Como garantir a proteção de circuitos, dados de alta velocidade e conversão de energia para plataformas de eMobility

A necessidade de proteção confiável de circuitos, comunicações de alta velocidade e soluções compactas de conversão de energia em eMobility e sistemas de transporte está crescendo em uma gama de plataformas, incluindo carros híbridos e elétricos, ônibus, veículos médios e pesados dentro e fora da estrada, e plataformas marítimas. Estas tendências estão sendo impulsionadas pela crescente ênfase na sustentabilidade e segurança à medida que a indústria de transporte muda para veículos elétricos e mais controle autônomo (EVs) ou EVs híbridos (HEVs). Como resultado, estão surgindo novos sistemas de veículos que estão progressivamente se tornando mais dependentes da operação segura e sustentável do veículo.

Para garantir segurança e confiabilidade, os projetistas de veículos conectados, elétricos e automatizados precisam de uma ampla variedade de proteção de circuitos, juntamente com soluções de comunicação e conversão de energia que são projetadas para operação confiável em ambientes desafiadores, e que são certificadas para atender ao AEC-Q200, SAE, USCAR, e outros padrões de desempenho.

Este artigo revisa brevemente algumas das especificações dos dispositivos de proteção de circuitos que os projetistas precisam considerar. Em seguida, introduz soluções específicas de proteção de circuitos, conectividade e conversão de energia da Bel Fuse e examina o uso desses produtos em sistemas eMobility.

Componentes e normas de proteção EV

Para enfrentar os desafios em torno dos EVs, os projetistas podem recorrer a uma gama de proteção de circuitos automotivos qualificados e certificados, comunicações de alta velocidade e soluções de conversão de energia, inclusive:

• Fusíveis automotivos qualificados em cartucho, placa de circuito impresso montada (com furo passante e montagem em superfície), e configurações de parafusos otimizadas para sistemas e subsistemas de energia, além de fusíveis para aplicações auxiliares e acessórios, tais como sistemas de radar de assistência ao motorista, motores de bomba de freio, carregadores portáteis, sistemas de bateria, infoentretenimento, câmeras, iluminação programável e direção assistida. Além disso, aplicações específicas exigirão fusíveis com partida de alta corrente, de ação rápida, de queima lenta, e poliméricos rearmáveis com coeficiente de temperatura positivo (PPTC).
• Bobinas de choque com qualificação AEC-Q200 que suprime a interferência eletromagnética (EMI) para filtrar ruídos e proteger sinais de dados de alta velocidade para os numerosos subsistemas de sensores que compõem o ADAS e sistemas de navegação, sistemas multimídia, agrupamentos V2X (vehicle-to-everything) e antenas, além de fornecer supressão de ruídos diferenciais para Ethernet automotiva, barramento CAN (Controller Area Network), FlexRay e USB (Universal Serial Bus) automotivo
• Conectores RJ45 totalmente blindados que cumprem com a Society of Automotive Engineers (SAE) USCAR2-6 "Performance Specification for Automotive Electrical Connector System - Revision 6", e permitem aos projetistas substituir os barramentos CAN por Ethernet automotiva mais rápida e leve para suportar as crescentes necessidades de computação em veículos em uma gama de sistemas ADAS, tais como câmeras de assistência ao motorista e sistemas de assistência ao motorista baseados em radar, bem como telemática, conversores de mídia e gateways.
• Conversores de energia certificados IP67, incluindo carregadores de bateria de veículos elétricos e híbridos que são qualificados para automóveis e são oferecidos em implementações de convecção ou resfriamento por líquido com isolação galvânica.

Seleção de dispositivos de proteção de circuitos

Ao selecionar um dispositivo apropriado, uma compreensão clara de suas características operacionais é importante ao especificar dispositivos de proteção de circuitos para sistemas eMobility. Algumas especificações básicas incluem:

• Tensão nominal: a tensão máxima permitida para uma operação segura
• Corrente nominal: a corrente em amperes (A) que o fusível pode transportar em condições normais de operação
• Capacidade de ruptura (também chamada de capacidade de interrupção ou capacidade de curto-circuito): a corrente máxima que o fusível pode interromper em sua tensão nominal sem ser danificado; a capacidade de ruptura deve atender ou exceder a corrente máxima de falha prevista para o circuito
• Curvas de corrente e tempo: definem se o fusível é de ação rápida ou lenta (também chamada de ação retardada); os fusíveis de ação rápida são usados onde a velocidade de proteção é crítica; os fusíveis de ação lenta são usados em aplicações que experimentam um pico de corrente de curto período ou sobrecarga

I²t: uma especificação sem uma norma de teste

Uma especificação que merece atenção especial é o dimensionamento nominal do derretimento, I²t (pronuncia-se "I ao quadrado T"). Esta é uma medida da energia necessária para derreter o elemento fusível, uma característica importante do fusível para qualquer aplicação. I²t é expresso como "Ampere ao quadrado segundos" (A²seg). Infelizmente para os projetistas, nem as normas UL/CSA 248 ou IEC127 para miniaturas e microfusíveis incluem um procedimento de teste ou critérios de teste para I²t. A definição padrão da indústria do I²t é:

O derretimento I²t medido a 10In, usando corrente contínua constante (CC), onde ln é a corrente nominal do fusível.

O uso do 10In pode ser problemático e nem sempre resulta em tempos de abertura precisos. Especialmente os fusíveis de queima lenta podem exigir um múltiplo superior a 10 vezes o dimensionamento de corrente nominal para chegar ao verdadeiro valor I²t. Como diferentes fabricantes lidam com este dilema de maneira diferente, é importante que os projetistas tenham uma compreensão clara do método utilizado para chegar aos valores I²t para fusíveis específicos. Uma discussão mais detalhada sobre estes desafios está disponível aqui: I²t explicado.

Fusíveis com chip de ação rápida e lenta

Os projetistas de sistemas de navegação automotiva, sistemas de gerenciamento de baterias (BMS) de íon-lítio (Li-ion), faróis LED, alimentação via Ethernet (PoE) automotiva, PoE+ e displays de cristal líquido (LCDs) podem se beneficiar do uso de fusíveis de chip para montagem em superfície baseados na tecnologia de filme espesso, como a série 0685P de fusíveis de ação rápida. A série 0685P apresenta alta capacidade de suportar corrente de partida. Estes fusíveis de tamanho 1206 em conformidade com AEC-Q200 e aprovados pela UL estão disponíveis com dimensionamentos de correntes de 2 A a 50 A, e tensões de 50 volts para corrente alternada (CA) e 63 volts CC. O modelo 0685P3000-01 é dimensionado para 6 A com um dimensionamento I²t de 1,3 A²seg a 10In.

Para os projetistas que necessitam de fusíveis de queima lenta, a Bel oferece a série C1T de fusíveis com chip de tamanho 1206 (Figura 1). Estes estão disponíveis com capacidades de corrente de 750 miliamperes (mA) a 8 A e são dimensionados para 63 volts CA ou CC. O modelo 0685T6000-01 é dimensionado para 6,0 A com um dimensionamento I²t de 6,0 A²seg a 10In. Os fusíveis de queima lenta da série C1T são aprovados pela UL, CSA e CE, e levam a certificação TUV de acordo com a norma IEC 60127 para fusíveis miniatura.

Figura 1: Os fusíveis de chip como a série C1T de queima lenta são usados em uma variedade de aplicações automotivas onde um fator de forma compacto é importante. (Fonte da imagem: Bel Fuse)

Dispositivos PPTC rearmáveis

Projetos que podem se beneficiar da proteção de circuitos rearmáveis com resistência operacional muito baixa e corrente de retenção muito alta podem usar dispositivos PPTC. Os PPTCs podem ser especialmente úteis em aplicações como proteção de motores e de circuitos de motores em fechaduras de portas, espelhos, bancos, teto solar e janelas, bem como em sistemas de ventilação aquecida e ar condicionado (HV_AC) e proteção de E/S da unidade de controle eletrônico (ECU).

A Bel oferece duas famílias para dispositivos PPTC. Ambas são compatíveis com AEC-Q, certificados pela TUV de acordo com EN/IEC 60738-1-1 e EN/IEC 60730-1, e reconhecidos pela UL de acordo com UL1434:

• Os PPTCs com terminais radiais 0ZRS são dimensionados para 500 mA a 10 A com uma tensão máxima de 32 V_CC, e potências típicas de 0,9 a 7,0 W (Figura 2). Por exemplo, o 0ZRS0100FF1E tem uma corrente de disparo de 1,9 A, uma corrente de retenção de 1,0 A e é dimensionado para 1,4 W.
• Os PPTCs de montagem em superfície 0ZCG são dimensionados para 100 mA a 3 A com tensões máximas de 6 a 60 volts CC, e potências típicas de 0,8 a 1,3 W. O dispositivo 0ZCG0110BF2B desta família é dimensionado para 24 volts CC, e tem uma corrente de retenção de 1,1 A, uma corrente de disparo de 2,2 A, e uma potência nominal de 1 W.

Figura 2: Os PPTCs de terminais radiais OZRS são dimensionados para 32 volts CC e até 10 A. (Fonte da imagem: Bel Fuse)

Fusíveis resistentes à corrente de partida

A série 0680L de fusíveis cerâmicos de tamanho 2410 quadrado para montagem em superfície tem alta capacidade de suportar corrente de partida (Tabela 1). Estes fusíveis de queima lenta são projetados para aplicações que requerem dimensionamentos altos de interrupção CC e de tensão CC. Eles são dimensionados até 125 volts CC ou CA e oferecem dimensionamentos de corrente de 375 mA a 12 A. Os fusíveis 0680L são compatíveis com AEC-Q.

Tabela 1: Características elétricas dos fusíveis de queima lenta para montagem em superfície da série 0680L. (Fonte da imagem: Bel Fuse)

Estes fusíveis de queima lenta são frequentemente usados para proteção de circuitos PoE, PoE+, fonte de alimentação e de carga da bateria; o 0680L3000-05 é dimensionado para 3 A e 0,81 W com um dimensionamento I²t de 13 A²seg a 10In.

Fusíveis de potência e ação rápida EV

Os projetistas podem usar fusíveis de ação rápida em configurações de cartucho e aparafusados para proteger baterias de alta potência e conversores de energia EV. Estes fusíveis estão em total conformidade com a Diretiva 2011/65/UE e com a diretiva 2015/863 da UE. Eles são projetados para atender a UL 248-1, bem como os requisitos de confiabilidade da JASO D622 e ISO8820-8. As aplicações típicas incluem:

• Fusível do sistema da rede elétrica
• Estações de carregamento
• Armazenamento de energia e pacotes de baterias
• Unidades de distribuição de energia
• Conversores CC-CC na placa
• Motores de bombas de freio
• Motores de compressores de ar condicionado
• Sistemas de direção elétrica

Eles podem lidar com correntes de até 600 A e têm tensões nominais de 500 a 1.000 volts CC; o 0ADAC0600-BE é um bom exemplo de um fusível do tipo cartucho dimensionado para 600 mA e 600 V_CC ou V_CA, com um dimensionamento I²t de 0,073 A²seg a 10In.

Fusíveis de retardamento EV

A série 0697W de fusíveis sub-miniatura, de terminal radial, com retardo de tempo, tem dimensionamentos de 350 volts CA ou 72 volts CC, e corrente de 1 A a 6 A, e cumpre a IEC 60127-3 (Figura 3). Estes fusíveis estão em conformidade com a qualidade AEC-Q e as normas ambientais Mil-Std 202G.

Figura 3: Os fusíveis com retardo de tempo, terminal radial e alta tensão da série 0697W são compatíveis com AEC-Q. (Fonte da imagem: Bel Fuse)

As aplicações para os dispositivos 0697W incluem ECUs, motores, controles de clima e ventilação, plugues e acessórios de acendedor de cigarros, tomadas de força e chicotes de fiação. Por exemplo, o 0697W2000-02 é dimensionado para 2 A e 0,63 W com um I²t de 30 A²seg a 10In.

Bobinas de choque em modo comum para comunicações de alta velocidade

Os projetistas de sistemas automotivos de infoentretenimento, multimídia e ADAS usando um barramento de comunicações Ethernet, CAN, FlexRay ou USB podem recorrer à série SPDL da Signal Transformer das bobinas de choque ultracompactas em modo comum com certificação AEC-Q200 para supressão de ruído do modo diferencial (Figura 4). Estas bobinas de choque na forma de dispositivos compactos de montagem em superfície (SMD) são oferecidas em quatro tamanhos métricos, 2012, 3216, 3225 e 4532, e 26 dimensionamentos diferentes de componentes. A série SPDL tem uma faixa de corrente nominal de 150 a 400 mA e uma faixa de impedância de 90 a 2200 ohms (Ω). O modelo SPDL3225-101-2P-T é dimensionado para 150 mA e 2200 Ω com uma indutância de 100 µH.

Figura 4: As bobinas de choque ultracompactas de modo comum da série SPDL podem ser usadas com interfaces de comunicação Ethernet, barramento CAN, FlexRay ou USB. (Fonte da imagem: Signal Transformer)

Atualização para Ethernet

Devido a sua taxa de dados mais rápida e cabo mais leve, os projetistas estão substituindo o barramento CAN por Ethernet em um número crescente de aplicações de eMobility. Os módulos de conectores integrados (ICMs) MagJack da Bel Fuse para Ethernet automotiva de porta única têm os componentes Ethernet magnéticos integrados ao invólucro do conector. Isto resulta em uma solução mais compacta e simplifica a tarefa de atualização dos sistemas de barramento CAN existentes com os estilos de sinalização e cabeamento Ethernet (Figura 5). As ICMs MagJack Ethernet operam até 100 °C e são compatíveis com SAE/USCAR2-6. Estes ICMs são aprovados pela Broadcom, Intel e Marvell, e são compatíveis com transceptores padrões de grau automotivo, simplificando ainda mais a mudança para Ethernet.

Figura 5: Os ICMs MagJack para Ethernet automotiva de porta única apresentam componentes magnéticos integrados para atender à necessidade de soluções compactas. (Fonte da imagem: Bel Fuse)

Um exemplo é o ICM para Ethernet automotiva A829-1J1T-KM que atende todos os requisitos elétricos do IEEE 802.3 10/100Base-T.

Conversão de energia para HEVs e EVs

A Bel Power Solutions oferece aos projetistas uma gama completa de opções de conversão de energia para eMobility incluindo conversores CC-CC, conversores CC-CC bidirecionais, carregadores integrados, inversores auxiliares e sistemas de carregador de inversor que integram um carregador de inversor bidirecional com dois conversores CC-CC abaixadores. Por exemplo, o BCL25-700-8 de 22 quilowatts (kW) é um carregador de baterias integrado resfriado por líquido para HEVs e EVs em plataformas de serviços médios e pesados para operações dentro e fora da estrada (Figura 6). As características e especificações do BCL25-700-8 incluem:

• Entrada monofásica (190 a 264 volts CA) ou trifásica (330 a 528 volts CA)
• Pode ser conectado à rede de energia CA ou a uma estação de carga de equipamentos de alimentação de veículos elétricos (EVSE) (EV Std. IEC 61851-1)
• Corrente de saída constante de 60 A sobre uma faixa de tensão de 250 a 800 volts CC
• Até quatro unidades podem ser colocadas em paralelo
• Em conformidade com IP67 e IP6K9K
• Certificações IEC 61851-21-1 e ECE R10.6
• Interface SAE J1772 e CAN conforme SAE J1939
• Monitoramento ativo de intertravamento CC de alta tensão
• Opera de -40 a 60 °C em plena carga
• Proteções contra excesso de temperatura, sobrecorrente e sobretensão de saída

Figura 6: O BCL25-700-8 é um carregador de baterias de 22 kW, integrado, resfriado por líquido para HEV e VE que se destina a aplicações de serviço médio a pesado, tanto dentro quanto fora da estrada. (Fonte da imagem: Bel Fuse)

Conclusão

Uma grande variedade de soluções de proteção de circuitos, comunicações e conversão de energia será necessária para apoiar as exigências de segurança e sustentabilidade da próxima geração de veículos conectados, elétricos e cada vez mais automatizados. Como mostrado, os projetistas têm pronto acesso a soluções na forma de dispositivos de proteção de circuitos automotivos qualificados, bobinas de choque de supressão de EMI que cumprem com AEC-Q200, conectores Ethernet RJ45 totalmente blindados que cumprem com SAE/USCAR2-6, e conversores de energia certificados IP67. Isto ajudará os projetistas de HEV e EV a enfrentar os muitos desafios de projetos atuais e emergentes à medida que os projetos autônomos evoluem.

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1. Os veículos de amanhã terão ainda mais tecnologia