วิธีการใช้การป้องกัน ไฟ Aux และการเชื่อมต่อสำหรับ EV และอุปกรณ์จ่าย EV

รถยนต์ไฟฟ้า (EV) กำลังมีบทบาทสำคัญมากขึ้นในการลดการปล่อยก๊าซเรือนกระจก (GHG) เพื่อจัดการกับปัญหาการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ อย่างไรก็ตาม การออกแบบและใช้งาน EV และอุปกรณ์จ่ายพลังงานไฟฟ้า (EVSE) เช่น เครื่องชาร์จแบตเตอรี่ให้ประสบความสำเร็จนั้น นักออกแบบจำเป็นต้องรับมือกับความท้าทายทางเทคโนโลยีที่หลากหลาย สิ่งเหล่านี้รวมถึงการป้องกันแรงดันไฟเกินและกระแสไฟเกิน การยับยั้งการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) การออกแบบพาวเวอร์ซัพพลายที่มีอินพุตและช่วงอุณหภูมิการทำงานที่กว้าง และความต้องการอย่างต่อเนื่องในการลดน้ำหนักเพื่อปรับปรุงช่วง EV

ตัวอย่างเช่น ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) และส่วนต่อประสานการควบคุมในระบบ EVSE ต้องการแหล่งจ่ายไฟ AC/DC เสริมที่สามารถทำงานได้ในช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุต 85 ถึง 305 โวลต์ AC (V_AC) และช่วงอุณหภูมิ -40°C ถึง +85°C เพื่อจัดการกับน้ำหนัก นักออกแบบจำเป็นต้องพิจารณาย้ายจากบัส CAN ที่น่าเชื่อถือและเป็นที่ยอมรับมาเป็นอีเธอร์เน็ตเกรดยานยนต์ที่สามารถรองรับแบนด์วิธที่สูงขึ้นด้วยสายเคเบิลที่เบากว่า

บทความนี้แสดงภาพรวมโดยย่อเกี่ยวกับระดับพื้นฐานของเครื่องชาร์จ EV จากนั้นจะกล่าวถึงความต้องการที่แตกต่างกันของแต่ละประเภทที่เกี่ยวข้องกับแหล่งจ่ายไฟ AC/DC เสริม (ไฟ aux) มีตัวเลือกการป้องกันแรงดันไฟเกินและกระแสไฟเกิน และดูวิธีการใช้การเชื่อมต่ออีเทอร์เน็ตและระงับ EMI เพื่อหลีกเลี่ยงไม่ให้สัญญาณความเร็วสูงผิดเพี้ยน ตัวอย่างของโซลูชันในโลกแห่งความเป็นจริงเพื่อแก้ไขปัญหาการออกแบบต่างๆ จะนำเสนอจากผู้ให้บริการเช่น Bel Fuse, Signal Transformer, Stewart Connector, และ CUI

บทนำเกี่ยวกับข้อกำหนดการชาร์จ EV และ EVSE

การใช้งาน EVSE จำนวนมาก รวมถึงเครื่องชาร์จแบตเตอรี่และแท่นชาร์จ จะเป็นกุญแจสำคัญในการนำ EV ไปใช้อย่างแพร่หลาย โปรดทราบว่าเครื่องชาร์จแบตเตอรี่ EV อยู่ภายใน EV ในขณะที่กองชาร์จหมายถึงสถานีชาร์จภายนอก SAE J1772 ซึ่งเป็นมาตรฐานของอเมริกาเหนือสำหรับตัวเชื่อมต่อ EV กำหนดระดับการชาร์จ EV สี่ระดับ:

• AC ระดับ 1 ใช้ไฟ 120 V_AC เพื่อส่งกระแสไฟได้ถึง 16 แอมแปร์ (A) หรือ 1.9 กิโลวัตต์ (kW) AC ระดับ 2 ใช้ไฟ 208 ถึง 240 V_AC เพื่อส่งมอบสูงสุด 80 A หรือ 19.2 kW
• DC ระดับ 1 ใช้ไฟสูงสุด 1,000 V_DC เพื่อส่งได้ถึง 80 A หรือ 80 kW
• DC ระดับ 2 ใช้ไฟสูงสุด 1,000 V_DC เพื่อส่งได้ถึง 400 A หรือ 400 กิโลวัตต์

แม้ว่า SAE จะกำหนดระดับ DC สองระดับแยกกัน แต่มักจะรวมเข้าด้วยกันและเรียกว่าระดับ 3 หรือการชาร์จ DC แบบเร็ว นอกเหนือจากแรงดันไฟฟ้าอินพุตและระดับพลังงานที่แตกต่างกันแล้ว เสาชาร์จไฟฟ้ากระแสสลับยังต้องการเครื่องชาร์จบนรถ (OBC) แยกต่างหากในรถยนต์เพื่อจัดการการแปลง AC/DC และฟังก์ชัน BMS ที่จำเป็นสำหรับการชาร์จแบตเตอรี่อย่างปลอดภัยและมีประสิทธิภาพ ในกรณีของการชาร์จแบบเร็ว DC ไม่จำเป็นต้องใช้ OBC ฟังก์ชั่นการแปลงพลังงานและ BMS อยู่ในกองชาร์จ แต่ละระดับของการชาร์จจะรวมถึงการสื่อสาร (การส่งสัญญาณ) ระหว่างรถและแท่นชาร์จ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: การชาร์จ EV สามระดับเป็นที่ทราบโดยทั่วไป ระดับ 3 (ด้านล่าง) รวมการชาร์จ DC สองระดับที่กำหนดโดย SAE J1772 (ที่มาของภาพ: CUI)

ความต้องการไฟ Aux

ตามข้อกำหนดของ SAE J1772 จำเป็นต้องใช้ไฟ aux เพื่อรองรับการทำงานทั่วไปของเสาชาร์จและฟังก์ชันสัญญาณเมื่อเชื่อมต่อตัวควบคุมแท่นชาร์จกับตัวควบคุมยานพาหนะ โปรโตคอลสัญญาณได้รับการออกแบบมาเพื่อให้แน่ใจว่าการชาร์จมีประสิทธิภาพและปลอดภัย โดยใช้การเชื่อมต่อแบบสองทางอย่างต่อเนื่องระหว่างแท่นชาร์จกับยานพาหนะ

ความต้องการพลังงานพื้นฐานต้องการแหล่งจ่ายไฟ AC/DC ที่จ่ายไฟ 12 V_DC สำหรับการส่งสัญญาณและมีช่วงอุณหภูมิในการทำงานที่ −40 ถึง +85°C โซลูชันที่สมบูรณ์นั้นต้องการความเข้ากันได้ทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) และวงจรป้องกัน และมักจะมีตัวแปลง DC/DC แยกต่างหากเพื่อจ่ายแรงดันไฟฟ้าที่ต่ำกว่าให้กับส่วนประกอบอื่นๆ เช่น 3.3 โวลต์เพื่อจ่ายไฟให้กับหน่วยไมโครคอนโทรลเลอร์ (MCU)

ความต้องการพลังงานที่แน่นอนขึ้นอยู่กับการออกแบบแท่นชาร์จ ตัวอย่างเช่น ที่ชาร์จระดับ 1 เป็นการออกแบบที่เรียบง่ายและต้องการพลังงานน้อยที่สุด และพลังงานเสริมที่สามารถจ่ายให้กับแหล่งจ่ายไฟ AC/DC ขนาดจิ๋ว 5 วัตต์ที่ติดตั้งบนแผงวงจรพิมพ์ (บอร์ดพีซี) แท่นชาร์จระดับ 2 มีความซับซ้อนมากขึ้นและต้องการกำลังไฟ aux ประมาณ 50 วัตต์ ทั้งสองทำงานจากอินพุตไฟฟ้ากระแสสลับเฟสเดียว แต่มีความต้องการแรงดันไฟฟ้าอินพุตต่างกัน 120 V_AC สำหรับระดับ 1 และ 208 ถึง 240 V_AC สำหรับระดับ 2

ซึ่งแตกต่างอย่างมากกับแท่นชาร์จระดับ 3 วงจรการชาร์จในแท่นชาร์จทำงานโดยใช้ไฟสามเฟส ซึ่งมักจะเป็น 480 V_AC แหล่งจ่ายไฟ aux ถูกป้อนด้วยพลังงานเฟสเดียวและต้องการช่วงแรงดันไฟฟ้าอินพุตที่กว้าง เช่น 85 ถึง 305 V_AC นอกจากนี้ กำลังขับยังสูงกว่า โดยมักจะอยู่ที่ 150 วัตต์ขึ้นไป ทำให้สามารถใช้งานฟีเจอร์ได้หลากหลายยิ่งขึ้น รวมถึงการควบคุมเพิ่มเติม เช่น ฟังก์ชันการชำระเงิน จอแสดงผล และ BMS สามารถมีเอาต์พุตเดียว เช่น 24 V_DC สำหรับไฟฟ้าของระบบโดยรวม ระบบจะมีซีรีส์ตัวแปลง DC/DC แบบกระจายสำหรับจ่ายไฟ 12 V _DC ที่จำเป็นสำหรับการส่งสัญญาณ ราง 12 V _DC แยกต่างหากสำหรับ BMS และ 3.3 V_DC สำหรับ MCU และส่วนประกอบอื่นๆ นอกเหนือจาก EMC และฟังก์ชันการป้องกันมาตรฐานแล้ว โซลูชันด้านพลังงานเหล่านี้ยังต้องการการแก้ไขตัวประกอบกำลัง (PFC) และการป้องกันกระแสไหลเข้าสูงเมื่อเปิดใช้งาน

อุปกรณ์จ่ายไฟ Aux

ข่าวดีสำหรับนักออกแบบคือพวกเขาไม่ต้องสร้างอุปกรณ์จ่ายไฟ aux ตั้งแต่เริ่มต้น แต่ปัจจุบันมีโซลูชันสำเร็จรูปสำหรับกองชาร์จ EV ทุกประเภทจากแผนก CUI ของ Bel Fuse ตัวอย่างเช่น พาวเวอร์ซัพพลาย AC/DC แบบติดตั้งบนบอร์ด 3, 5, 8 และ 10 วัตต์ ซีรีส์ PBO เหมาะสำหรับเครื่องชาร์จระดับ 1 โมเดลรุ่น PBO-5C-12 ให้กำลังขับ 5 วัตต์ 12 V_DC เอาต์พุตจากช่วงแรงดันอินพุต 85 ถึง 305 V_AC และได้รับการจัดอันดับสำหรับการทำงานในช่วงอุณหภูมิ -40°C ถึง +85°C

กองชาร์จระดับ 2 ต้องการไฟ aux มากขึ้นและสามารถใช้ซีรีส์ PSK ของพาวเวอร์ซัพพลาย AC/DC เช่น 10 วัตต์ที่แนบมา PSK-10D-12 ที่ให้กำลังไฟ 830 มิลลิแอมป์ (mA) ที่ 12 V_DC แหล่งจ่ายไฟนี้มีช่วงแรงดันไฟฟ้าขาเข้าและข้อมูลจำเพาะด้านอุณหภูมิในการทำงานเหมือนกันกับ PBO-5C-12 ทั้งซีรีส์ PBO และ PSK มีการป้องกันกระแสไฟเกินและการลัดวงจร แต่ซีรีส์ PSK เพิ่มการป้องกันแรงดันไฟเกิน

สำหรับกองชาร์จระดับ 3 ซีรีส์ VGS ของ CUI ของพาวเวอร์ซัพพลาย AC/DC สามารถส่งได้ถึง 350 วัตต์ อุปกรณ์สิ้นเปลืองเหล่านี้มีระบบป้องกันไฟฟ้าลัดวงจร กระแสเกิน แรงดันไฟเกิน และอุณหภูมิเกิน ตลอดจนการจำกัดกระแสไหลเข้าและ PFC ที่ใช้งานอยู่ เป็นไปตาม CISPR/EN55032 คลาส B สำหรับการปล่อยรังสี/การนำไฟฟ้า และ IEC 61000-3-2 Class A สำหรับข้อจำกัดของฮาร์มอนิก โมเดลตัวอย่างคือ VGS-100W-24 กำลังไฟ 108 วัตต์ แรงดันเอาต์พุต 24 V_DC และประสิทธิภาพโดยทั่วไปอยู่ที่ 89.5% (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: VGS (ซ้าย), PSK (กลาง) และ PBO (ขวา) พาวเวอร์ซัพพลาย AC/DC (ไม่ปรับขนาด) เหมาะสำหรับเสาชาร์จ EV ระดับ 3, ระดับ 2 และระดับ 1 ตามลำดับ (แหล่งรูปภาพ: Jeff Shepard)

ป้องกันกระแสเกิน

เพื่อป้องกันกระแสไฟเกินสำหรับรางไฟฟ้าแรงสูง Bel Fuse ให้การทำงานที่รวดเร็วและทนทานฟิวส์เซรามิก ด้วยพิกัด 240, 500 และ 1,000 โวลต์ ออกแบบมาเพื่อใช้กับชุดแบตเตอรี่ EV หลัก กล่องรวมสัญญาณ กองชาร์จ และการใช้งานที่เกี่ยวข้อง และตรงตามข้อกำหนดของมาตรฐานฟิวส์ JASO D622/ISO 8820-8 สำหรับยานพาหนะบนท้องถนน นางแบบ0ALEB9100-PD ฟิวส์เซรามิกติดสลักคาร์ทริดจ์มีอัตรา 10 A และ 500 โวลต์ (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: ฟิวส์เซรามิกแบบติดโบลต์ 0ALEB9100-PD ได้รับการจัดอันดับสำหรับ 10 A และ 500 โวลต์ และได้รับการออกแบบมาสำหรับการใช้งาน EV ที่หลากหลาย (ที่มาของภาพ: Bel Fuse)

การป้องกันอุณหภูมิเกิน

การป้องกันอุณหภูมิสูงเกินไปยังมีความสำคัญในแท่นชาร์จ EV และชุดแบตเตอรี่อีกด้วย สำหรับการใช้งานเหล่านี้ Bel Fuse ขอนำเสนอ ซีรีส์ 0ZT ฟิวส์ที่ตั้งค่าใหม่ได้ที่อุณหภูมิสูง อุปกรณ์ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิเป็นบวก (PTC) เหล่านี้มีช่วงอุณหภูมิการทำงานสูงที่ -40°C ถึง +125°C และให้กระแสไฟที่จำเป็นสำหรับการป้องกันอุณหภูมิเกินที่แข็งแกร่ง ตัวอย่างเช่น 0ZTH0020FF2E มีพิกัด 30 โวลต์ที่มีกระแสตัด 500 mA และกระแสค้าง 200 mA (รูปที่ 4) เช่นเดียวกับอุปกรณ์ PTC อื่นๆ ในซีรีส์ OZT เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง

รูปที่ 4: ฟิวส์ OZTH0020FF2E แบบรีเซ็ตอุณหภูมิสูงได้เป็นส่วนหนึ่งของอุปกรณ์ PTC ซีรีส์ OZT สำหรับการป้องกันอุณหภูมิสูงเกินซึ่งเหมาะสำหรับใช้ในกองชาร์จ EV และ BMS (ที่มาของภาพ: Bel Fuse)

การเชื่อมต่อและความสมบูรณ์ของสัญญาณ

นอกเหนือจากฟังก์ชั่นการจ่ายไฟ aux และการป้องกันแล้ว แท่นชาร์จ EV ยังต้องการการเชื่อมต่อความเร็วสูงและความสมบูรณ์ของสัญญาณในระดับสูงเพื่อการทำงานที่ไว้วางใจได้ ข้อกำหนดเหล่านี้สามารถปฏิบัติตามได้อย่างง่ายดายด้วยอีเธอร์เน็ตในรถยนต์ ซึ่งอิงตาม IEEE 802.3ch ด้วยอัตราข้อมูลสูงสุด 10 กิกะบิตต่อวินาที (Gbits/s) อีเธอร์เน็ตสำหรับยานยนต์กำลังเข้ามาแทนที่ CAN บัสแบบเดิมอย่างรวดเร็วด้วยอัตราข้อมูลที่ 1 เมกะบิตต่อวินาที (Mbit/s) ส่วนหนึ่งเป็นเพราะอัตราข้อมูลสูงของอีเธอร์เน็ตในรถยนต์ แต่ยังเป็นเพราะส่งข้อมูลนี้ผ่านสายเคเบิลคู่บิดเกลียวเดี่ยวที่ไม่มีการหุ้มฉนวน ซึ่งออกแบบมาให้มีน้ำหนักน้อยและต้นทุนต่ำที่สุด

การใช้อีเธอร์เน็ตคาดว่าจะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องด้วยการเปิดตัว IEEE 802.3dh ตามกำหนดการในปี 2567 มาตรฐานนี้จะส่งมอบอีเธอร์เน็ตสำหรับยานยนต์หลายกิกะบิตผ่านใยแก้วนำแสงพลาสติก (POF) ข้อดีบางประการของ POF ในการใช้งานยานยนต์ ได้แก่ ขีดจำกัดความเครียดที่ยืดหยุ่นสูง ความเหนียวในการแตกหักสูง และความยืดหยุ่นสูง ทำให้เป็นทางเลือกที่ดีสำหรับการเปลี่ยนสายเคเบิลอีเธอร์เน็ตคู่บิดเกลียว

ในขณะเดียวกัน สำหรับการออกแบบยานยนต์ในปัจจุบัน แผนก Stewart Connector ของ Bel Fuse นำเสนอ RJ45 เกรดยานยนต์ คอนเน็กเตอร์โมดูลาร์อีเธอร์เน็ต ที่สอดคล้องกับมาตรฐาน SAE/USCAR2-6 สำหรับข้อกำหนดด้านการสั่นสะเทือนและการปิดผนึก มีให้เลือกทั้งแบบติดตั้งมุมฉากและแนวตั้ง พร้อมการกำหนดค่า LED หลายแบบและช่วงอุณหภูมิการทำงานที่ -40°C ถึง +100°C

ตัวเชื่อมต่อสามารถรองรับการจ่ายไฟผ่านอีเธอร์เน็ต (PoE) ที่ระดับสูงสุด 100 วัตต์ เนื่องจาก crosstalk และ return loss มักเป็นความท้าทายสำหรับตัวเชื่อมต่อ PoE รูปแบบนี้ การออกแบบหน้าสัมผัสจึงได้รับการปรับให้เหมาะสมเพื่อประสิทธิภาพสูงในการใช้งานความถี่สูง นอกจากนี้ยังได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับพื้นที่ขนาดเล็ก

Stewart RJ45 รุ่นที่ไม่มี LED เช่นSS-60300-011 เข้ากันได้กับ IR reflow และอุปกรณ์ทั้งหมดในไลน์มีหน้าสัมผัสที่ชุบทอง 50 ไมโครนิ้วเพื่อประสิทธิภาพที่ดีขึ้น SS-60300-011 ออกแบบมาสำหรับการวางแนวนอน (รูปที่ 5)

รูปที่ 5: SS-60300-011 เป็นคอนเน็กเตอร์อีเธอร์เน็ตขนาดกะทัดรัดในแนวนอนที่สามารถรองรับ PoE ในการใช้งานยานยนต์ (แหล่งรูปภาพ: Stewart Connector)

เพื่อให้แน่ใจว่าสัญญาณสมบูรณ์ แผนก Signal Transformer ของ Bel Fuse ขอนำเสนอ ซีรีส์ SPDL สำหรับการติดตั้งบนพื้นผิว โช้กโหมดทั่วไปสำหรับการยับยั้ง EMI ของสัญญาณรบกวนโหมดดิฟเฟอเรนเชียล กรองสัญญาณผ่านอีเธอร์เน็ตและอินเตอร์เฟซความเร็วสูงอื่นๆ โดยแทบไม่มีการบิดเบือนสัญญาณ โช้กโหมดทั่วไปเหล่านี้ได้รับการจัดอันดับสำหรับกระแสสูงถึง 6.5 A พร้อมอิมพีแดนซ์ตั้งแต่ 90 ถึง 2200 โอห์ม (Ω) และมีช่วงอุณหภูมิในการทำงานที่ -40°C ถึง +125°C ตัวอย่างเช่นโมเดลรุ่น SPDL3225-101-2P-T มีพิกัดอยู่ที่ 5100 Ω (ทั่วไป), 50 โวลต์ และ 150 mA (รูปที่ 6)

รูปที่ 6: ตัวยึดพื้นผิว SPDL3225-101-2P-T, โช้กโหมดทั่วไปควบคุม EMI โดยมีความผิดเพี้ยนของสัญญาณน้อยที่สุด (แหล่งรูปภาพ: ตัวแปลงสัญญาณ)

สรุป

การติดตั้งระบบ EVSE เช่น แท่นชาร์จ EV มีความสำคัญต่อการรองรับการใช้ EV ขนาดใหญ่และการลดก๊าซเรือนกระจกที่ตามมา จำเป็นต้องใช้แท่นชาร์จ EV หลายประเภทที่สามารถรองรับทั้งการชาร์จ AC แบบช้าและการชาร์จ DC แบบเร็ว เพื่อให้แน่ใจว่าการออกแบบประสบความสำเร็จและการติดตั้ง EV และ EVSE อย่างปลอดภัย นักออกแบบสามารถใช้ประโยชน์จากระบบและอุปกรณ์เฉพาะทางที่พร้อมใช้งานสำหรับการแปลงและส่งพลังงาน การป้องกันวงจร และการลด EMI

บทความแนะนำ

1. ใช้คอนเน็กเตอร์ CCS เพื่อทำให้การใช้งานระบบชาร์จเร็ว Safe EV ง่ายขึ้น
2. วิธีการเลือกและใช้ตัวเก็บประจุเพื่อให้แน่ใจว่าเครื่องชาร์จ EV มีประสิทธิภาพ เชื่อถือได้ และยั่งยืน
3. ใช้ตัวแปลงพลังงานแบบสองทิศทางและ PFC เพื่อปรับปรุง HEV, BEV และประสิทธิภาพของกริดไฟฟ้า
4. ชุดแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าผลิตขึ้นอย่างไร?