如何確保電動運具平台的電路保護、高速數據和電源轉換

作者:Jeff Shepard

資料提供者:Digi-Key 北美編輯群

電動運具和運輸系統對可靠的電路保護、高速通訊和小型電源轉換解決方案的需求,在眾多平台上逐漸增加,包括油電混合車和電動車、公車、中型和重型的公路及非公路車輛,以及海洋平台。這些成長趨勢的推動力來自於人們越來越重視永續性和安全性,因為運輸業正在朝更進一步的自主控制,以及電動車 (EV) 或油電混合車 (HEV) 的方向邁進。因此,新型汽車系統不斷湧現,而且越來越倚賴車輛的安全及永續操作。

為確保安全性和可靠性,自動駕駛的連網電動車設計人員需要多樣的電路保護功能,外加能在高難度環境中可靠運作的通訊及電源轉換解決方案,而且這些解決方案還要通過認證,符合 AEC-Q200、SAE、USCAR 及其他效能標準。

本文將概略探討設計人員需要考量的一些電路保護元件規格。接著會介紹 Bel Fuse 的特定電路保護、連接和電源轉換解決方案,並檢視這些產品在電動運具系統中的使用情形。

EV 保護元件和標準

為了因應 EV 相關的挑戰,設計人員可以選擇使用一系列符合汽車標準,且經過認證的電路保護、高速通訊和電源轉換解決方案,包括:

  • 符合汽車標準的保險絲 — 管狀、PC 板式安裝 (通孔式和表面黏著式) 和偏移螺栓配置,專門針對電源系統和子系統進行最佳化;以及用於輔助應用和相關配件的保險絲,例如用於駕駛輔助雷達系統、煞車幫浦馬達、可攜式充電器、電池系統、車用資訊娛樂系統、攝影機、可編程照明和電動輔助轉向。此外,特定的應用需要高湧入、快熔作、慢熔,以及自復式高分子正溫度係數 (PPTC) 的熔斷技術。
  • 符合 AEC-Q200 標準的電磁干擾 (EMI) 抑制扼流圈 — 可濾除雜訊並保護多種感測器子系統的高速資料訊號 (這些子系統構成 ADAS 和導覽系統、多媒體系統、車聯網 (V2X) 叢集和天線),並為車用乙太網路、控制器區域網路 (CAN) 匯流排、FlexRay、車用通用序列匯流排 (USB) 提供差動雜訊抑制。
  • 全屏蔽式 RJ45 連接器 — 符合美國汽車工程學會 (SAE) 的 USCAR2-6「汽車電氣連接器系統效能規範 – 第 6 版」,並可讓設計人員以更快且更輕的車用乙太網路來取代 CAN 匯流排,以支援眾多 ADAS 系統逐漸增多的車內運算需求。這些系統包括駕駛輔助攝影機和雷達型駕駛輔助系統,以及遠距通訊系統、媒體轉換器和閘道器。
  • IP67 認證的電源轉換器 — 包括符合汽車標準的電動和油電混合車電池充電器,提供對流式或水冷式散熱實作,且具備電流隔離功能。

選擇電路保護裝置

指定電動運具系統的電路保護裝置時,需清楚瞭解其操作特性,以便挑選合適的裝置。一些基本的規格包括:

  • 電壓額定值:安全操作所允許的最大電壓
  • 電流額定值:保險絲在正常工作條件下可承受的電流量 (以安培 (A) 為單位)
  • 斷流能力 (也稱中斷額定值或短路額定值):保險絲在其額定電壓下可中斷而不受損的最大電流;斷流能力必須達到或超出該電路預期會遭遇的最大故障電流
  • 時間電流曲線:定義保險絲屬於快熔還是慢熔 (又稱延遲動作);在講究防護速度的情況會使用快熔保險絲;慢熔保險絲則用於會遭遇短期電流突波或過載的應用

I2t:一種沒有測試標準的規格

有個值得特別注意的規格是標稱熔化額定值,即 I2t (讀作「I 平方 T」)。這可用來測量熔化保險絲元件所需的能量,這對任何應用來說都是相當重要的保險絲特性。I2t 的表達形式為安培平方秒 (A2s)。遺憾的是,對設計人員來說,小型及微型保險絲適用的 UL/CSA 248 或 IEC127 標準,都沒有制訂 I2t 的測試程序或測試條件。I2t 的業界標準定義如下:

熔化 I2t 是以恆定直流電 (DC) 在 10In 下測得,而 ln 是指保險絲的額定電流。

使用 10In 可能會出現問題,且未必總是得到準確的熔斷時間。特別是慢熔保險絲,可能需要比標稱電流額定值高 10 倍以上,才能達到真正的 I2t 值。由於不同的製造商以不同的方式因應此難題,因此設計人員務必要明確瞭解使用的方法,才能達到特定保險絲的 I2t 值。關於這些難題的更詳盡探討,可參閱以下說明:I2t 的解說

快熔保險絲和慢熔晶片保險絲

汽車導航系統、鋰離子 (Li-ion) 電池管理系統 (BMS)、LED 頭燈、車用乙太網路供電 (PoE)、PoE+ 和液晶顯示器 (LCD) 的設計人員,可以使用 0685P 系列快熔保險絲等採用厚膜技術的表面黏著式晶片保險絲,以方便完成設計。0685P 系列具有耐受高湧入電流的能力。這些符合 AEC-Q200 標準且通過 UL 核准的 1206 尺寸保險絲,具有 2 A 至 50 A 的電流額定值,以及 50 VAC 和 63 VDC 的電壓額定值。0685P3000-01 型號的額定值為 6 A,在 10In 下的 I2t 額定值為 1.3 A2s。

若設計人員需要慢熔保險絲,可參考 Bel 提供的 C1T 系列 1206 尺寸晶片保險絲 (圖 1)。這些保險絲有 750 mA 至 8 A 的電流處理能力可供選擇,電壓額定值為 63 VAC 或 VDC。0685T6000-01 型號的額定值為 6.0 A,在 10In 下的 I2t 額定值為 6.0 A2s。C1T 系列慢熔保險絲已通過 UL、CSA 和 CE 核准,而且小型保險絲獲得 IEC 60127 的 TUV 認證。

Bel Fuse 的慢熔 C1T 系列晶片保險絲圖片圖 1:慢熔 C1T 系列等晶片保險絲,已用於多種注重小型尺寸的汽車應用。(圖片來源:Bel Fuse)

自復式 PPTC 元件

設計若是能受益於具有超低工作電阻和超高保持電流的自復式電路保護,則可以使用 PPTC 元件。PPTC 在馬達和馬達電路防護等應用中特別有用,可用於電動門鎖、鏡子、座椅、天窗、車窗,以及暖通空調 (HVAC) 系統和電子控制單元 (ECU) I/O 保護。

Bel 提供兩種系列的 PPTC 元件。這兩種系列都符合 AEC-Q 標準,通過 EN/IEC 60738-1-1 和 EN/IEC 60730-1 的 TUV 認證,以及 UL1434 的 UL 認證:

  • 0ZRS 徑向引線 PPTC — 額定電流介於 500 mA 至 10 A,最大電壓為 32 VDC,典型功率額定值介於 0.9 至 7.0 W (圖 2)。例如,0ZRS0100FF1E 的跳脫電流為 1.9 A,保持電流為 1.0 A,功率額定值為 1.4 W。
  • 0ZCG 表面黏著式 PPTC — 額定電流介於 100 mA 至 3 A,最大電壓介於 6 至 60 VDC,典型功率額定值介於 0.8 至 1.3 W。此系列的 0ZCG0110BF2B 元件,電壓額定值為 24 VDC,保持電流為 1.1 A,跳脫電流為 2.2 A,功率額定值為 1 W。

Bel Fuse 的 OZRS 徑向引線 PPTC 圖片圖 2:OZRS 徑向引線 PPTC 的電壓額定值為 32 VDC,且電流可高達 10 A。(圖片來源:Bel Fuse)

耐受湧入電流的保險絲

0680L 系列的方形 2410 封裝尺寸表面黏著式陶瓷保險絲,具有高湧入電流耐受能力 (表 1)。這些慢熔保險絲專用於需要高 DC 中斷額定值與高 DC 電壓額定值的應用。此系列的電壓額定值高達 125 VDC 或 VAC,可提供 375 mA 至 12 A 的電流額定值。0680L 保險絲符合 AEC-Q 標準。

測試電流 熔斷時間
最小值 最大值
100% 4 小時 不適用
200% 不適用 120 秒
300% 0.15 秒 3 秒
800% 0.01 秒 0.1 秒

表 1:0680L 系列表面黏著式慢熔保險絲的電氣特性。(圖片來源:Bel Fuse)

這些慢熔保險絲通常用於 PoE、PoE+、電源供應器、電池充電電路保護;0680L3000-05 的額定值為 3 A 和 0.81 W,在 10In 下的 I2t 額定值為 13 A2s。

快熔 EV 電源保險絲

設計人員可以選擇使用管狀和螺栓固定式快熔保險絲,以保護高功率電池和 EV 電源轉換器。這些保險絲完全符合歐盟指令 2011/65/EU 和修訂指令 2015/863。其設計符合 UL 248-1 標準,以及 JASO D622 和 ISO8820-8 的可靠性要求。典型應用包括:

  • 主系統熔斷
  • 充電站
  • 儲能和電池組
  • 配電單元
  • 板載 DC-DC 轉換器
  • 煞車幫浦馬達
  • 空調壓縮機馬達
  • 電動轉向系統

這些保險絲可處理高達 600 A 的電流,且電壓額定值介於 500 至 1,000 VDC;0ADAC0600-BE 是優良的管狀保險絲範例,額定值為 600 mA 和 600 VDC 或 VAC,而在 10In 下的 I2t 額定值為 0.073 A2s。

EV 時滯保險絲

0697W 系列超小型徑向引線時滯保險絲的額定值為 350 VAC 或 72 VDC,電流額定值介於 1 A 至 6 A,並符合 IEC 60127-3 (圖 3)。這些保險絲符合 AEC-Q 品質標準和 MIL-STD 202G 環境標準。

Bel Fuse 0697W 系列保險絲的圖片圖 3:0697W 系列是符合 AEC-Q 標準的徑向引線高電壓時滯保險絲。(圖片來源:Bel Fuse)

0697W 元件的應用包括 ECU、馬達、恆溫與通風控制、插頭及點煙器配件、電源插座以及線束。例如,0697W2000-02 的額定值為 2 A 和 0.63 W,在 10In 下的 I2t 額定值為 30 A2s。

高速通訊用的共模扼流圈

車用資訊娛樂系統、多媒體系統和 ADAS 系統的設計人員,若要使用乙太網路、CAN 匯流排、FlexRay 或 USB 通訊匯流排,可選擇 Signal TransformerSPDL 系列、AEC-Q200 認證的超小型共模扼流圈,以抑制差動模式雜訊 (圖 4)。這些小型表面黏著元件 (SMD) 扼流圈共有四種公制尺寸 (2012、3216、3225 和 4532),以及 26 種不同的元件額定值。SPDL 系列的額定電流介於 150 至 400 mA,阻抗值介於 90 至 2200 Ω。SPDL3225-101-2P-T 型號的額定值為 150 mA 和 2200 Ω,電感值為 100 µH。

Signal Transformer 的 SPDL 系列超小型 SMD 共模扼流圈圖片圖 4:SPDL 系列超小型 SMD 共模扼流圈可搭配乙太網路、CAN 匯流排、FlexRay 或 USB 通訊介面使用。(圖片來源: Signal Transformer)

升級至乙太網路

由於乙太網路的數據傳輸率更快且纜線更輕,設計人員逐漸在更多電動運具應用中,用乙太網路取代 CAN 匯流排。Bel Fuse 的 MagJack 車用乙太網路單埠整合式連接器模組 (ICM),已將乙太網路磁性元件解決方案整合到連接器封裝內。如此便能達到更小巧的解決方案,也能簡化將現有 CAN 匯流排系統升級為乙太網路訊號傳送及佈線樣式的工作 (圖 5)。MagJack Ethernet ICM 的工作溫度可高達 100°C,並且相容於 SAE/USCAR2-6。這些 ICM 已獲得 Broadcom、Intel 和 Marvell 核准,並且相容於標準的汽車級收發器,可進一步簡化切換至乙太網路的工作。

Bel Fuse 的 MagJack 車用乙太網路單埠型 ICM 圖片圖 5:MagJack 車用乙太網路單埠型 ICM 具備整合式磁性元件,可滿足小巧解決方案的需求。(圖片來源:Bel Fuse)

舉例來說,A829-1J1T-KM 車用乙太網路 ICM 就符合 IEEE 802.3 10/100Base-T 的所有電氣要求。

HEV 和 EV 的電源轉換

Bel Power Solutions 為設計人員提供全系列用於電動運具的電源轉換選項,包括 DC-DC 轉換器、雙向 DC-DC 轉換器、板載充電器、輔助逆變器,以及可以整合一個雙向逆變器充電器與兩個 DC-DC 降壓轉換器的逆變器充電器系統。例如,22 kW 的 BCL25-700-8 是水冷式板載電池充電器,適用於中型和重型平台的 HEV 和 EV,可用於公路和非公路操作 (圖 6)。BCL25-700-8 的特點和規格包括:

  • 單相 (190 至 264 VAC) 或三相 (330 至 528 VAC) 輸入
  • 可連接至 AC 電網或電動車電源設備 (EVSE) 充電站 (EV 標準IEC 61851-1)
  • 60 A 的恆定輸出電流,電壓介於 250 至 800 VDC
  • 可並聯放置多達四個單元
  • 符合 IP67 和 IP6K9K
  • IEC 61851-21-1 和 ECE R10.6 認證
  • 符合 SAE J1772 與 CAN 介面 SAE J1939
  • 主動高電壓 DC 聯鎖監測
  • 可在 -40 至 60°C 下滿載運作
  • 過溫、過電流、輸出過壓防護

Bel Fuse 的 BCL25-700-8 是 22 kW、板載水冷式電池充電器示意圖圖 6:BCL25-700-8 是一款 22 kW、板載水冷式電池充電器,適用於專為中型至重型應用設計的 HEV 和 EV,可用於公路和非公路操作。(圖片來源:Bel Fuse)

結論

未來將需要多種電路保護、通訊和電源轉換解決方案,來支援新世代的連線型、電動且日益自動化的車輛,滿足其在安全性和永續性方面的需求。如本文所述,設計人員已有多種解決方案可供選擇,包括符合汽車標準的電路保護元件、符合 AEC-Q200 的 EMI 抑制扼流圈、符合 SAE/USCAR2-6 的全屏蔽式 RJ45 乙太網路連接器,以及 IP67 認證的電源轉換器。隨著自主設計不斷發展變化,這些產品將協助 HEV 和 EV 設計人員因應許多當前和新興的設計挑戰。

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關於作者

Jeff Shepard

Jeff 過去 30 多年來不斷撰寫與電力電子、電子元件和其他技術主題有關的文章。他在 EETimes 擔任資深編輯時,開始編寫有關電力電子領域的文章。他之後創立專門報導電子設計的《Powertechniques》雜誌,接著更成立一家全球性的電力電子研究與出版公司 Darnell Group。Darnell Group 的業務範疇包括 PowerPulse.net 的發行,每天為全球電力電子工程社群提供最新消息。他也是切換式電源供應器教科書《Power Supplies》的作者,此書由 Reston division of Prentice Hall 出版。

Jeff 也是 Jeta Power Systems 的共同創辦人,該公司專門製造高功率切換式電源供應器,目前已由 Computer Products 併購。Jeff 也是發明家,在熱能採集與光學多重材料上擁有 17 項美國專利,也經常針對全球的電力電子趨勢提供產業消息並發表演講。他擁有加州大學定量方法和數學碩士學位。

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