Elektromobilität Schutz-, Hilfsenergie- und Vernetzungskomponenten für EVs

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Bei Elektrofahrzeugen ist der Schutz von Schaltkreisen vor Überspannung und Überstrom sowie die Unterdrückung elektromagnetischer Interferenzen enorm wichtig.

Elektrofahrzeuge (EVs) spielen eine immer wichtigere Rolle bei der Reduzierung von Treibhausgasemissionen, um dem Klimawandel zu begegnen. Für die erfolgreiche Entwicklung und Einführung von E-Fahrzeugen und Versorgungseinrichtungen für Elektrofahrzeuge (EVSE), z. B. Akkuladegeräte, müssen die Entwickler jedoch eine Vielzahl von technologischen Herausforderungen bewältigen. Dazu gehören der Schutz von Schaltkreisen vor Überspannung und Überstrom, die Unterdrückung elektromagnetischer Interferenzen (EMI), die Entwicklung von Stromversorgungen mit großen Eingangs- und Betriebstemperaturbereichen und die Notwendigkeit, das Gewicht zu reduzieren, um die Reichweite von Fahrzeugen zu erhöhen.

Ein Batteriemanagementsystem (BMS) und eine Steuerschnittstelle in einem EVSE-System benötigen beispielsweise AC/DC-Hilfsstromversorgungen, die in einem Eingangsspannungsbereich von 85 bis 305 V_AC und einem Temperaturbereich von –40 bis 85 °C arbeiten können. Um das Gewicht zu reduzieren, müssen die Entwickler den Wechsel vom ehrwürdigen und gut etablierten CAN-Bus zum Automotive-Ethernet in Erwägung ziehen, das höhere Bandbreiten mit leichteren Kabeln unterstützen kann.

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Dieser Beitrag gibt einen kurzen Überblick über die grundlegenden Stufen von EV-Ladegeräten. Anschließend werden die unterschiedlichen Anforderungen der einzelnen Typen in Bezug auf AC/DC-Hilfsstromversorgungen (Aux Power) erörtert, Optionen für den Überspannungs- und Überstromschutz vorgestellt und die Implementierung von Ethernet-Vernetzung und die Unterdrückung von EMI zur Vermeidung von Verzerrungen bei Highspeed-Signalen untersucht. Von Anbietern wie Bel Fuse, Signal Transformer, Stewart Connector und CUI werden Beispiele für praktische Lösungen zur Bewältigung der verschiedenen Designprobleme vorgestellt.

Einführung in die EV- und EVSE-Ladeanforderungen

Der Einsatz einer großen Anzahl von EVSEs, einschließlich Akkuladegeräten und Ladesäulen, wird der Schlüssel für eine breite Akzeptanz von E-Fahrzeugen sein. Beachten Sie, dass Ladegeräte für Elektrofahrzeuge intern im Fahrzeug installiert sind, während Ladesäulen externe Ladestationen sind. SAE J1772, die nordamerikanische Norm für EV-Stecker, definiert vier EV-Ladestufen:

• AC Level 1 verwendet 120 V_AC und liefert bis zu 16 A oder 1,9 kW, AC Level 2 verwendet 208 bis 240 V_AC und liefert bis zu 80 A oder 19,2 kW,

• DC Level 1 verwendet bis zu 1.000 V_DC, um bis zu 80 A oder 80 kW zu liefern,

• DC Level 2 verwendet bis zu . V_DC, um bis zu 400 A oder 400 kW zu liefern.

Obwohl die SAE die beiden DC-Stufen getrennt definiert, werden sie oft zusammengefasst und als Stufe 3 oder DC-Schnellladung bezeichnet. Zusätzlich zu den unterschiedlichen Eingangsspannungen und Leistungsniveaus erfordern Wechselstrom-Ladesäulen ein separates Ladegerät im Fahrzeug (OBC), das die AC/DC-Wandlung und die BMS-Funktionen übernimmt, die für ein sicheres und effizientes Aufladen des Akkusatzes erforderlich sind. Beim Gleichstrom-Schnellladen ist kein OBC erforderlich, da die Leistungswandlung und die BMS-Funktionen in der Ladesäule untergebracht sind. Jede Ladestufe umfasst die Kommunikation (Signalisierung) zwischen dem Fahrzeug und der Ladesäule (Bild 1).

Bedarf an Hilfsenergie

Gemäß den Anforderungen der SAE J1772 wird eine Hilfsspannung benötigt, um den allgemeinen Betrieb der Ladesäule und die Signalisierungsfunktionen zu unterstützen, wenn die Ladesäulensteuerung mit der Fahrzeugsteuerung verbunden wird. Das Signalprotokoll wurde entwickelt, um ein effizientes und sicheres Laden zu gewährleisten, indem es eine kontinuierliche Zwei-Wege-Verbindung zwischen der Säule und dem Fahrzeug herstellt.

Die Grundvoraussetzung für die Stromversorgung ist ein AC/DC-Netzteil, das 12 V_DC für die Signalisierung liefert und einen Betriebstemperaturbereich von –40 bis 85 °C aufweist. Komplettlösungen benötigen elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und Schutzschaltungen und verfügen in der Regel über einen separaten DC/DC-Wandler, um andere Komponenten mit einer niedrigeren Spannung zu versorgen, z. B. 3,3 V zur Versorgung einer Mikrocontrollereinheit (MCU).

Der genaue Strombedarf hängt von der Konstruktion der Ladesäule ab. Ein Ladegerät der Stufe 1 beispielsweise ist ein einfaches Gerät mit minimalem Strombedarf, das mit einem kleinen 5-W-AC/DC-Netzteil auf einer Leiterplatte versorgt werden kann. Ladesäulen der Stufe 2 sind komplexer und benötigen eine Hilfsleistung von etwa 50 W. Beide arbeiten mit einphasigen Wechselstromeingängen, jedoch mit unterschiedlichen Eingangsspannungsanforderungen: 120 V_AC für Stufe 1 und 208 bis 240 V_AC für Stufe 2.

Bei den Ladesäulen der Stufe 3 ändern sich die Dinge erheblich. Die Ladestromkreise in der Säule werden mit Dreiphasenstrom, häufig 480 V_AC, betrieben. Das Hilfsnetzteil wird mit einphasigem Strom gespeist und benötigt einen weiten Eingangsspannungsbereich, beispielsweise 85 bis 305 V_AC. Die Ausgangsleistung ist ebenfalls höher, oft 150 W oder mehr, und ermöglicht eine breitere Palette von Funktionen, einschließlich zusätzlicher Steuerungen wie Zahlungsfunktionen, ein Display und ein BMS. Es kann einen einzigen Ausgang haben, z. B. 24 V_DC für die gesamte Systemleistung. Das System verfügt über eine Reihe von verteilten DC/DC-Wandlern, welche die für die Signalisierung benötigten 12 V_DC, eine separate 12-V_DC-Schiene für das BMS und 3,3 V_DC für die MCU und andere Komponenten liefern. Zusätzlich zu den EMV- und Standardschutzfunktionen benötigen diese Stromversorgungslösungen eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC) und einen Schutz vor hohen Einschaltströmen beim Einschalten der Geräte.

Hilfsstromversorgungen

Die gute Nachricht für Entwickler ist, dass sie die Hilfsstromversorgungen nicht von Grund auf neu entwickeln müssen. Stattdessen gibt es jetzt Standardlösungen für alle Arten von Ladesäulen für Elektrofahrzeuge, die von der CUI-Abteilung von Bel Fuse angeboten werden. Die platinenmontierbaren AC/DC-Netzteile der PBO-Serie für 3, 5, 8 und 10 W eignen sich beispielsweise für Ladegeräte der Stufe 1. Das Modell PBO-5C-12 liefert 5 W mit einem 12-V_DC-Ausgang bei einem Eingangsspannungsbereich von 85 bis 305 V_AC und ist für den Betrieb in einem Temperaturbereich von –40 bis 85 °C ausgelegt.

Ladesäulen der Stufe 2 benötigen mehr Hilfsenergie und können die AC/DC-Netzteile der PSK-Serie verwenden, z. B. das gekapselte 10-W-Netzteil PSK-10D-12, das 830 mA bei 12 V_DC liefert. Dieses Netzteil hat denselben Eingangsspannungsbereich und dieselben Betriebstemperaturspezifikationen wie das PBO-5C-12. Sowohl die PBO- als auch die PSK-Serie verfügen über einen Überstrom- und Kurzschlussschutz, die PSK-Serie zusätzlich über einen Überspannungsschutz.

Für Ladesäulen der Stufe 3 können die AC/DC-Netzteile der VGS-Serie von CUI bis zu 350 W liefern. Diese Netzteile verfügen über Kurzschluss-, Überstrom-, Überspannungs- und Übertemperaturschutz sowie über Einschaltstrombegrenzung und aktive PFC. Sie erfüllen CISPR/EN55032 Klasse B für gestrahlte/geleitete Emissionen und IEC 61000-3-2 Klasse A für Oberwellenbegrenzungen. Ein Beispiel ist das Modell VGS-100W-24. Er liefert eine Leistung von 108 Watt bei einer Ausgangsspannung von 24 V_DC und einem typischen Wirkungsgrad von 89,5 Prozent (Bild 2).

Überstromschutz

Für den Überstromschutz von Hochspannungsschienen bietet Bel Fuse flinke und robuste Keramiksicherungen mit Nennwerten von 240, 500 und 1000 V an. Sie sind für den Einsatz in EV-Hauptbatterien, Verteilerkästen, Ladesäulen und ähnlichen Anwendungen vorgesehen und erfüllen die Anforderungen der Sicherungsnorm JASO D622/ISO 8820-8 für Straßenfahrzeuge. Die keramische Patronensicherung Modell 0ALEB9100-PD mit Bolzenmontage ist für 10 A und 500 V ausgelegt (Bild 3).

Übertemperaturschutz

Ein Überhitzungsschutz ist auch bei Ladesäulen und Akkupacks für Elektrofahrzeuge wichtig. Für diese Anwendungen bietet Bel Fuse die rücksetzbaren Hochtemperatursicherungen der Serie 0ZT an. Diese Bauteile mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC) haben einen großen Betriebstemperaturbereich von –40 bis 125 °C und bieten die erforderlichen Auslöse- und Halteströme für einen robusten Übertemperaturschutz. Der 0ZTH0020FF2E ist zum Beispiel für 30 V mit einem Auslösestrom von 500 mA und einem Haltestrom von 200 mA ausgelegt (Bild 4). Wie andere PTC-Komponenten der OZT-Serie ist er für den Betrieb in Umgebungen mit hohen Umgebungstemperaturen gut geeignet.

Vernetzung und Signalqualität

Zusätzlich zu den Hilfsstrom- und Schutzfunktionen benötigen Ladesäulen für Elektrofahrzeuge Highspeed-Vernetzung und ein hohes Maß an Signalintegrität für einen zuverlässigen Betrieb. Diese Anforderungen werden von Automotive Ethernet, basierend auf IEEE 802.3ch mit Datenraten von bis zu 10 Gbit/s, problemlos erfüllt. Automotive Ethernet ersetzt mit seiner Datenrate von 1 Mbit/s zunehmend den traditionellen CAN-Bus. Das liegt zum Teil an der hohen Datenrate von Automotive Ethernet, aber auch daran, dass diese Daten über ein ungeschirmtes, einpaariges Twisted-Pair-Kabel übertragen werden, das auf geringes Gewicht und minimale Kosten ausgelegt ist.

Mit der für 2024 geplanten Veröffentlichung von IEEE 802.3dh wird die Nutzung von Ethernet voraussichtlich weiter zunehmen. Dieser Standard wird Multi-Gigabit-Ethernet für Fahrzeuge über optische Kunststofffasern (POF) ermöglichen. Zu den Vorteilen von POF in der Automobilindustrie gehören hohe elastische Dehnungsgrenzen, hohe Bruchzähigkeit und hohe Flexibilität, was sie zu einer guten Wahl für den Ersatz von Twisted-Pair-Ethernet-Verkabelungen macht.

Für die heutigen Automobil-Designs bietet die Stewart Connector Division von Bel Fuse modulare RJ45-Ethernet-Steckverbinder in Automobilqualität an, die den SAE/USCAR2-6-Standard für Vibrations- und Dichtungsanforderungen erfüllen. Sie sind in rechtwinkliger und vertikaler Ausführung, mit mehreren LED-Konfigurationen und einem Betriebstemperaturbereich von –40 bis 100 °C erhältlich.

Die Anschlüsse können Power-over-Ethernet (PoE) mit einer Leistung von bis zu 100 W aufnehmen. Da Übersprechen und Rückflussdämpfung bei dieser Art von PoE-Steckverbindern oft ein Problem darstellen, wurde das Kontaktdesign für eine hohe Leistung bei Hochfrequenzanwendungen optimiert. Außerdem sind sie für einen geringen Platzbedarf optimiert.

Nicht-LED-Versionen des Stewart RJ45, z. B. der SS-60300-011, sind IR-Reflow-kompatibel, und alle Geräte der Serie verfügen über Kontakte, die zur Verbesserung der Leistung selektiv mit 50 Mikrozoll Gold beschichtet sind. Der SS-60300-011 ist für eine horizontale Ausrichtung konzipiert (Bild 5).

Um die Signalintegrität zu gewährleisten, bietet der Geschäftsbereich Signal Transformer von Bel Fuse die SPDL-Serie oberflächenmontierbarer Gleichtaktdrosseln zur EMI-Unterdrückung von Differenzstörungen an. Sie filtert Signale über Ethernet und andere Highspeed-Schnittstellen praktisch ohne Signalverzerrung. Diese Gleichtaktdrosseln sind für Ströme bis zu 6,5 A mit Impedanzen von 90 bis 2.200 Ω ausgelegt und haben einen Betriebstemperaturbereich von –40 bis 125 °C. Das Modell SPDL3225-101-2P-T ist zum Beispiel für 5100 Ω (typisch), 50 V und 150 mA ausgelegt (Bild 6).

Fazit

Der Einsatz von EVSE-Systemen wie Ladesäulen ist wichtig, um die Nutzung von E-Fahrzeugen in großem Umfang und die damit einhergehende Verringerung der Treibhausgasemissionen zu unterstützen. Es werden verschiedene Arten von Ladesäulen für Elektrofahrzeuge benötigt, die sowohl langsames AC-Laden als auch schnelles DC-Laden unterstützen. Um die erfolgreiche Entwicklung und den sicheren Einsatz von E-Fahrzeugen und EVSEs zu gewährleisten, können Entwickler auf leicht verfügbare, spezialisierte Systeme und Geräte für die Energieumwandlung und -versorgung, den Schutz von Stromkreisen und die EMI-Abschwächung zurückgreifen. (tk)

Empfohlene Lektüre:

[1] Verwendung von CCS-Steckern zur Vereinfachung der Implementierung von sicheren Schnellladesystemen für Elektrofahrzeuge.

[2] Auswahl und Verwendung von Kondensatoren für effiziente, zuverlässige und nachhaltige EV-Ladegeräte.

[3] Einsatz bidirektionaler Leistungswandler und PFC zur Verbesserung des Wirkungsgrads von HEV, BEV und Stromnetzen.

[4] Herstellung von Batteriepacks für Elektrofahrzeuge.

* Rolf Horn ist Applications Engineer bei Digi-Key.

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