כיצד לממש הגנה, הספקת-כוח עזר וחיבוריות עבור רכבי EV וציוד הספקת-כוח EV‏

רכבים חשמליים (EV) ממלאים תפקיד יותר ויותר חשוב בהפחתת פליטת גזי חממה (GHG) כדי להתמודד עם בעיות שינויי האקלים. עם זאת, התכנון והפריסה המוצלחים של EVs, וציוד הספקת-כוח עבור EV‏ (EVSE‏) כמו מטעני סוללות, דורשים מהמתכננים להתמודד עם מגוון רחב של אתגרים טכנולוגיים. אלה כוללים הגנה מפני מתח-יתר וזרם-יתר, שיכוך הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), תכנון ספקי-כוח עם תחומי כניסה וטמפרטורת פעולה רחבים, והצורך המתמשך להפחית את המשקל כדי לשפר את טווח ה-EV.

לדוגמה, מערכת ניהול סוללות (BMS) וממשק בקרה במערכת EVSE זקוקים לספקי-כוח עזר AC/DC היכולים לפעול בתחום מתחי כניסה של 85 עד 305 וולט AC‏ (_AC‏V‏) ותחום טמפרטורות של C‏°‏40‏- עד 85°C+. כדי להתמודד עם המשקל, המתכננים צריכים לשקול לעבור מאפיק ה-CAN המכובד והמבוסס ל-Ethernet בדירוג רכב היכול לתמוך ברוחב-פס גבוה יותר עם כבלים קלים יותר.

מאמר זה מספק סקירה קצרה של הרמות הבסיסיות של מטעני EV. לאחר מכן הוא דן בצרכים השונים של כל סוג הקשור לספקי-כוח עזר (AUX‏) AC/DC, המעניק אפשרויות הגנה מפני מתח-יתר וזרם-יתר, ובוחן כיצד לממש חיבוריות Ethernet ושיכוך EMI כדי למנוע עיוותי אותות במהירות גבוהה. יוצגו דוגמאות לפתרונות מהעולם האמיתי לטיפול בבעיות התכנים השונות מספקים כמו Bel Fuse‏, Signal Transformer‏, Stewart Connector‏ ו-CUI‏.

מבוא לדרישות הטעינה של EV ו-EVSE

פריסה של מספר רב של EVSEs‏, כולל מטעני סוללות ועמדות טעינה, תהיה המפתח לאימוץ נרחב של EV‏. שימו לב שמטעני סוללות EV הם פנימיים ל-EV בעוד שעמדות טעינה מתייחסות לתחנות טעינה חיצוניות. ה-SAE J1772, התקן הצפון אמריקאי למחברי EV, מגדיר ארבע רמות טעינת EV:

• AC Level 1‏ משתמש ב-_AC‏V‏ 120‏ כדי לספק עד 16 אמפר (A) או 1.9 קילוואט (kW‏), AC Level 2‏ משתמש ב-208 עד _AC‏V‏ 240‏ כדי לספק עד A‏ 80‏ או kW‏ 19.2‏
• DC Level 1‏ משתמש בעד _DC‏V‏ 1,000‏ כדי לספק עד A‏ 80‏ או kW‏ 80‏
• DC Level 2‏ משתמש בעד _DC‏V‏ 1,000‏ כדי לספק A‏ 400‏ או kW‏ 400‏

בעוד שה-SAE מגדיר את שתי רמות ה-DC בנפרד, לעתים קרובות הן מקובצות יחדיו ונקראות Level 3‏, או טעינה מהירה DC. בנוסף למתחי הכניסה ורמות ההספק השונות, עמדות טעינה AC דורשות מטען מובנה נפרד (OBC) ברכב כדי לטפל בהמרת AC/DC ופונקציות BMS הדרושות לטעינה בטוחה ויעילה של מארז הסוללות. במקרה של טעינה מהירה DC, אין צורך ב-OBC; המרת הספק ופונקציות BMS נמצאות בעמדת הטעינה. כל רמת טעינה כוללת תקשורת (איתות) בין הרכב לבין עמדת הטעינה (איור 1).

איור 1: שלוש רמות של טעינת EV מוכרות בדרך כלל. Level 3‏ (תחתונה) משלבת את שתי הרמות של טעינת DC המוגדרות על ידי SAE J1772. (מקור התמונה: CUI)

צורכי הספקת-כוח עזר (AUX‏)

לפי דרישות SAE J1772, יש צורך בהספקת-כוח עזר כדי לתמוך בפעולה הכללית של עמדת הטעינה ובפונקציות האיתות בעת חיבור בקר עמדת הטעינה עם בקר הרכב. פרוטוקול האיתות נועד להבטיח טעינה יעילה ובטוחה, תוך ניצול חיבוריות דו-כיוונית רציפה בין העמדה לבין הרכב.

דרישת הספקת-הכוח הבסיסית היא ספק-כוח AC/DC המספק _DC‏V‏ 12‏ עבור איתות עם תחום טמפרטורות פעולה של C‏°‏40‏- עד 85°C+. פתרונות שלמים זקוקים לתאימות אלקטרומגנטית (EMC) ולמעגלי הגנה, ולרוב יש להם ממיר DC/DC נפרד כדי לספק מתח נמוך יותר לרכיבים אחרים, כגון 3.3 וולט להפעלת יחידת מיקרו-בקר (MCU).

צורכי ההספק המדויקים תלויים בתכן עמדת הטעינה. לדוגמה, מטען Level 1‏ הוא תכן פשוט עם צורכי הספק מינימליים, וספק-כוח עזר שניתן לספק עם ספק-כוח זעיר של 5 וואט AC/DC המורכב על לוח מעגלים מודפסים (לוח PCB). עמדות טעינה Level 2‏ הן מורכבות יותר וזקוקות לבערך 50 וואט של הספקת-כוח עזר. שתיהן פועלות מכניסות AC חד-פאזיות, אך עם דרישות מתח כניסה שונות; _AC‏V‏ 120‏ עבור Level 1‏, ו-208 עד _AC‏V‏ 240‏ עבור Level 2‏.

הדברים משתנים באופן משמעותי עם עמדות טעינה Level 3‏. מעגלי הטעינה בעמדה פועלים על מתח תלת-פאזי, לרוב _AC‏V‏ 480‏. הספק-כוח עזר העזר מוזן במתח חד-פאזי וזקוק לתחום מתחי כניסה רחב, כגון 85 עד _AC‏V‏ 305‏. הספק היציאה הוא גם גבוה יותר, לרוב 150 וואט או יותר, המאפשר מגוון רחב יותר של מאפיינים כולל פקדים נוספים כמו פונקציות תשלום, תצוגה ו-BMS. יכולה להיות לו יציאה יחידה, כגון _DC‏V‏ 24‏ עבור הספקת-כוח כוללנית של המערכת. למערכת תהיה סדרה של ממירי DC/DC מבוזרים כדי לספק _DC‏V‏ 12‏ הדרושים עבור איתות, פס _DC‏V‏ 12‏ נפרד עבור ה-BMS‏, ו-_DC‏V‏ 3.3‏ עבור ה-MCU‏ ורכיבים אחרים. בנוסף לפונקציות ההגנה הסטנדרטיות ו-EMC‏, פתרונות הספקת-כוח אלו דורשים תיקון גורם הספק (PFC), והגנה מפני זרמי התנעה גבוהים כאשר הם מופעלים.

ספקי-כוח עזר (AUX‏)

החדשות הטובות עבור המתכננים הן שהם לא צריכים לבנות ספקי-כוח עזר מאפס. במקום זאת, ישנם פתרונות מן-המדף עבור כל סוגי עמדות טעינה EV הזמינים כעת מחטיבת CUI של Bel Fuse. לדוגמה, סדרת PBO של ספקי-כוח AC/DC‏ 3, 5, 8 ו-10 וואט המתאימים למטעני Level 1‏. הדגם PBO-5C-12 מספק 5 וואט עם יציאה של _DC‏V‏ 12‏ מתחום מתחי כניסה של 85 עד _AC‏V‏ 305‏, והוא מדורג לפעולה בתחום טמפרטורות של C‏°‏40‏- עד 85°C+.

עמדות טעינה Level 2‏ דורשות יותר ספקי-כוח עזר ויכולים להשתמש בסדרת PSK‏ של ספקי-כוח AC/DC‏, כמו PSK-10D-12‏ 10 וואט במארז סגור המספק 830 מיליאמפר (mA) ב-_DC‏V‏ 12‏. לספק זה יש את אותו תחום מתחי כניסה ותחום טמפרטורת פעולה כמו ל-PBO-5C-12. שתי הסדרות PBO ו-PSK כוללת הגנה מפני זרם-יתר וקצר, כאשר סדרת PSK מוסיפה הגנה מפני מתח-יתר.

עבור עמדות טעינה Level 3‏, סדרת VGS‏ של CUI‏ של ספקי-כוח AC/DC‏ יכולה לספק עד 350 וואט. לספקים אלה יש הגנות מפני קצר, זרם-יתר, מתח-יתר וטמפרטורת-יתר, כמו גם הגבלת זרם התנעה ו-PFC אקטיבי. הם עומדים ב-CISPR/EN55032 Class B עבור פליטות מוקרנות/מוליכות וב-IEC 61000-3-2 Class A עבור גבולות הרמוניות. דגם לדוגמה הוא ה-VGS-100W-24‏. הוא מספק הספק של 108 וואט עם מתח יציאה של _DC‏V‏ 24‏ ונצילות טיפוסית של 89.5% (איור 2).

איור 2: ספקי-הכוח VGS (משמאל), PSK (במרכז) ו-PBO (מימין) AC/DC (לא בקנה מידה) מתאימים עבור עמדות טעינתה EV‏ Level 3‏, Level 2‏ ו-Level 1‏, בהתאמה. (מקור התמונה: ג'ף שפרד)

הגנת זרם-יתר

כדי לספק הגנה מפני זרם-יתר עבור פסי מתח גבוה, Bel Fuse מציעה נתיכים קרמיים חסונים עם פעולה-מהירה עם דירוגים של 240, 500 ו-1,000 וולט. הם מתוכננים עבור שימוש במארזי סוללות EV עיקריות, תיבות צמתים, עמדות טעינה ויישומים קשורים, ועומדים בדרישות של תקן הנתיכים JASO D622/ISO 8820-8‏ עבור רכבי כביש. נתיך קרמי מסוג תרמיל עם הרכבת-בורג דגם 0ALEB9100-PD מדורג ל-A‏ 10‏ ו-500 וולט (איור 3).

איור 3: הנתיך הקרמי עם הרכבת-בורג 0ALEB9100-PD מדורג ל-A‏ 10‏ ו-500 וולט ומתוכנן עבור שימוש במגוון של יישומי EV. (מקור התמונה: Bel Fuse)

הגנת טמפרטורת-יתר

הגנה מפני טמפרטורת-יתר חשובה גם בעמדות טעינת EV ובמארזי סוללות. עבור יישומים אלה, Bel Fuse מציעה נתיכים מתאפסים לטמפרטורה גבוהה סדרת 0ZT. התקני מקדם טמפרטורה חיובי (PTC) אלה הם בעלי תחום טמפרטורת פעולה רחב של C‏°‏40‏- עד C‏ִ°‏125‏+,ומספקים את זרמי ההפעלה וההחזקה הנדרשים עבור הגנה חסונה מפני טמפרטורות-יתר. ה-0ZTH0020FF2E, לדוגמה, מדורג ל-30 וולט עם זרם הפעלה של mA‏ 500‏ וזרם החזקה של mA‏ 200‏ (איור 4). כמו התקני PTC אחרים בסדרת OZT‏, הוא מתאים היטב עבור פעולה בטמפרטורות סביבה גבוהות.

איור 4: נתיך מתאפס לטמפרטורה גבוהה OZTH0020FF2E הוא חלק מסדרת OZT‏ של התקני PTC עבור הגנה מפני טמפרטורות-יתר המתאים היטב עבור שימוש בעמדות טעינה EV וב-BMS. (מקור התמונה: Bel Fuse)

חיבוריות ותקינות אותות

בנוסף לפונקציות הספקת-כוח עזר והגנה, עמדות טעינה EV דורשות חיבוריות במהירות גבוהה ודרגה גבוהה של תקינות אותות עבור פעולה אמינה. דרישות אלו נענות בקלות על ידי Ethernet לרכב, המבוסס על IEEE 802.3ch‏ עם קצבי נתונים של עד 10 גיגה-ביט לשנייה (Gbits/s). Ethernet לרכב מחליף במהירות את אפיק ה-CAN המסורתי עם קצב הנתונים שלו של 1 מגה-ביט לשנייה (Mbit/s). זאת בין היתר הודות לקצב הנתונים הגבוה של Ethernet לרכב, אך גם מפני שהוא מספק את הנתונים האלה באמצעות כבל של זוג-מפותל יחיד לא-מסוכך המתוכנן עבור הן משקל נמוך והן עלות מינימלית.

השימוש ב-Ethernet צפוי להמשיך לגדול עם ההשקה המתוכננת של IEEE 802.3dh‏ בשנת 2024. תקן זה יספק Ethernet לרכב רב-גיגה-ביט על סיבים אופטיים מפלסטיק (POF‏). כמה יתרונות של POF ביישומי רכב כוללים גבולות מאמצים אלסטיים גבוהים, קשיחות לשברים גבוהה וגמישות גבוהה, ההופכות אותו לבחירה טובה עבור החלפת כבלי Ethernet של זוגות חוטים מפותלים.

בינתיים, עבור תכני הרכב של היום, חטיבת Stewart Connector‏ של Bel Fuse מציעה מחברים מודולריים Ethernet‏ RJ45 העומדים בתקן SAE/USCAR2-6 עבור דרישות רעידות ואיטום. הם זמינים בתכני הרכבה אנכית ובזווית-ישרה, עם מספר תצורות LED ותחום טמפרטורות פעולה של C‏°‏40‏- עד C‏°‏100‏+.

המחברים יכולים להתאים להספקת-כוח-על-Ethernet ‏(PoE) ברמות של עד 100 וואט. מכיוון שהפסדי החזרה וערב-דיבור (Crosstalk‏) הם לעתים קרובות מאתגרים עם סגנון זה של מחבר PoE, תכן המגעים שלהם עבר אופטימיזציה עבור ביצועים גבוהים ביישומי תדר-גבוה. הם גם ממוטבים עבור חתימת-שטח קטנה.

גרסאות ללא-LED של Stewart RJ45, כגון ה-SS-60300-011, תואמות עבור Reflow‏ IR, ולכל ההתקנים בקו מוצרים זה יש מגעים מצופים באופן סלקטיבי ב-50 מיקרו-אינץ' של זהב עבור שיפור הביצועים. ה-SS-60300-011 מתוכנן עבור כיווניות אופקית (איור 5).

איור 5: ה-SS-60300-011 הוא מחבר Ethernet קומפקטי בעל כיווניות אופקית היכול לתמוך ב-PoE ביישומי רכב. (מקור התמונה: Stewart Connector)

כדי להבטיח את תקינות האותות, חטיבת Signal Transformer‏ של Bel Fuse מציעה את סדרת SPDL‏ של משנקי אופן-משותף בהרכבה-משטחית עבור שיכוך EMI‏ של רעשי אופן-דיפרנציאלי. הוא מסנן אותות דרך Ethernet וממשקים במהירות גבוהה אחרים כמעט ללא עיוותי אותות. משנקי אופן-משותף אלה מדורגים עבור זרמים של עד A‏ 6.5‏ עם אימפדנסים בין 90 ל-2200 אוהם (Ω), ויש להם תחום טמפרטורות פעולה של 40°C- עד 125°C+. לדוגמה, דגם SPDL3225-101-2P-T מדורג ל- Ω‏ 5100 (טיפוסי), 50 וולט ו-mA‏ 150‏ (איור 6).

איור 6‏: משנק אופן-משותף בהרכבה-משטחית SPDL3225-101-2P-T מבקר EMI‏ עם עיוותי אותות מינימליים. (מקור תמונה: Signal Transformer)

סיכום

הפריסה של מערכות EVSE כמו עמדות טעינת EV היא חשובה כדי לתמוך בשימוש ב-EV בקנה-מידה גדול ובהפחתה הנלווית של גזי חממה (GHG‏). נדרש מגוון של סוגי עמדות טעינה EV‏ היכול לתמוך הן בטעינת AC‏ איטית והן בטעינת DC‏ מהירה. כדי להבטיח תכנים ופריסה מוצלחים ובטוחים של רכבי EV ושל EVSE, המתכננים יכולים לנצל את היתרונות של מערכות והתקנים מיוחדים הזמינים עבור המרת והעברת הספק, הגנת מעגלים והפחתת EMI.

קריאה מומלצת

1. השתמשו במחברי CCS כדי לפשט את המימוש של מערכת טעינת EV מהירה ובטוחה
2. כיצד לבחור וליישם קבלים כדי להבטיח מטעני EV יעילים, אמינים וברי-קיימא
3. השימוש בממירי הספק ו- PFC דו-כיווניים לשיפור הנצילות ב- HEV‏, BEV‏ וברשת החשמל
4. כיצד מיוצרים מארזי סוללות לרכב חשמלי?