korkean lämpötilan nollattava 0ZTH0020FF2E-sulake on osa PTC-laitteiden 0ZT-sarjaa, joka on varustettu EV-latauspylväiden ja BMS-järjestelmien kanssa käyttöön sopivalla ylikuumenemissuojauksella. (Kuvan lähde: Bel Fuse)

Verkkoyhteydet ja signaalieheys

Lisävirta- ja suojaustoimintojen lisäksi EV-latauspylväiden vakaa toiminta edellyttää nopeaa verkkoyhteyttä ja luotettavaa signaalieheyttä. Nämä vaatimukset voidaan täyttää helposti IEEE 802.3ch ‑standardiin pohjautuvalla autoteollisuusluokan Ethernetillä, joka tukee jopa 10 gigabitin tiedonsiirtoa sekunnissa (Gbit/s). Autoteollisuus-Ethernet on nopeasti korvaamassa perinteistä CAN-väylää, jonka tiedonsiirtonopeus on vain 1 megabitti sekunnissa (Mbit/s). Tämä on osaltaan autoteollisuus-Ethernetin korkean tiedonsiirtonopeuden ansiota, mutta se myös mahdollistaa tietojen siirtämisen suojaamattomalla parikaapelilla, joka on sekä kevyt että edullinen.

Ethernetin käytön odotetaan yleistyvän IEEE 802.3dh ‑standardin julkaisun myötä vuonna 2024. Tämä standardi mahdollistaa usean gigabitin autoteollisuus-Ethernetin muovisella optisella kuidulla (Plastic Optical Fiber, POF). POF-kuitujen hyötyihin autoteollisuussovelluksissa lukeutuvat korkeat elastisen rasituksen raja-arvot, korkea murtumissitkeys sekä joustavuus, joten ne ovat hyvä vaihtoehto Ethernet-parikaapeleille.

Bel Fusen Stewart Connector ‑liitinjaosto tarjoaa nykypäivän tarpeisiin modulaarisia autoteollisuusluokan RJ45-Ethernet-liittimiä, jotka täyttävät SAE/USCAR2-6-standardin tärinänsieto- ja tiivistysvaatimukset. Niitä on saatavilla suorakulmaisina ja pystysuuntaisina malleina useilla erilaisilla ledikonfiguraatioilla ja niiden käyttölämpötila on −40 °C … +100 °C.

Liittimet tukevat jopa 100 watin Ethernet-virransiirtoa (Power Over Ethernet, PoE). Koska tällaisten PoE-liittimien haasteina ovat usein ylikuuluminen ja paluuhäviö, niiden kontaktit on optimoitu korkeaa suorituskykyä ja taajuutta varten. Lisäksi niiden tilankäyttö on optimoitu.

Stewart-RJ45-sarjan ledivalottomat versiot, kuten SS-60300-011, ovat yhteensopivia IR-sulatusjuotoksen kanssa, ja sarjan kaikissa laitteissa on suorituskykyä parantava 50 mikrotuuman selektiivinen kultapinnoite. SS-60300-011 on suunniteltu horisontaaliseen asennukseen (kuva 5).

Kuva 5: SS-60300-011 on kompakti horisontaalinen Ethernet-liitin, joka tukee autoteollisuuden PoE-sovelluksia. (Kuvan lähde: Stewart Connector)

Signaalieheyden varmistamiseksi Bel Fusen Signal Transformer ‑jaosto tarjoaa sarjan pintaliitosmallisia yhteismuotoisia SPDL-kuristimia differentiaalimuotoisen kohinan EMI-vaimennukseen. Ne suodattavat Ethernetin ja muiden nopeuden rajapintojen kautta kulkevia signaaleja käytännöllisesti katsoen ilman signaalin vääristymää. Näiden yhteismuotoisten kuristimien virtaluokitus on jopa 6,5 A impedansseilla 90 – 2200 ohmia (Ω), ja niiden käyttölämpötila on −40 °C … +125 °C. Esimerkiksi SPDL3225-101-2P-T-mallin nimellisarvot ovat 5100 Ω (tyypillinen), 50 V ja 150 mA (kuva 6).

Kuva 6: Yhteismuotoinen pintaliitoskuristin SPDL3225-101-2P-T vaimentaa EMI-häiriöitä minimaalisella signaalin vääristymällä. (Kuvan lähde: Signal Transformer)

Yhteenveto

Sähköajoneuvojen laajamittaisen käyttö vaatii EVSE-järjestelmien, kuten EV-latauspylväiden, käyttöönottoa. Tämä myös vähentää kasvihuonekaasupäästöjä. Käyttöön tarvitaan erilaisia EV-latauspylväitä, jotka tukevat sekä hitaampaa AC-latausta että DC-pikalatausta. Sähköajoneuvojen ja EVSE-järjestelmien suunnittelun ja turvallisen käyttöönoton tukena suunnittelijat voivat hyödyntää valmiita erityisjärjestelmiä ja laitteita virran muuntamista ja syöttöä, piirien suojausta sekä EMI-häiriöiden vaimennusta varten.

Suositeltavaa luettavaa

1. Toteuta CCS-liittimillä helposti turvallinen pikalatausjärjestelmä sähköajoneuvoon
2. Kondensaattorien oikea valinta ja käyttö mahdollistaa tehokkaat, luotettavat ja kestävät EV-laturit
3. Paranna HEV- ja BEV-ajoneuvojen sekä sähköverkon tehokkuutta käyttämällä kaksisuuntaisia virtamuuntajia ja PFC:tä
4. Sähköajoneuvojen akkupakettien valmistus