Los vehículos eléctricos (VE) desempeñan un papel cada vez más importante en la reducción de las emisiones de gases de efecto invernadero (GEI) para hacer frente a los problemas del cambio climático. Sin embargo, para diseñar e implantar con éxito VE y equipos de suministro de VE (EVSE), como los cargadores de baterías, es necesario que los diseñadores aborden un amplio rango de/una amplia gama de retos tecnológicos. Entre ellas se encuentran la protección contra sobretensiones y sobrecorrientes, la supresión de interferencias electromagnéticas (EMI), el diseño de fuentes de alimentación con amplios rangos de temperatura de entrada y funcionamiento, y la necesidad constante de reducir el peso para mejorar la autonomía en VE.
Por ejemplo, un sistema de gestión de baterías (BMS) y una interfaz de control en un sistema EVSE necesitan fuentes de alimentación auxiliares de CA/CC que puedan funcionar en un rango de tensión de entrada de 85 a 305 voltios de CA (VCA), y un rango de temperatura de -40 °C a +85 °C. Para reducir el peso, los diseñadores deben considerar la posibilidad de pasar del venerable y consolidado bus CAN a Ethernet para automoción, capaz de soportar mayores anchos de banda con cables más ligeros.
Este artículo ofrece una breve descripción de los niveles básicos de los cargadores para vehículos eléctricos. A continuación, analiza las distintas necesidades de cada tipo en relación con las fuentes de alimentación auxiliares de CA/CC (alimentación auxiliar), ofrece opciones de protección contra sobrecorriente y sobretensión, y estudia cómo implementar la conectividad Ethernet y suprimir las interferencias electromagnéticas (EMI) para evitar distorsionar las señales de alta velocidad. Se presentarán ejemplos de soluciones reales para abordar los diversos problemas de diseño de proveedores como Bel Fuse, Signal Transformer, Stewart Connector y CUI.
Introducción a los requisitos de recarga de VE y EVSE
El despliegue de un gran número de EVSE, incluidos cargadores de baterías y pilas de carga, será clave para la adopción generalizada del VE. Nótese que los cargadores de baterías de los VE son internos al VE, mientras que las pilas de carga se refieren a estaciones de carga externas. SAE J1772, la norma norteamericana para conectores de VE, define cuatro niveles de carga de VE:
- CA Nivel 1: utiliza 120 VCA para suministrar hasta 16 amperios (A) o 1.9 kilovatios (kW) CA Nivel 2: utiliza 208 a 240 VCA para suministrar hasta 80 A o 19.2 kW
- El Niveles: 1 de CC utiliza hasta 1.000 VCC para suministrar hasta 80 A u 80 kW.
- El nivel 2 de CC utiliza hasta 1.000 VCC para suministrar hasta 400 A o 400 kW.
Aunque SAE define los dos niveles de CC por separado, a menudo se agrupan y se denominan Nivel 3, o carga rápida de CC. Además de los diferentes voltajes de entrada y niveles de potencia, las pilas de carga de CA requieren un cargador a bordo (OBC) independiente en el vehículo para gestionar la conversión CA/CC y las funciones BMS necesarias para cargar la batería de forma segura y eficiente. En el caso de la carga rápida de CC, no es necesario un OBC; las funciones de conversión de potencia y BMS están en la pila de carga. Cada nivel de carga incluye la comunicación (señalización) entre el vehículo y la pila de carga (Figura 1).
Figura 1: Se suelen reconocer tres niveles de recarga de VE. El nivel 3 (abajo) combina los dos niveles de carga de CC definidos por SAE J1772. (Fuente de la imagen: CUI)
Necesidades de energía auxiliar
Según los requisitos de SAE J1772, se necesita alimentación auxiliar para soportar el funcionamiento general de la pila de carga y las funciones de señalización al conectar el controlador de la pila de carga con el controlador del vehículo. El protocolo de señalización está diseñado para garantizar una carga eficaz y segura, utilizando una conectividad bidireccional continua entre la pila y el vehículo.
El requisito básico de alimentación requiere una fuente de alimentación CA/CC que suministre 12 VCC para señalización y tenga un rango de temperatura de funcionamiento de -40 a +85 °C. Las soluciones completas necesitan compatibilidad electromagnética (CEM) y circuitos de protección, y suelen tener un convertidor CC/CC independiente para suministrar un voltaje inferior a otros componentes, como 3.3 voltios para alimentar una unidad de microcontrolador (MCU).
Las necesidades exactas de potencia dependen del diseño de la pila de carga. Por ejemplo, un Cargador de Nivel 1 es un diseño sencillo con necesidades mínimas de potencia y alimentación auxiliar que puede suministrarse con una fuente de alimentación CA/CC en miniatura de 5 vatios montada en una placa de circuito impreso (pc board). Las pilas de carga de nivel 2 son más complejas y necesitan unos 50 vatios de potencia auxiliar. Ambos funcionan con entradas monofásicas de CA, pero con diferentes requisitos de voltaje de entrada; 120 VCA para el Nivel 1 y 208 a 240 VCA para el Nivel 2.
Las cosas cambian significativamente con las pilas de carga de Nivel 3. El circuito de carga de la pila funciona con alimentación trifásica, a menudo de 480 VCA. La fuente de alimentación auxiliar se alimenta con corriente monofásica y necesita un amplio rango de voltaje de entrada, como 85 a 305 VCA. La potencia de salida también es mayor, a menudo 150 vatios o más, lo que permite una gama más amplia de características, incluidos controles adicionales como funciones de pago, una pantalla y un BMS. Puede tener una sola salida, como 24 VCC para la alimentación general del sistema. El sistema tendrá una serie de convertidores de CC/CC distribuidos para suministrar los 12 VCC necesarios para la señalización, un raíl de 12 VCC independiente para el BMS y 3.3 VCC para la MCU y otros componentes. Además de las funciones EMC y de protección estándar, estas soluciones de alimentación requieren corrección de factor de potencia (PFC) y protección contra altas corrientes de irrupción cuando se encienden.
Fuentes de alimentación auxiliares
La buena noticia para los diseñadores es que no tienen que construir fuentes de alimentación auxiliares desde cero. En su lugar, la división CUI de Bel Fuse ofrece soluciones estándar para todo tipo de pilas de carga de vehículos eléctricos. Por ejemplo, la serie PBO de fuentes de alimentación de CA/CC montadas en placa de 3, 5, 8 y 10 vatios es adecuada para cargadores de Niveles: 1. El modelo PBO-5C-12 proporciona 5 vatios con una salida de 12 VCC a partir de un rango de tensión de entrada de 85 a 305 VCA, y está preparado para funcionar en un rango de temperaturas de -40 °C a +85 °C.
Las pilas de carga de nivel 2 requieren más potencia auxiliar y pueden utilizar la serie PSK de fuentes de alimentación CA/CC, como la PSK-10D-12 de 10 vatios incluida que suministra 830 miliamperios (mA) a 12 VCC. Esta fuente tiene el mismo rango de voltaje de entrada y las mismas especificaciones de temperatura de funcionamiento que la PBO-5C-12. Tanto la serie PBO como la PSK incorporan protección contra sobrecorriente y cortocircuito, pero la serie PSK añade protección contra sobretensión.
Para las pilas de carga de nivel 3, la serie VGS de fuentes de alimentación CA/CC de CUI puede suministrar hasta 350 vatios. Estas fuentes disponen de protección contra cortocircuitos, sobrecorriente, sobretensión y sobretemperatura, así como de límite de corriente de irrupción y corrección de factor de potencia (PFC) activa. Cumplen la norma CISPR/EN55032 clase B para emisiones radiadas/conductadas y la norma IEC 61000-3-2 clase A para limitaciones de armónicos. Un modelo de ejemplo es el VGS-100W-24. Suministra 108 vatios de potencia con un voltaje de salida de 24 VCC y un rendimiento típico del 89.5% (Figura 2).
Figura 2: Las fuentes de alimentación CA/CC VGS (izquierda), PSK (centro) y PBO (derecha) (no a escala) son adecuadas para pilas de carga de VE de niveles 3, 2 y 1, respectivamente. (Fuente de la imagen: Jeff Shepard)
Protección contra sobrecorriente
Para proporcionar protección contra sobrecorriente a los riele sde alta tensión, Bel Fuse ofrece fusibles cerámicos resistentes y de acción rápida con valores nominales de 240, 500 y 1000 voltios. Están diseñados para su uso en baterías principales de vehículos eléctricos, cajas de conexiones, pilas de carga y aplicaciones relacionadas, y cumplen los requisitos de la norma JASO D622/ISO 8820-8 sobre fusibles para vehículos de carretera. El fusible cerámico de cartucho atornillable modelo 0ALEB9100-PD tiene una capacidad nominal de 10 A y 500 voltios (Figura 3).
Figura 3: El fusible cerámico de montaje atornillado 0ALEB9100-PD tiene una capacidad nominal de 10 A y 500 voltios y está diseñado para utilizarse en una variedad de aplicaciones de VE. (Fuente de la imagen: Bel Fuse)
Protección contra sobretemperatura
La protección contra la sobretemperatura también es importante en las pilas de carga y baterías de los vehículos eléctricos. Para estas aplicaciones, Bel Fuse ofrece los fusibles reiniciables de alta temperatura de la serie 0ZT. Estos dispositivos de coeficiente de temperatura positiva (PTC) tienen un elevado rango de temperaturas de funcionamiento, de -40 °C a +125 °C, y proporcionan las corrientes de disparo y retención necesarias para una sólida protección contra sobretemperatura. El 0ZTH0020FF2E, por ejemplo, tiene una tensión nominal de 30 voltios con una corriente de disparo de 500 mA y una corriente de retención de 200 mA (Figura 4). Al igual que otros dispositivos PTC de la serie OZT, es idóneo para funcionar en entornos de alta temperatura ambiente.
Figura 4: El fusible rearmable de alta temperatura OZTH0020FF2E forma parte de la serie OZT de dispositivos PTC de protección contra sobretemperatura, idóneos para su uso en pilas de carga de VE y BMS. (Fuente de la imagen: Bel Fuse)
Conectividad e integridad de la señal
Además de las funciones auxiliares de alimentación y protección, las pilas de carga de vehículos eléctricos requieren conectividad de alta velocidad y un alto grado de integridad de la señal para un funcionamiento fiable. Estos requisitos se cumplen fácilmente con Ethernet para automóviles, basada en IEEE 802.3ch con velocidades de datos de hasta 10 gigabits por segundo (Gbits/s). Automotive Ethernet está sustituyendo rápidamente al tradicional bus CAN con su velocidad de datos de 1 megabit por segundo (Mbit/s). Esto se debe, en parte, a la alta velocidad de datos de Ethernet para automoción, pero también a que transmite estos datos a través de un cable de par trenzado sin protección diseñado para pesar poco y costar lo menos posible.
Se espera que el uso de Ethernet siga creciendo con el lanzamiento previsto de IEEE 802.3dh en 2024. Esta norma proporcionará Ethernet multigigabit para automóviles a través de fibra óptica de plástico (POF). Algunas de las ventajas del POF en aplicaciones de automoción son sus altos límites de deformación elástica, su alta resistencia a la fractura y su gran flexibilidad, lo que lo convierte en una buena opción para sustituir al cableado Ethernet de par trenzado.
Mientras tanto, para los diseños de automoción actuales, la división Stewart Connector de Bel Fuse ofrece conectores modulares Ethernet RJ45 para automoción que cumplen la norma SAE/USCAR2-6 en cuanto a requisitos de vibración y estanqueidad. Están disponibles en diseños de montaje en ángulo recto y vertical, con múltiples configuraciones de LED y un rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a +100 °C.
Los conectores pueden admitir power-over-Ethernet (PoE) a niveles de hasta 100 vatios. Dado que la diafonía y la pérdida de retorno suelen ser problemas con este tipo de conectores PoE, el diseño de sus contactos se ha optimizado para obtener un alto rendimiento en aplicaciones de alta frecuencia. También están optimizados para ocupar poco espacio.
Las versiones sin LED del Stewart RJ45, como el SS-60300-011, son compatibles con reflujo IR, y todos los dispositivos de la línea tienen contactos chapados selectivamente con 50 micropulgadas de oro para mejorar el rendimiento. El SS-60300-011 está diseñado para orientación horizontal (Figura 5).
Figura 5: El SS-60300-011 es un conector Ethernet compacto orientado horizontalmente que puede soportar PoE en aplicaciones de automoción. (Fuente de la imagen: Stewart Connector)
Para garantizar la integridad de la señal, la división Signal Transformer de Bel Fuse ofrece la serie SPDL de montaje en superficie, obturadores de modo común para la supresión de EMI (interferencia electromagnética) del ruido de modo diferencial. Filtra señales a través de Ethernet y otras interfaces de alta velocidad prácticamente sin distorsión de la señal. Estos obturadores en modo común están clasificados para corrientes de hasta 6.5 A con impedancias de 90 a 2200 ohmios (Ω), y tienen un rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a +125 °C. Por ejemplo, el modelo SPDL3225-101-2P tiene una tensión nominal de 5100 Ω (típica), 50 voltios y 150 mA (Figura 6).
Figura 6: El obturador en modo común de montaje en superficie SPDL3225-101-2P-T controla la EMI (interferencia electromagnética) con una distorsión mínima de la señal. (Fuente de la imagen: Signal Transformer)
Conclusión:
La implementación de sistemas EVSE, como las pilas de recarga de VE, es importante para apoyar el uso a gran escala de VE y la consiguiente reducción de GEI. Se necesita una gama de tipos de pilas de carga para VE que puedan soportar tanto la carga lenta en CA como la carga rápida en CC. Para garantizar el éxito del diseño y el despliegue seguro de los VE y las EVSE, los diseñadores pueden aprovechar los sistemas y dispositivos especializados y fácilmente disponibles para la conversión y el suministro de energía, la protección de circuitos y la mitigación de la EMI (interferencia electromagnética).
Fuente: https://www.digikey.es/es/articles/how-to-implement-protection-aux-power-connectivity-for-evs
