Comment mettre en œuvre la protection, l'alimentation auxiliaire et la connectivité pour les VE et les équipements de recharge de VE

Les véhicules électriques (VE) jouent un rôle de plus en plus important dans la réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES) pour répondre aux préoccupations liées au changement climatique. Cependant, la conception et le déploiement réussis des VE et des équipements de recharge des VE (EVSE), tels que les chargeurs de batterie, obligent les concepteurs à relever un grand nombre de défis technologiques. Ces défis incluent la protection des circuits contre les surtensions et les surintensités, la suppression des interférences électromagnétiques (EMI), la conception d'alimentations avec de larges plages de températures de fonctionnement et d'entrée, et la nécessité continue de réduire le poids pour améliorer l'autonomie des VE.

Par exemple, un système de gestion de batterie (BMS) et une interface de contrôle dans un système EVSE ont besoin d'alimentations CA/CC auxiliaires pouvant fonctionner sur une plage de tensions d'entrée de 85 à 305 volts CA (V_CA), et une plage de températures de -40°C à +85°C. Pour réduire le poids, les concepteurs doivent envisager de passer du vénérable bus CAN bien établi à l'Ethernet de grade automobile qui peut prendre en charge des bandes passantes plus élevées avec des câbles plus légers.

Cet article donne un bref aperçu des niveaux de base des chargeurs de VE. Il aborde ensuite les différentes exigences de chaque type en termes d'alimentations auxiliaires CA/CC, présente des options de protection contre les surtensions et les surintensités, et examine comment mettre en œuvre la connectivité Ethernet et supprimer les EMI pour éviter la distorsion des signaux haute vitesse. Des exemples de solutions concrètes pour résoudre les différents problèmes de conception sont présentés par des fournisseurs tels que Bel Fuse, Signal Transformer, Stewart Connector et CUI.

Présentation des exigences de charge des VE et EVSE

Le déploiement d'un grand nombre d'équipements de recharge de VE, y compris des chargeurs de batterie et des bornes de recharge, sera la clé d'une adoption généralisée des véhicules électriques. Notez que les chargeurs de batterie de VE sont internes au véhicule électrique, tandis que les bornes de recharge font référence aux stations de charge externes. La norme nord-américaine SAE J1772 pour les connecteurs de VE définit quatre niveaux de charge pour les VE :

• CA niveau 1 utilise 120 V_CA pour fournir jusqu'à 16 ampères (A) ou 1,9 kilowatt (kW) CA niveau 2 utilise de 208 à 240 V_CA pour fournir jusqu'à 80 A ou 19,2 kW
• CC niveau 1 utilise jusqu'à 1000 V_CC pour fournir jusqu'à 80 A ou 80 kW
• CC niveau 2 utilise jusqu'à 1000 V_CC pour fournir jusqu'à 400 A ou 400 kW

Bien que la norme SAE définisse les deux niveaux CC séparément, ils sont souvent regroupés et appelés niveau 3 ou charge rapide CC. Outre les différentes tensions d'entrée et les différents niveaux de puissance, les bornes de recharge CA requièrent un chargeur embarqué (OBC) séparé dans le véhicule pour gérer la conversion CA/CC et les fonctions BMS nécessaires pour charger efficacement et en toute sécurité le bloc-batterie. Dans le cas de la charge rapide CC, il n'y a pas besoin de chargeur embarqué. La conversion de puissance et les fonctions BMS sont au niveau de la borne de recharge. Chaque niveau de charge inclut la communication (signalisation) entre le véhicule et la borne de recharge (Figure 1).

Figure 1 : Trois niveaux de charge de VE sont communément reconnus. Le niveau 3 (en bas) combine les deux niveaux de charge CC définis par la norme SAE J1772. (Source de l'image : CUI)

Besoins d'alimentations auxiliaires

Conformément aux exigences SAE J1772, une alimentation auxiliaire est nécessaire pour prendre en charge le fonctionnement général de la borne de recharge et les fonctions de signalisation lors de la connexion du contrôleur de la borne de recharge au contrôleur du véhicule. Le protocole de signalisation est conçu pour garantir une charge efficace et sûre, en utilisant une connectivité bidirectionnelle continue entre la borne et le véhicule.

Les exigences de base en matière d'alimentation requièrent une alimentation CA/CC délivrant 12 V_CC pour la signalisation et présentant une plage de températures de fonctionnement de -40 à +85°C. Les solutions complètes nécessitent une compatibilité électromagnétique (CEM) et des circuits de protection, et elles sont généralement dotées d'un convertisseur CC/CC séparé pour fournir une tension plus basse à d'autres composants, comme 3,3 V pour alimenter un microcontrôleur (MCU).

Les besoins de puissance exacts dépendent de la conception de la borne de recharge. Par exemple, un chargeur de niveau 1 est une conception simple avec des exigences de puissance minimales et une alimentation auxiliaire qui peut être fournie avec une alimentation CA/CC miniature de 5 watts (W) montée sur un circuit imprimé. Les bornes de recharge de niveau 2 sont plus complexes et nécessitent environ 50 W de puissance auxiliaire. Les deux fonctionnent sur des entrées CA monophasées, mais avec des exigences de tensions d'entrée différentes : 120 V_CA pour le niveau 1, et de 208 à 240 V_CA pour le niveau 2.

Les choses changent considérablement avec les bornes de recharge de niveau 3. Le circuit de charge dans la borne fonctionne sur une alimentation triphasée, souvent 480 V_CA. L'alimentation auxiliaire est alimentée en courant monophasé et nécessite une large plage de tensions d'entrée, telle que de 85 à 305 V_CA. La puissance de sortie est également plus élevée, souvent de 150 W ou plus, ce qui permet une plus large gamme de fonctionnalités, notamment des commandes supplémentaires telles que des fonctions de paiement, un écran et un système BMS. Il peut y avoir une seule sortie, par exemple 24 V_CC pour la puissance globale du système. Le système inclut une série de convertisseurs CC/CC distribués pour fournir les 12 V_CC requis pour la signalisation, un rail 12 V_CC séparé pour le système BMS, et 3,3 V_CC pour le microcontrôleur et d'autres composants. En plus des fonctions CEM et de protection standard, ces solutions d'alimentation exigent une correction du facteur de puissance (PFC) et une protection contre les forts courants d'appel lorsqu'elles sont sous tension.

Alimentations auxiliaires

La bonne nouvelle pour les concepteurs est qu'ils n'ont pas à créer des alimentations auxiliaires à partir de zéro. La division CUI de Bel Fuse propose des solutions prêtes à l'emploi pour tous les types de bornes de recharge de véhicules électriques. Par exemple, les alimentations CA/CC montées sur carte de 3 W, 5 W, 8 W et 10 W série PBO conviennent aux chargeurs de niveau 1. Le modèle PBO-5C-12 délivre 5 W avec une sortie de 12 V_CC à partir d'une plage de tensions d'entrée de 85 à 305 V_CA, et il est conçu pour fonctionner sur une plage de températures de -40°C à +85°C.

Les bornes de recharge de niveau 2 nécessitent plus de puissance auxiliaire et peuvent utiliser la série PSK d'alimentations CA/CC, comme le PSK-10D-12 de 10 W qui délivre 830 milliampères (mA) à 12 V_CC. Cette alimentation présente la même plage de tensions d'entrée et les mêmes spécifications de températures de fonctionnement que le PBO-5C-12. Les séries PBO et PSK offrent une protection contre les surintensités et les courts-circuits, mais la série PSK ajoute une protection contre les surtensions.

Pour les bornes de recharge de niveau 3, les alimentations CA/CC série VGS de CUI peuvent fournir jusqu'à 350 W. Ces alimentations présentent une protection contre les courts-circuits, les surintensités, les surtensions et les surchauffes, ainsi qu'une limitation du courant d'appel et une correction du facteur de puissance active. Elles sont conformes à la norme CISPR/EN55032 classe B pour les émissions rayonnées/conduites et à la norme CEI 61000-3-2 classe A pour les limitations d'harmoniques. Un exemple de modèle est le VGS-100W-24. Il délivre 108 W de puissance avec une tension de sortie de 24 V_CC et un rendement typique de 89,5 % (Figure 2).

Figure 2 : Les alimentations CA/CC VGS (à gauche), PSK (au centre) et PBO (à droite) (non à l'échelle) conviennent respectivement aux bornes de recharge de niveau 3, de niveau 2 et de niveau 1. (Source de l'image : Jeff Shepard)

Protection contre les surintensités

Pour fournir une protection contre les surintensités pour les rails haute tension, Bel Fuse propose des fusibles en céramique à action instantanée robustes, avec des valeurs nominales de 240 V, 500 V et 1000 V. Ils sont conçus pour être utilisés dans les blocs-batteries des véhicules électriques, les boîtes de jonction, les bornes de recharge et les applications connexes, et ils répondent aux exigences de la norme de fusibles JASO D622/ISO 8820-8 pour les véhicules routiers. Le fusible en céramique à cartouche à montage par boulon 0ALEB9100-PD est répertorié pour 10 A et 500 V (Figure 3).

Figure 3 : Le fusible en céramique à montage par boulon 0ALEB9100-PD est répertorié pour 10 A et 500 V, et il est conçu pour être utilisé dans une variété d'applications VE. (Source de l'image : Bel Fuse)

Protection contre la surchauffe

La protection contre la surchauffe est également importante dans les bornes de recharge et les blocs-batteries des véhicules électriques. Pour ces applications, Bel Fuse propose les fusibles réarmables haute température série 0ZT. Ces dispositifs à coefficient de température positif (PTC) ont une plage de températures de fonctionnement étendue de -40°C à +125°C, et ils fournissent les courants de déclenchement et de maintien requis pour une protection robuste contre la surchauffe. Le 0ZTH0020FF2E, par exemple, est répertorié pour 30 V avec un courant de déclenchement de 500 mA et un courant de maintien de 200 mA (Figure 4). Comme les autres dispositifs PTC de la série 0ZT, il convient bien à un fonctionnement en environnements à température ambiante élevée.

Figure 4 : Le fusible réarmable haute température 0ZTH0020FF2E fait partie de la série 0ZT de dispositifs PTC pour la protection contre la surchauffe, convenant à une utilisation dans les systèmes BMS et les bornes de recharge de VE. (Source de l'image : Bel Fuse)

Connectivité et intégrité des signaux

En plus des fonctions d'alimentation auxiliaire et de protection, les bornes de recharge de VE exigent une connectivité haut débit et un haut degré d'intégrité des signaux pour un fonctionnement fiable. Ces exigences sont facilement satisfaites par la technologie Ethernet automobile, basée sur IEEE 802.3ch avec des débits de données atteignant 10 gigabits par seconde (Gb/s). L'Ethernet automobile remplace rapidement le bus CAN traditionnel avec son débit de données de 1 mégabit par seconde (Mb/s). Cela s'explique en partie par le haut débit de données de l'Ethernet automobile, mais également parce qu'il fournit ces données via un seul câble à paire torsadée non blindé conçu à la fois pour un faible poids et un coût minimal.

L'utilisation d'Ethernet devrait continuer de croître avec la publication prévue de la norme IEEE 802.3dh en 2024. Cette norme fournira une technologie Ethernet automobile multi-gigabit sur fibre optique plastique (POF). Les avantages de la fibre optique plastique dans les applications automobiles incluent des limites de déformation élastique élevées, une haute résistance à la rupture et une grande flexibilité, ce qui en fait un bon choix pour remplacer le câblage Ethernet à paire torsadée.

Pour les conceptions automobiles actuelles, la division Stewart Connector de Bel Fuse propose des connecteurs modulaires Ethernet RJ45 de grade automobile, conformes à la norme SAE/USCAR2-6 pour les exigences en matière de vibrations et d'étanchéité. Ils sont disponibles dans des conceptions à montage vertical et à angle droit, avec plusieurs configurations LED et une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +100°C.

Les connecteurs peuvent prendre en charge l'alimentation Power over Ethernet (PoE) à des niveaux jusqu'à 100 W. La diaphonie et les pertes par réflexion constituant souvent des défis avec ce type de connecteur PoE, la conception des contacts a été optimisée pour des performances élevées dans les applications haute fréquence. Ils sont également optimisés pour un faible encombrement.

Les versions non-LED du connecteur Stewart RJ45, telles que le SS-60300-011, sont compatibles avec la refusion IR, et tous les dispositifs de la gamme ont des contacts plaqués sélectivement avec 50 micro-pouces d'or pour des performances améliorées. Le SS-60300-011 est conçu pour une orientation horizontale (Figure 5).

Figure 5 : Le SS-60300-011 est un connecteur Ethernet compact, orienté horizontalement, qui peut prendre en charge l'alimentation PoE dans les applications automobiles. (Source de l'image : Stewart Connector)

Pour garantir l'intégrité des signaux, la division Signal Transformer de Bel Fuse propose les bobines d'arrêt de mode commun à montage en surface série SPDL pour la suppression EMI du bruit en mode différentiel. Ces dispositifs filtrent les signaux sur Ethernet et d'autres interfaces haut débit sans pratiquement aucune distorsion des signaux. Ces bobines d'arrêt de mode commun sont conçues pour des courants jusqu'à 6,5 A avec des impédances de 90 ohms (Ω) à 2200 Ω, et elles présentent une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +125°C. Par exemple, le modèle SPDL3225-101-2P-T est répertorié à 5100 Ω (typique), 50 V et 150 mA (Figure 6).

Figure 6 : La bobine d'arrêt de mode commun à montage en surface SPDL3225-101-2P-T contrôle les EMI avec une distorsion minimale des signaux. (Source de l'image : Signal Transformer)

Conclusion

Le déploiement de systèmes EVSE tels que des bornes de recharge de VE est important pour soutenir l'utilisation à grande échelle des véhicules électriques et la réduction des émissions de gaz à effet de serre qui en découle. Un choix de types de bornes de recharge de VE est nécessaire pour permettre à la fois la charge CA lente et la charge rapide CC. Pour garantir une conception réussie et le déploiement sûr des VE et des équipements de recharge de VE, les concepteurs peuvent tirer parti de systèmes et de dispositifs spécialisés facilement disponibles pour la conversion et la distribution de puissance, la protection des circuits et l'atténuation des interférences électromagnétiques.

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