電動交通平臺的電路保護、高速數據和電源轉換解決方案

電動交通和運輸系統對可靠的電路保護、高速通信和緊湊電源轉換解決方案在一系列平臺上的需求正在增長，包括混合動力和電動汽車、公共汽車、中型和重型公路和非公路車輛以及海洋平臺。隨著運輸業向更多的自主控制和電動汽車 (EV) 或混合動力汽車 (HEV) 過渡，對可持續性和安全性的重視不斷提高，從而推動了這些趨勢。因此，新的車輛系統正在出現，逐漸變得更加依賴安全和可持續的車輛運行。

為了確保安全性和可靠性，聯網、電動和自動駕駛汽車的設計者需要各種各樣的電路保護以及通信和電源轉換解決方案，這些解決方案為在具有挑戰性的環境中可靠運行而設計，并經過認證以滿足 AEC-Q200、SAE、USCAR 和其他性能標準。

本文簡要回顧了設計者需要注意的一些電路保護裝置規格。然后介紹了 Bel Fuse 的具體電路保護、連接和電源轉換解決方案，并研究了這些產品在電動交通系統中的應用。

電動車保護組件和標準

為了應對圍繞電動汽車的挑戰，設計人員可以利用一系列具有通過汽車級標準鑒定和認證的電路保護、高速通信和電源轉換解決方案，包括：

• 通過汽車級標準鑒定的保險絲有插裝式、PC 板安裝式（通孔和表面貼裝）和偏置螺栓配置，為動力系統和子系統進行了優化，另外還有用于輔助應用和附件的保險絲，如駕駛輔助雷達系統、制動泵電機、便攜式充電器、電池系統、信息娛樂系統、攝像頭、可編程照明和動力輔助轉向系統等。此外，特定的應用將需要高浪涌、快速作用、慢跳斷和可恢復的聚合正溫度系數 (PPTC) 保險。
• 符合 AEC-Q200 標準的電磁干擾 (EMI) 抑制扼流圈，為構成 ADAS 和導航系統、多媒體系統、車聯網 (V2X) 集群以及天線的眾多傳感器子系統過濾噪聲和保護高速數據信號，并為汽車以太網、控制器區域網絡 (CAN) 總線、FlexRay和汽車通用串行總線 (USB) 提供差分噪聲抑制。
• 完全屏蔽的 RJ45 連接器符合汽車工程師學會 (SAE) USCAR2-6（汽車電氣連接器系統性能規范--第 6 版），讓設計者能用更快更輕的汽車以太網取代 CAN 總線，以支持一系列 ADAS 系統不斷增長的車載計算需求，如駕駛輔助攝像頭和基于雷達的駕駛輔助系統，以及遠程信息處理、媒體轉換器和網關。
• IP67 認證電源轉換器（包括通過汽車級標準鑒定的電動和混合動力汽車電池充電器）采用具有電隔離的對流或液冷實施方案。

選擇電路保護裝置

要選擇合適裝置，在指定電動交通系統的電路保護裝置時，清楚了解其工作特性是很重要的。一些基本規格包括：

• 額定電壓：安全工作所允許的最大電壓
• 額定電流：保險絲在正常工作條件下所能承載的電流，單位為安培 (A)
• 分斷能力（也稱為分斷額定值或短路額定值）：保險絲在其額定電壓下能夠分斷而不被損壞的最大電流；分斷能力必須達到或超過電路的預期最大故障電流
• 時間電流曲線：定義保險絲是快斷還是慢斷（也稱為延時動作）；快速保險絲用于保護速度至關重要的場合；慢速保險絲用于會出現短暫電流激增或過載的應用場合

I2t：一個沒有測試標準的規范

一個值得特別注意的規格是名義熔化等級，I2t（發音為“I 平方 T”）。這是衡量保險絲元件熔化所需能量的指標，這是任何應用中的一個重要保險絲特性。I2t 表示為“安培平方秒”（A2秒）。對設計人員來說，不幸的是，UL/CSA 248 或 IEC127 微型和小型保險絲標準都沒有包括 I2t 的測試程序或測試標準。I2t 的工業標準定義是：

使用恒定直流電 (DC) 在 10In 處測得熔斷 I2t，其中 ln 是保險絲的額定電流。

使用 10In 可能會有問題，并不總是能得出準確的開路時間。尤其是慢速保險絲，可能需要高于 10 倍額定電流的倍數才能得出真正的 I2t 值。由于不同制造商處理這一難題的方式不同，因此設計人員必須清楚了解用于得出特定保險絲 I2t 值的方法。這里有關于這些挑戰的更詳細討論：I2t 釋疑。

快斷和慢斷片式保險絲

汽車導航系統、鋰離子 (Li-ion) 電池管理系統 (BMS)、LED大燈、汽車以太網供電 (PoE)、PoE+和液晶顯示器 (LCD) 的設計者都可以使用基于厚膜技術的表面貼裝片式保險絲獲益，例如 0685P 系列快速保險絲。0685P 系列具有高浪涌電流承受能力。這些符合 AEC-Q200 標準并經 UL 認證的 1206 規格保險絲的額定電流為 2 A 至 50 A，額定電壓（伏特）為交流 (AC) 50 伏和直流 63 伏。0685P3000-01 型的額定電流為 6 A，10In 額定 I2t 為 1.3 A2秒。

對于需要慢速熔斷的設計人員，Bel 提供 C1T 系列 1206 尺寸片式保險絲（圖 1）。這些產品的電流容量從 750 毫安 (mA) 到 8 A，額定電壓為交流或直流 63 伏。0685T6000-01 型的額定電流為 6.0 A，10In 額定 I2t 為 6.0 A2秒。C1T 系列慢速保險絲通過了 UL、CSA 和 CE 認證，并帶有 IEC 60127 小型保險絲 TUV 認證。

圖 1：像慢斷 C1T系列這樣的片式保險絲用于各種汽車應用，在這些應用中，緊湊的外形尺寸非常重要。（圖片來源：Bel Fuse）

可恢復的 PPTC 器件

Bel 提供了兩個 PPTC 器件系列。兩者都符合 AEC-Q 標準，通過了 EN/IEC 60738-1-1 和 EN/IEC 60730-1 的 TUV 認證，并獲得 UL1434 的認可。

• 0ZRS 徑向引線式 PPTC 的額定電流為 500 mA 至 10 A，最大電壓為 32 VDC，典型額定功率為 0.9 至 7.0 W（圖 2）。例如，0ZRS0100FF1E 的跳斷電流為 1.9 A，保持電流 1.0 A，額定功率 1.4 W。
• 0ZCG 表面貼裝 PPTC 的額定電流為 100 mA 至 3 A，最大電壓為直流 6 至 60 伏，典型額定功率為 0.8 至 1.3 W。該系列的 0ZCG0110BF2B 器件額定電壓為直流 24 伏，保持電流 1.1 A，跳斷電流為 2.2 A，額定功率 1 W。

圖 2：OZRS 徑向引線式 PPTC 的額定電壓為直流 32 伏，最大電流為 10 A。（圖片來源：Bel Fuse）

浪涌電流耐受保險絲

0680L 系列方型 2410 封裝尺寸的表面貼裝陶瓷保險絲具有較高的浪涌電流承受能力（表 1）。這些慢速保險絲是為需要高直流斷路等級和高直流電壓等級的應用設計的。它們的額定電壓最高可達直流或交流 125 伏，提供 375 mA 至 12 A 的額定電流。0680L 保險絲符合 AEC-Q 標準。

表 1：0680L 系列表面貼裝慢速保險絲的電氣特性。（圖片來源：Bel Fuse）

這些慢速保險絲通常用于 PoE、PoE+、電源和電池充電電路保護；0680L3000-05 的額定電流為 3 A 和 0.81 W，10In 時 I2t 額定 13 A2秒。

快速電動車電源保險絲

設計師可以采用插裝式和螺栓式配置的快速保險絲來保護大功率電池和電動汽車電源轉換器。這些保險絲完全符合歐盟指令 2011/65/EU 和修訂指令 2015/863 的規定。它們的設計符合 UL 248-1 以及 JASO D622 和 ISO8820-8 的可靠性要求。典型應用包括：

• 主系統保險
• 充電站
• 儲能和電池組
• 配電單元
• 板載 DC-DC 轉換器
• 制動泵電機
• 空調壓縮機電機
• 電動轉向系統

它們可以處理高達 600 A 的電流，其額定電壓為直流 500 至 1000 伏；0ADAC0600-BE 是一個典型的盒式保險絲，額定 600 mA 和 600 VDC 或 VAC，10In I2t 額定 0.073 A2秒。

電動汽車時滯保險絲

0697W 系列超小型徑向引線時滯保險絲的額定電壓為交流 350 伏或直流 72 伏，額定電流為 1 A 至 6 A，符合 IEC 60127-3 標準（圖 3）。這些保險絲符合 AEC-Q 質量和 Mil-Std 202G 環境標準。

圖 3：0697W 系列是符合 AEC-Q 標準的徑向引線高電壓時滯保險絲。（圖片來源：Bel Fuse）

0697W 設備的應用包括 ECU、電機、氣候和通風控制、插頭和點煙器配件、電源插座和線束。例如，0697W2000-02 額定 2 A 和 0.63 W，10In 時 I2t 額定 30 A2秒。

用于高速通信的共模扼流圈

使用以太網、CAN 總線、FlexRay 或 USB 通信總線的汽車信息娛樂、多媒體和 ADAS 系統的設計人員可以采用 Signal Transformer 的 SPDL 系列 AEC-Q200 認證超緊湊共模扼流圈，以抑制差模噪聲（圖 4）。這些緊湊的表面貼裝器件 (SMD) 扼流圈提供四種公制尺寸（2012、3216、3225 和 4532）以及 26 種不同的元件額定。SPDL 系列的額定電流范圍為 150 至 400 mA，阻抗范圍 90 至 2200 歐姆 (Ω)。SPDL3225-101-2P-T 型的額定 150 mA，2200 Ω，電感量為 100 微亨 (μH)。

圖 4：SPDL 系列超緊湊 SMD 共模扼流圈可用于以太網、CAN 總線、FlexRay 或 USB 通信接口。（圖片來源：Signal Transformer）

升級到以太網

由于其更快的傳輸速率和更輕的電纜，在越來越多的電動交通應用中，設計者正在用以太網取代 CAN 總線。Bel Fuse MagJack 汽車以太網單端口集成連接器模塊 (ICM) 將以太網磁解決方案集成到連接器封裝中。這可以得到一個更緊湊的解決方案，并簡化用以太網信號和布線方式升級現有 CAN 總線系統的任務（圖 5）。MagJack 以太網 ICM 的最高工作溫度可達 100℃，與 SAE/USCAR2-6 兼容。這些 ICM 得到了 Broadcom、Intel 和 Marvell 的認可，并與標準的汽車級收發器兼容，進一步簡化了向以太網的轉換。

圖 5：MagJack 汽車以太網單端口 ICM 具有集成的磁性，以滿足緊湊型解決方案的需要。（圖片來源：Bel Fuse）

比如 A829-1J1T-KM 汽車以太網 ICM，它滿足所有 IEEE 802.3 10/100Base-T 電氣要求。

HEV 和 EV 的電源轉換

Bel Power SoluTIons 為設計者提供了完整的電動交通電源轉換選項，包括 DC-DC 轉換器、雙向 DC-DC 轉換器、車載充電器、輔助逆變器以及將雙向逆變器充電器與兩個 DC-DC 下行轉換器整合在一起的逆變器充電器系統。例如，22 千瓦 (kW) 的 BCL25-700-8 是一款液冷車載電池充電器，用于公路和非公路作業中型和重型平臺的 HEV 和 EV（圖 6）。BCL25-700-8 的特性和規格包括：

• 單相（交流 190 至 264 伏）或三相（交流 330 至 528 伏）輸入
• 可以連接到交流電網電源或電動汽車供電設備 (EVSE) 充電站 (EV Std.IEC 61851-1)
• 在 250 至 800 伏直流電壓范圍內，恒定輸出電流為 60A
• 最多可以有四個單元并聯放置
• 符合 IP67 和 IP6K9K 標準
• IEC 61851-21-1 和 ECE R10.6 認證
• 符合 SAE J1939 標準的 SAE J1772 和 CAN 接口
• 有源高壓直流聯鎖監測
• 滿負荷工作溫度 -40 至 60℃
• 超溫、過流和輸出過壓保護

圖 6：BCL25-700-8 是一款 22 kW 車載液冷電池充電器，用于公路和非公路作業中型和重型應用的 HEV 和 EV。（圖片來源：Bel Fuse）

結語

要支持下一代聯網、電動且日益自動化的車輛的安全和可持續性要求，將需要各種各樣的電路保護、通信和電源轉換解決方案。如圖所示，設計人員可以方便獲得各種解決方案，包括通過汽車級標準鑒定的電路保護裝置、符合 AEC-Q200 標準的 EMI 抑制扼流圈、符合 SAE/USCAR2-6 標準的全屏蔽 RJ45 以太網連接器以及 IP67 認證的電源轉換器。這些將幫助 HEV 和 EV 設計者應對隨著自主設計發展而出現的許多當前和新興設計挑戰。

編輯：fqj