Como implementar proteção, alimentação auxiliar e conectividade para EVs e equipamentos de abastecimento de EVs

Os veículos elétricos (EVs) estão desempenhando um papel cada vez mais importante na redução das emissões de gases de efeito estufa (GHG) para atender às preocupações com as mudanças climáticas. No entanto, o projeto e a implantação bem-sucedidos de EVs e de equipamentos de abastecimento de EVs (EVSE), como carregadores de bateria, exigem que os projetistas enfrentem uma ampla gama de desafios tecnológicos. Isso inclui a proteção de circuitos contra sobretensão e sobrecorrente, a supressão da interferência eletromagnética (EMI), o projeto de fontes de alimentação com amplas faixas de temperatura de entrada e de operação e a necessidade constante de reduzir o peso para melhorar a autonomia dos EVs.

Por exemplo, um sistema de gerenciamento de bateria (BMS) e uma interface de controle em um sistema EVSE precisam de fontes de alimentação CA/CC auxiliares que possam operar em uma faixa de tensão de entrada de 85 a 305 volts CA (V_CA) e em uma faixa de temperatura de -40°C a +85°C. Para lidar com o peso, os projetistas precisam considerar a mudança do venerável e bem estabelecido barramento CAN para a Ethernet automotiva, que pode suportar larguras de banda mais altas com cabos mais leves.

Este artigo fornece uma breve visão geral dos níveis básicos dos carregadores de EV. Em seguida, discute as diferentes necessidades de cada tipo relacionadas às fontes de alimentação CA/CC auxiliares (alimentação auxiliar), fornece opções de proteção contra sobretensão e sobrecorrente e analisa como implementar a conectividade Ethernet e suprimir a EMI para evitar a distorção de sinais de alta velocidade. Serão apresentados exemplos de soluções do mundo real para tratar dos vários problemas de projeto de fornecedores como Bel Fuse, Signal Transformer, Stewart Connector e CUI.

Introdução aos requisitos de carregamento de EV e EVSE

A implantação de muitos EVSEs, incluindo carregadores de bateria e pilhas de carregamento, será fundamental para a adoção generalizada de EVs. Observe que os carregadores de bateria de EVs são internos ao EV, enquanto as pilhas de carregamento se referem a estação de recarga externas. O SAE J1772, o padrão norte-americano para conectores de EV, define quatro níveis de carregamento de EV:

• O nível 1 de CA usa 120 V_CA para fornecer até 16 amperes (A) ou 1,9 quilowatts (kW) O nível 2 de CA usa 208 a 240 V_CA para fornecer até 80 A ou 19,2 kW
• O nível 1 de CC usa até 1.000 V_CC para fornecer até 80 A ou 80 kW
• O nível 2 de CC usa até 1.000 V_CC para fornecer até 400 A ou 400 kW

Embora o SAE defina os dois níveis de CC separadamente, eles são frequentemente agrupados e chamados de Nível 3 ou carregamento rápido de CC. Além das diferentes tensões de entrada e níveis de potência, as pilhas de carregamento CA exigem um carregador na placa (OBC) separado no veículo para lidar com a conversão CA/CC e as funções BMS necessárias para carregar o pacote de bateria com segurança e eficiência. No caso do carregamento rápido de CC, não há necessidade de um OBC; as funções de conversão de energia e BMS estão na pilha de carregamento. Cada nível de carregamento inclui comunicação (sinalização) entre o veículo e a pilha de carregamento (Figura 1).

Figura 1: Três níveis de carregamento de EV são comumente reconhecidos. O nível 3 (inferior) combina os dois níveis de carregamento de CC definidos pelo SAE J1772. (Fonte da imagem: CUI)

Necessidades de alimentação auxiliar

De acordo com os requisitos do SAE J1772, a alimentação auxiliar é necessária para dar suporte à operação geral da pilha de carga e às funções de sinalização ao conectar o controlador da pilha de carga ao controlador do veículo. O protocolo de sinal foi projetado para garantir um carregamento eficiente e seguro, utilizando conectividade bidirecional contínua entre a pilha e o veículo.

O requisito básico de energia exige uma fonte de alimentação CA/CC que forneça 12 V_CC para sinalização e tenha uma faixa de temperatura operacional de -40 a +85°C. As soluções completas precisam de compatibilidade eletromagnética (EMC) e circuitos de proteção, e geralmente têm um conversor CC/CC separado para fornecer uma tensão mais baixa a outros componentes, como 3,3 volts para alimentar uma unidade de microcontrolador (MCU).

As necessidades exatas de energia dependem do projeto da pilha de carregamento. Por exemplo, um carregador de nível 1 é um projeto simples com necessidades mínimas de energia e alimentação auxiliar que pode ser fornecida com uma fonte de alimentação CA/CC de 5 watts em miniatura montada em uma placa de circuito impresso (PCI). As pilhas de carregamento de nível 2 são mais complexas e precisam de cerca de 50 watts de alimentação auxiliar. Ambos operam com entradas CA monofásicas, mas com requisitos diferentes da tensão de entrada: 120 V_CA para o Nível 1 e 208 a 240 V_CA para o Nível 2.

As coisas mudam significativamente com as pilhas de carregamento de nível 3. O circuito de carregamento na pilha opera com energia trifásica, geralmente 480 V_CA. A fonte de alimentação auxiliar é abastecida com energia monofásica e precisa de uma ampla faixa da tensão de entrada, como 85 a 305 V_CA. A potência de saída também é maior, geralmente 150 watts ou mais, permitindo uma gama mais ampla de recursos, incluindo controles adicionais, como funções de pagamento, um display e um BMS. Ela pode ter uma única saída, como 24 V_CC para a alimentação geral do sistema. O sistema terá uma série de conversores CC/CC distribuídos para fornecer os 12 V_CC necessários para a sinalização, uma trilha separada de 12 V_CC para o BMS e 3,3 V_CC para a MCU e outros componentes. Além das funções de EMC e de proteção padrão, essas soluções de energia exigem correção do fator de potência (PFC) e proteção contra altas correntes de irrupção quando são ligadas.

Fontes de alimentação auxiliares

A boa notícia para os projetistas é que eles não precisam construir fontes de alimentação auxiliares do zero. Em vez disso, há soluções prontas para todos os tipos de pilhas de carregamento de EV disponíveis agora na divisão CUI da Bel Fuse. Por exemplo, a série PBO de fontes de alimentação CA/CC de 3, 5, 8 e 10 watts montadas em placas é adequada para carregadores de Nível 1. O modelo PBO-5C-12 fornece 5 watts com uma saída de 12 V_CC a partir de uma faixa da tensão de entrada de 85 a 305 V_CA e é dimensionado para operação em uma faixa de temperatura de -40°C a +85°C.

As pilhas de carregamento de nível 2 exigem mais alimentação auxiliar e podem usar a série PSK de fontes de alimentação CA/CC, como a PSK-10D-12 fechada de 10 watts, que fornece 830 miliamperes (mA) a 12 V_CC. Essa fonte tem a mesma faixa de tensão de entrada e especificações de temperatura operacional que o PBO-5C-12. Tanto a série PBO quanto a PSK apresentam proteção contra sobrecorrente e curto-circuito, mas a série PSK acrescenta proteção contra sobretensão.

Para pilhas de carregamento de nível 3, a série VGS de fontes de alimentação CA/CC da CUI pode fornecer até 350 watts. Essas fontes de alimentação têm proteção contra curto-circuito, sobrecorrente, sobretensão e temperatura excessiva, além de limitação da corrente de irrupção e PFC ativo. Elas atendem à CISPR/EN55032 Classe B para emissões radiadas/conduzidas e à IEC 61000-3-2 Classe A para limitações de harmônicos. Um exemplo de modelo é o VGS-100W-24. Ele fornece 108 watts de potência com uma tensão de saída de 24 V_CC e uma eficiência típica de 89,5% (Figura 2).

Figura 2: As fontes de alimentação CA/CC VGS (à esquerda), PSK (centro) e PBO (à direita) (não estão em escala) são adequadas para pilhas de carregamento de EVs de Nível 3, Nível 2 e Nível 1, respectivamente. (Fonte da imagem: Jeff Shepard)

Proteção contra sobrecorrente

Para fornecer proteção contra sobrecorrente para trilhas de alta tensão, a Bel Fuse oferece fusíveis de cerâmica resistentes e de ação rápida com dimensionamentos de 240, 500 e 1.000 volts. Eles são projetados para uso em pacote de bateria de EV, caixas de junção, pilhas de carregamento e aplicações relacionadas, e atendem aos requisitos do padrão de fusíveis JASO D622/ISO 8820-8 para veículos rodoviários. O fusível de cerâmica para montagem de cartucho com parafuso modelo 0ALEB9100-PD é dimensionado para 10 A e 500 volts (Figura 3).

Figura 3: O fusível de cerâmica 0ALEB9100-PD para montagem com parafuso é dimensionado para 10 A e 500 volts e foi projetado para uso em uma variedade de aplicações de EV. (Fonte da imagem: Bel Fuse)

Proteção contra temperatura excessiva

A proteção contra temperatura excessiva também é importante em pilhas de carregamento de EV e pacotes de baterias. Para essas aplicações, a Bel Fuse oferece os fusíveis rearmáveis de alta temperatura da série 0ZT. Esses dispositivos de coeficiente positivo de temperatura (PTC) têm uma alta faixa de temperatura operacional de -40°C a +125°C e fornecem as correntes de disparo e retenção necessárias para uma proteção robusta contra temperatura excessiva. O 0ZTH0020FF2E, por exemplo, é dimensionado para 30 volts com uma corrente de disparo de 500 mA e uma corrente de retenção de 200 mA (Figura 4). Como outros dispositivos PTC da série OZT, ele é adequado para operação em ambientes de alta temperatura ambiente.

Figura 4: O fusível rearmável de alta temperatura OZTH0020FF2E faz parte da série OZT de dispositivos PTC para proteção contra temperatura excessiva, adequada para uso em pilhas de carregamento de EV e BMSs. (Fonte da imagem: Bel Fuse)

Conectividade e integridade do sinal

Além das funções de alimentação auxiliar e proteção, as pilhas de carregamento de EV exigem conectividade de alta velocidade e um alto grau de integridade de sinal para uma operação confiável. Esses requisitos são facilmente atendidos pela Ethernet automotiva, baseada na norma IEEE 802.3ch com taxas de dados de até 10 gigabits por segundo (Gbits/s). A Ethernet automotiva está substituindo rapidamente o barramento CAN tradicional com sua taxa de dados de 1 megabit por segundo (Mbit/s). Isso se deve, em parte, à alta taxa de dados da Ethernet automotiva, mas também porque ela fornece esses dados por meio de um único cabo de par trançado não blindado, projetado para ter baixo peso e custo mínimo.

Espera-se que o uso da Ethernet continue crescendo com o lançamento programado da norma IEEE 802.3dh em 2024. Essa norma fornecerá Ethernet automotiva multigigabit sobre fibra óptica plástica (POF). Algumas vantagens da POF em aplicações automotivas incluem limites altos de deformação elástica, alta resistência à fratura e alta flexibilidade, o que a torna uma boa opção para substituir o cabeamento Ethernet de par trançado.

Enquanto isso, para os projetos automotivos atuais, a divisão Stewart Connector da Bel Fuse oferece conectores modulares de Ethernet RJ45 de grau automotivo que estão em conformidade com a norma SAE/USCAR2-6 para requisitos de vibração e vedação. Eles estão disponíveis em designs de montagem vertical e em ângulo reto, com várias configurações de LED e uma faixa de temperatura operacional de -40°C a +100°C.

Os conectores podem acomodar Alimentação via Ethernet (PoE) em níveis de até 100 watts. Como a diafonia e a perda de retorno costumam ser desafios com esse tipo de conector PoE, o design do contato foi otimizado para alto desempenho em aplicações de alta frequência. Eles também são otimizados para ocupar pouco espaço.

As versões sem LED do RJ45 da Stewart, como o SS-60300-011, são compatíveis com refluxo de infravermelho, e todos os dispositivos da linha têm contatos seletivamente revestidos com 1,27 micrômetros de ouro para melhorar o desempenho. O SS-60300-011 foi projetado para orientação horizontal (Figura 5).

Figura 5: O SS-60300-011 é um conector Ethernet compacto, orientado horizontalmente, que pode suportar PoE em aplicações automotivas. (Fonte da imagem: Stewart Connector)

Para garantir a integridade do sinal, a divisão Signal Transformer da Bel Fuse oferece a série SPDL de bobinas de choque em modo comum de montagem em superfície para supressão de EMI de ruído em modo diferencial. Ela filtra sinais via Ethernet e outras interfaces de alta velocidade sem praticamente nenhuma distorção de sinal. Essas bobinas de choque em modo comum são dimensionadas para correntes de até 6,5 A com impedâncias de 90 a 2200 ohms (Ω) e têm uma faixa de temperatura operacional de -40°C a +125°C. Por exemplo, o modelo SPDL3225-101-2P-T é dimensionado em 5100 Ω (típico), 50 volts e 150 mA (Figura 6).

Figura 6: A bobina de choque de modo comum para montagem em superfície SPDL3225-101-2P-T controla a EMI com o mínimo de distorção de sinal. (Fonte da imagem: Signal Transformer)

Conclusão

A implantação de sistemas de EVSE, como pilhas de carregamento de EV, é importante para apoiar o uso de EV em larga escala e a consequente redução de gases de efeito estufa. É necessária uma variedade de tipos de pilha de carregamento de EV que possa suportar tanto o carregamento lento de CA quanto o carregamento rápido de CC. Para garantir o sucesso do projeto e a implantação segura de EVs e EVSEs, os projetistas podem aproveitar os sistemas e dispositivos especializados e prontamente disponíveis para conversão e fornecimento de energia, proteção de circuitos e mitigação de EMI.

Leitura recomendada

1. Use os conectores CCS para simplificar a implementação de sistemas seguros de carregamento rápido EV
2. Como selecionar e utilizar capacitores para garantir carregadores EV eficientes, confiáveis e sustentáveis
3. Use conversores de energia bidirecionais e PFC para melhorar a eficiência do HEV, BEV e da rede elétrica
4. Como são fabricados os pacotes de bateria para veículos elétricos?