Comment garantir la protection des circuits, la transmission des données haute vitesse et la conversion de puissance pour les plateformes d'électromobilité

Les exigences en matière de solutions de protection fiable des circuits, de communication haute vitesse et de conversion de puissance compactes dans les systèmes de transport et d'électromobilité augmentent sur une variété de plateformes, y compris les véhicules routiers et tout terrain à usage intermédiaire et intensif, les bus, les voitures hybrides et électriques, et les plateformes maritimes. Ces tendances s'expliquent par l'importance croissante accordée à la durabilité et à la sécurité, alors que l'industrie des transports s'oriente vers un contrôle plus autonome et des véhicules électriques (VE) ou électriques hybrides (VEH). En conséquence, on assiste à l'émergence de nouveaux systèmes de véhicules qui deviennent progressivement plus dépendants d'un fonctionnement sûr et durable des véhicules.

Pour garantir la sécurité et la fiabilité, les concepteurs de véhicules connectés, électriques et automatisés ont besoin d'une grande variété de solutions de protection des circuits, de communication et de conversion de puissance conçues pour un fonctionnement fiable dans les environnements difficiles, et certifiées conformes aux normes AEC-Q200, SAE, USCAR et autres normes de performances.

Cet article passe brièvement en revue certaines des spécifications des dispositifs de protection des circuits que les concepteurs doivent prendre en compte. Il présente ensuite des solutions spécifiques de protection des circuits, de connectivité et de conversion de puissance de Bel Fuse et examine l'utilisation de ces produits dans les systèmes d'électromobilité.

Normes et composants de protection pour véhicules électriques

Pour relever les défis liés aux véhicules électriques, les concepteurs peuvent se tourner vers une gamme de solutions de protection des circuits, de communications haute vitesse et de conversion de puissance certifiées et qualifiées automobiles, notamment :

• Fusibles qualifiés automobiles en configurations de type cartouche, à montage sur circuit imprimé (montage traversant et en surface) et à boulon à tête inclinée, optimisés pour les systèmes et sous-systèmes d'alimentation, et fusibles pour applications auxiliaires et accessoires tels que les systèmes radar d'aide à la conduite, les moteurs de pompe de frein, les chargeurs portables, les systèmes de batterie, les systèmes d'infodivertissement, les caméras, l'éclairage programmable et la direction assistée. En outre, certaines applications spécifiques peuvent exiger des fusibles PPTC réarmables à action instantanée, à action retardée et à fort courant d'appel.
• Bobines d'arrêt de suppression des interférences électromagnétiques (EMI) qualifiées AEC-Q200 pour filtrer le bruit et protéger les signaux de données haute vitesse pour les nombreux sous-systèmes de capteurs qui composent les systèmes d'aide à la conduite (ADAS) et de navigation, les systèmes multimédias, les groupes d'instruments V2X et les antennes, et fournir une suppression du bruit différentiel pour Ethernet automobile, bus CAN (Controller Area Network), FlexRay et USB (Universal Serial Bus) automobile.
• Connecteurs RJ45 entièrement blindés conformes à la norme SAE (Society of Automotive Engineers) USCAR2-6 relative à la spécification des performances pour les systèmes de connecteurs électriques automobiles - Révision 6 et permettant aux concepteurs de remplacer les bus CAN par des systèmes Ethernet automobiles plus rapides et plus légers afin de répondre aux besoins informatiques croissants dans les véhicules dans une gamme de systèmes ADAS tels que les caméras d'aide à la conduite et les systèmes d'aide à la conduite basés sur des radars, la télématique, les convertisseurs de médias et les passerelles.
• Convertisseurs de puissance certifiés IP67, y compris les chargeurs de batteries de véhicules électriques et hybrides, qui sont qualifiés automobiles et proposés dans des implémentations à refroidissement par convection ou par liquide avec isolation galvanique.

Sélection des dispositifs de protection des circuits

Pour sélectionner un dispositif approprié, il est important de bien comprendre ses caractéristiques de fonctionnement lors de la spécification des dispositifs de protection des circuits pour les systèmes d'électromobilité. Voici quelques spécifications de base :

• Tension nominale : la tension admissible maximum pour un fonctionnement sûr
• Courant nominal : le courant en ampères (A) que le fusible peut supporter en conditions de fonctionnement normales
• Capacité de coupure (également appelé pouvoir de coupure ou pouvoir de court-circuit) : le courant maximum que le fusible peut interrompre à sa tension nominale sans être endommagé ; la capacité de coupure doit être égale ou supérieure au courant de défaut maximum prévu pour le circuit
• Courbes temps-courant : définissent si le fusible est à action instantanée ou à action retardée ; les fusibles à action instantanée sont utilisés lorsque la rapidité de la protection est essentielle ; les fusibles à action retardée sont utilisés dans les applications qui subissent une surcharge ou une pointe de courant à court terme

I²t : spécification sans norme de test

Une spécification qui mérite une attention particulière est la capacité de fusion nominale, I²t. Il s'agit d'une mesure de l'énergie requise pour faire fondre l'élément fusible, une caractéristique importante des fusibles pour toute application. I²t est exprimé en ampères carrés secondes (A²s). Malheureusement pour les concepteurs, ni la norme UL/CSA 248 ni la norme CEI 127 pour les fusibles miniatures et les microfusibles ne prévoient de procédure de test ou de critères de test pour I²t. La définition standard de l'industrie d'I²t est :

Fusion I²t mesurée à 10In, en utilisant un courant continu (CC) constant, où ln est le courant nominal du fusible.

L'utilisation de 10In peut être problématique et ne permet pas toujours d'obtenir des temps d'ouverture précis. Les fusibles à action retardée, en particulier, peuvent nécessiter un multiple plus élevé que 10 fois le courant nominal pour obtenir la valeur I²t réelle. Étant donné que les différents fabricants traitent ce dilemme différemment, il est important que les concepteurs comprennent bien la méthode utilisée pour arriver aux valeurs I²t pour des fusibles spécifiques. Une discussion plus détaillée sur ces défis est disponible ici : I²t explained.

Fusibles pavés à action instantanée et à action retardée

Les concepteurs de systèmes de navigation automobile, de systèmes de gestion de batterie (BMS) lithium-ion (Li-ion), de phares à LED, d'alimentations Power over Ethernet (PoE), d'alimentations PoE+ et d'écrans à cristaux liquides (LCD) peuvent bénéficier de l'utilisation de fusibles pavés à montage en surface basés sur la technologie à couche épaisse, comme les fusibles à action instantanée série 0685P. La série 0685P présente une haute capacité de résistance au courant d'appel. Ces fusibles de taille 1206, conformes AEC-Q200 et approuvés UL, sont disponibles avec des courants nominaux de 2 A à 50 A et des tensions nominales de 50 volts (V) en courant alternatif (CA) et 63 V CC. Le modèle 0685P3000-01 est répertorié pour 6 A avec une valeur I²t de 1,3 A²s à 10In.

Pour les concepteurs qui ont besoin d'un fusible à action retardée, Bel propose les fusibles pavés 1206 série C1T (Figure 1). Ils sont disponibles avec une tenue en courant de 750 milliampères (mA) à 8 A et sont répertoriés pour 63 V CA ou CC. Le modèle 0685T6000-01 est répertorié pour 6,0 A avec une valeur I²t de 6,0 A²s à 10In. Les fusibles à action retardée de la série C1T sont approuvés UL, CSA et CE, et portent la certification TUV selon la norme CEI 60127 pour les fusibles miniatures.

Figure 1 : Les fusibles pavés tels que les fusibles à action retardée série C1T sont utilisés dans diverses applications automobiles dans lesquelles un facteur de forme compact est important. (Source de l'image : Bel Fuse)

Dispositifs PPTC réarmables

Les conceptions qui peuvent bénéficier d'une protection de circuit réarmable avec une très faible résistance de fonctionnement et un courant de maintien très élevé peuvent utiliser des dispositifs PPTC. Les dispositifs PPTC peuvent s'avérer particulièrement utiles dans les applications telles que la protection des moteurs et de leurs circuits dans les serrures de portière, les rétroviseurs, les sièges, les toits ouvrants et les vitres électriques, ainsi que dans les systèmes de chauffage, de ventilation et de climatisation (CVC) et la protection E/S des calculateurs (ECU).

Bel propose deux gammes de produits pour les dispositifs PPTC. Les deux sont conformes AEC-Q, certifiés TUV selon EN/CEI 60738-1-1 et EN/CEI 60730-1, et classifiés UL selon UL1434 :

• Les dispositifs PPTC à sorties radiales 0ZRS sont répertoriés de 500 mA à 10 A avec une tension maximum de 32 V_CC et des puissances nominales typiques de 0,9 W à 7,0 W (Figure 2). Par exemple, le 0ZRS0100FF1E a un courant de déclenchement de 1,9 A, un courant de maintien de 1,0 A, et il est répertorié pour 1,4 W.
• Les dispositifs PPTC à montage en surface 0ZCG sont répertoriés de 100 mA à 3 A avec des tensions maximum de 6 VCC à 60 VCC, et des puissances nominales typiques de 0,8 W à 1,3 W. Le dispositif 0ZCG0110BF2B de cette gamme est répertorié pour 24 VCC, et a un courant de maintien de 1,1 A, un courant de déclenchement de 2,2 A, et une puissance nominale de 1 W.

Figure 2 : Les dispositifs PPTC à sorties radiales 0ZRS sont répertoriés pour 32 VCC et jusqu'à 10 A. (Source de l'image : Bel Fuse)

Protection contre le courant d'appel

Les fusibles en céramique à montage en surface de style carré et de taille 2410 série 0680L offrent une haute tenue au courant d'appel (Tableau 1). Ces fusibles à action retardée sont destinés aux applications exigeant un pouvoir de coupure CC élevé et une haute tension nominale CC. Ils sont répertoriés jusqu'à 125 V CC ou CA et offrent des courants nominaux de 375 mA à 12 A. Les fusibles 0680L sont conformes AEC-Q.

Tableau 1 : Caractéristiques électriques des fusibles à action retardée à montage en surface série 0680L. (Source de l'image : Bel Fuse)

Ces fusibles à action retardée sont souvent utilisés pour la protection des circuits PoE, PoE+, d'alimentation et de charge batterie. Le 0680L3000-05 est répertorié pour 3 A et 0,81 W avec une valeur I²t de 13 A²s à 10In.

Fusibles de véhicules électriques à action instantanée

Les concepteurs peuvent se tourner vers des fusibles à action instantanée en configurations à cartouche et à vis pour protéger les batteries haute puissance et les convertisseurs de puissance de véhicules électriques. Ces fusibles sont entièrement conformes à la directive européenne 2011/65/EU et à la directive modificative 2015/863. Ils sont conçus pour répondre à la norme UL 248-1 ainsi qu'aux exigences de fiabilité des normes JASO D622 et ISO8820-8. Les applications typiques incluent les suivantes :

• Claquage du système principal
• Bornes de recharge
• Stockage d'énergie et blocs-batteries
• Unités de distribution de puissance
• Convertisseurs CC/CC intégrés
• Moteurs de pompes de freinage
• Moteurs de compresseurs de climatisation
• Systèmes de direction électrique

Ils peuvent supporter des courants jusqu'à 600 A et ont des tensions nominales de 500 VCC à 1000 VCC. Le 0ADAC0600-BE est un bon exemple de fusible de type cartouche répertorié pour 600 mA et 600 V_CC ou V_CA, avec une valeur I²t de 0,073 A²s à 10In.

Fusibles temporisés de véhicules électriques

Les fusibles temporisés subminiatures à sorties radiales série 0697W ont des valeurs nominales de 350 VCA ou 72 VCC, un courant nominal de 1 A à 6 A, et ils sont conformes à CEI 60127-3 (Figure 3). Ces fusibles sont conformes à la norme de qualité AEC-Q et aux normes environnementales Mil-Std 202G.

Figure 3 : La série 0697W présente des fusibles temporisés, haute tension, à sorties radiales, conformes AEC-Q. (Source de l'image : Bel Fuse)

Les applications des dispositifs 0697W incluent les calculateurs, les moteurs, les commandes de climatisation et de ventilation, les fiches et les accessoires d'allume-cigare, les prises de courant et les faisceaux de câbles. Par exemple, le 0697W2000-02 est répertorié pour 2 A et 0,63 W avec une valeur I²t de 30 A²s à 10In.

Bobines d'arrêt de mode commun pour les communications haut débit

Les concepteurs de systèmes multimédias, ADAS et d'infodivertissements automobiles utilisant un bus de communication Ethernet, CAN, FlexRay ou USB peuvent se tourner vers les bobines d'arrêt de mode commun ultracompactes certifiées AEC-Q200 série SPDL de Signal Transformer pour la suppression du bruit en mode différentiel (Figure 4). Ces bobines d'arrêt compactes à montage en surface (CMS) sont proposées en quatre tailles métriques — 2012, 3216, 3225 et 4532 — et en 26 valeurs différentes. La série SPDL présente un courant nominal de 150 mA à 400 mA et une plage d'impédances de 90 ohms (Ω) à 2200 Ω. Le modèle SPDL3225-101-2P-T est répertorié pour 150 mA et 2200 Ω avec une inductance de 100 microhenrys (µH).

Figure 4 : La série SPDL de bobines d'arrêt de mode commun CMS ultracompactes peut être utilisée avec des interfaces de communication Ethernet, CAN, FlexRay ou USB. (Source de l'image : Signal Transformer)

Transition vers Ethernet

Les concepteurs remplacent le bus CAN par Ethernet dans un nombre croissant d'applications d'électromobilité, en raison du débit de données supérieur et du poids inférieur du câble. Les modules de connecteurs intégrés (ICM) à un port Ethernet automobile MagJack de Bel Fuse intègrent la solution magnétique Ethernet dans le boîtier du connecteur. Cela se traduit par une solution plus compacte et simplifie la mise à niveau des systèmes de bus CAN existants avec des styles de signalisation et de câblage Ethernet (Figure 5). Les ICM Ethernet MagJack fonctionnent jusqu'à 100°C et sont compatibles SAE/USCAR2-6. Ces ICM sont approuvés par Broadcom, Intel et Marvell, et sont compatibles avec les émetteurs-récepteurs de grade automobile standard, simplifiant davantage la transition vers Ethernet.

Figure 5 : Les ICM à un port Ethernet automobile MagJack présentent des caractéristiques magnétiques intégrées pour répondre aux exigences des solutions compactes. (Source de l'image : Bel Fuse)

L'ICM Ethernet automobile A829-1J1T-KM, qui répond à toutes les exigences électriques IEEE 802.3 10/100Base-T, en est un exemple.

Conversion de puissance pour véhicules électriques et véhicules électriques hybrides

Bel Power Solutions offre aux concepteurs une gamme complète d'options de conversion de puissance pour l'électromobilité, notamment des convertisseurs CC/CC, des convertisseurs CC/CC bidirectionnels, des chargeurs embarqués, des onduleurs auxiliaires et des systèmes d'onduleurs-chargeurs qui intègrent un onduleur-chargeur bidirectionnel avec deux convertisseurs CC/CC abaisseurs. Par exemple, le BCL25-700-8 de 22 kilowatts (kW), est un chargeur de batterie embarqué à refroidissement par liquide, destiné aux véhicules électriques hybrides et aux véhicules électriques sur des plateformes à usage intermédiaire et intensif pour un fonctionnement sur route et hors route (Figure 6). Les caractéristiques et spécifications du BCL25-700-8 sont les suivantes :

• Entrée monophasée (190 à 264 VCA) ou triphasée (330 à 528 VCA)
• Connexion possible au réseau électrique CA ou à une borne de recharge pour véhicules électriques (EVSE) (norme VE CEI 61851-1)
• Courant de sortie constant de 60 A sur une plage de tensions de 250 VCC à 800 VCC
• Possibilité de placer jusqu'à quatre unités en parallèle
• Conformité IP67 et IP6K9K
• Certifications CEI 61851-21-1 et ECE R10.6
• Conformité SAE J1939 d'interface CAN et SAE J1772
• Surveillance de verrouillage CC haute tension actif
• Fonctionnement de -40°C à +60°C à pleine charge
• Protection contre la surchauffe, la surintensité et la surtension en sortie

Figure 6 : Le BCL25-700-8 est un chargeur de batterie 22 kW embarqué à refroidissement par liquide, destiné aux véhicules électriques et électriques hybrides pour des applications à usage intermédiaire et intensif, sur et hors route. (Source de l'image : Bel Fuse)

Conclusion

Une grande variété de solutions de communication, de protection des circuits et de conversion de puissance sera nécessaire pour répondre aux exigences de sécurité et de durabilité de la prochaine génération de véhicules connectés, électriques et de plus en plus automatisés. Comme illustré, les concepteurs ont facilement accès à des solutions sous la forme de dispositifs de protection des circuits qualifiés automobiles, de bobines d'arrêt de suppression EMI conformes à AEC-Q200, de connecteurs Ethernet RJ45 entièrement blindés conformes à SAE/USCAR2-6 et de convertisseurs de puissance certifiés IP67. Grâce à ces solutions, les concepteurs de véhicules électriques et électriques hybrides pourront relever les nombreux défis actuels et émergents à mesure que les conceptions autonomes évoluent.

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1. Les véhicules de demain intégreront encore plus de technologies