Cómo garantizar la protección de los circuitos, los datos de alta velocidad y la conversión de energía para las plataformas de eMobility

Por Jeff Shepard

Colaboración de Editores de Digi-Key de América del Norte

La necesidad de una protección fiable de los circuitos, comunicaciones de alta velocidad y soluciones compactas de conversión de energía en los sistemas de movilidad y transporte electrónicos es cada vez mayor en toda una serie de plataformas, como los coches híbridos y eléctricos, los autobuses, los vehículos medios y pesados de carretera y fuera de ella, y las plataformas marinas. Estas tendencias se ven impulsadas por el creciente énfasis en la sostenibilidad y la seguridad, a medida que la industria del transporte se orienta hacia un control más autónomo y hacia los vehículos eléctricos (EV) o híbridos (HEV). Como resultado, están surgiendo nuevos sistemas de vehículos que dependen progresivamente del funcionamiento seguro y sostenible de los mismos.

Para garantizar la seguridad y la fiabilidad, los diseñadores de vehículos conectados, eléctricos y automatizados necesitan una amplia variedad de protección de circuitos, junto con soluciones de comunicaciones y conversión de energía que estén diseñadas para un funcionamiento fiable en entornos difíciles, y que estén certificadas para cumplir con las normas de rendimiento AEC-Q200, SAE, USCAR y otras.

Este artículo repasa brevemente algunas de las especificaciones de los dispositivos de protección de circuitos que los diseñadores deben tener en cuenta. A continuación, presenta soluciones específicas de protección de circuitos, conectividad y conversión de energía de Bel Fuse y examina el uso de estos productos en los sistemas de eMobility.

Componentes y normas de protección de los vehículos eléctricos

Para hacer frente a los retos que plantean los vehículos eléctricos, los diseñadores pueden recurrir a una serie de soluciones de protección de circuitos, comunicaciones de alta velocidad y conversión de energía calificadas y certificadas para el sector de la automoción, entre las que se incluyen:

  • Fusibles calificados para el sector de la automoción en configuraciones de cartucho, montados en placa de circuito impreso (a través de orificios y de montaje en superficie) y con pernos desplazados, optimizados para sistemas y subsistemas de potencia, además de fusibles para aplicaciones auxiliares y accesorios como sistemas de radar de asistencia al conductor, motores de bombas de freno, cargadores portátiles, sistemas de baterías, infoentretenimiento, cámaras, iluminación programable y dirección asistida. Además, algunas aplicaciones específicas requerirán fusibles poliméricos de coeficiente de temperatura positivo (PPTC) de alta irrupción, de acción rápida, de soplado lento y reajustables.
  • Choques de supresión de interferencia electromagnética (EMI) calificados por AEC-Q200 para filtrar el ruido y proteger las señales de datos de alta velocidad para los numerosos subsistemas de sensores que componen los sistemas ADAS y de navegación, los sistemas multimedia, los grupos de vehículo a todo (V2X) y las antenas, y proporcionan supresión de ruido diferencial para Ethernet de automoción, bus de red de área de controladores (CAN), FlexRay y bus serie universal (USB) de automoción
  • Conectores RJ45 totalmente apantallados que cumplen con laespecificaciónUSCAR2-6 "Performance Specification for Automotive Electrical Connector System - Revision 6" de la Society of Automotive Engineers (SAE), y que permiten a los diseñadores sustituir los buses CAN por una Ethernet de automoción más rápida y ligera para dar soporte a las crecientes necesidades informáticas del vehículo en una serie de sistemas ADAS como las cámaras de asistencia al conductor y los sistemas de asistencia al conductor basados en el radar, así como la telemática, los convertidores multimedia y las pasarelas.
  • Convertidores de potencia con certificación IP67, incluidos los cargadores de baterías de vehículos eléctricos e híbridos que están calificados para el sector de la automoción y se ofrecen en implementaciones de convección o refrigeración líquida con aislamiento galvánico.

Selección de dispositivos de protección de circuitos

A la hora de seleccionar un dispositivo adecuado, es importante comprender claramente sus características de funcionamiento cuando se especifican los dispositivos de protección de circuitos para los sistemas de eMobility. Algunas especificaciones básicas son:

  • Tensión nominal: la tensión máxima admisible para un funcionamiento seguro
  • Corriente nominal: la corriente en amperios (A) que puede soportar el fusible en condiciones normales de funcionamiento
  • Poder de corte (también llamado poder de interrupción o poder de cortocircuito): la corriente máxima que el fusible puede interrumpir a su tensión nominal sin dañarse; el poder de corte debe cumplir o superar la corriente de defecto máxima prevista para el circuito
  • Curvas de corriente de tiempo: definen si el fusible es de acción rápida o de acción lenta (también llamado de acción retardada); los fusibles de acción rápida se utilizan cuando la velocidad de la protección es crítica; los de acción lenta se utilizan en aplicaciones que experimentan un aumento de corriente a corto plazo o una sobrecarga

I2t: Una especificación sin norma de ensayo

Una especificación que merece especial atención es el índice de fusión nominal, I2t (pronunciado "I al cuadrado T"). Es una medida de la energía necesaria para fundir el elemento fusible, una característica importante del fusible para cualquier aplicación. I2t se expresa como "amperios al cuadrado por segundo" (A2sec). Lamentablemente para los diseñadores, ni las normas UL/CSA 248 o IEC127 para fusibles miniatura y microfusibles incluyen un procedimiento de prueba o criterios de prueba para I2t. La definición estándar de la industria de I2t es:

FUSIÓN I2t medida a 10In, utilizando corriente continua (CC) constante, donde ln es la corriente nominal del fusible.

El uso del 10In puede ser problemático y no siempre da lugar a horarios de apertura precisos. Los fusibles de fusión lenta, en particular, pueden requerir un múltiplo superior a 10 veces la corriente nominal para llegar al valor real de I2t. Dado que los distintos fabricantes abordan este dilema de forma diferente, es importante que los diseñadores comprendan claramente el método utilizado para llegar a los valores de I2t de los fusibles específicos. Puede consultar un análisis más detallado de estos retos aquí: I2t explicado.

Fusibles de chip de acción rápida y de acción lenta

Los diseñadores de sistemas de navegación para automóviles, sistemas de gestión de baterías de iones de litio (BMS), faros LED, alimentación a través de Ethernet (PoE), PoE+ y pantallas de cristal líquido (LCD) pueden beneficiarse del uso de fusibles de chip de montaje superficial basados en la tecnología de película gruesa, como la serie 0685P de fusibles de acción rápida. La serie 0685P se caracteriza por su alta capacidad de resistencia a la corriente de arranque. Estos fusibles de tamaño 1206, que cumplen la norma AEC-Q200 y están aprobados por UL, están disponibles con valores de corriente de 2 A a 50 A, y valores de tensión (voltios) de 50 voltios de corriente alterna (CA) y 63 voltios de CC. El modelo 0685P3000-01 está clasificado para 6 A con una clasificación I2t de 1.3 A 2sec a 10In.

Para los diseñadores que necesiten fusibles de acción lenta, Bel ofrece la serie C1T de fusibles de chip de tamaño 1206 (Figura 1). Están disponibles con capacidades de corriente de 750 miliamperios (mA) a 8 A y están clasificados para 63 voltios de CA o CC. El modelo 0685T6000-01 tiene una capacidad nominal de 6.0 A con una capacidad de I2t de 6.0 A 2sec a 10In. Los fusibles de acción lenta de la serie C1T están aprobados por UL, CSA y CE, y cuentan con la certificación TUV según la norma IEC 60127 para fusibles en miniatura.

Imagen del fusible en chip de la serie C1T de acción lenta de Bel FuseFigura 1: Los fusibles de chip, como la serie C1T de acción lenta, se utilizan en diversas aplicaciones de automoción en las que es importante un factor de forma compacto. (Fuente de la imagen: Bel Fuse)

Dispositivos PPTC reajustables

Los diseños que pueden beneficiarse de una protección de circuito reajustable con una resistencia de funcionamiento muy baja y una corriente de retención muy alta pueden utilizar dispositivos PPTC. Los PPTC pueden ser especialmente útiles en aplicaciones como la protección de motores y circuitos de motores en cerraduras de puertas eléctricas, espejos, asientos, techos solares y ventanas, así como sistemas de calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC) y protección de E/S de unidades de control electrónico (ECU).

Bel ofrece dos familias de dispositivos PPTC. Ambas cumplen la normativa AEC-Q, están certificadas por TUV según las normas EN/IEC 60738-1-1 y EN/IEC 60730-1, y están reconocidas por UL según la norma UL1434:

  • Los PPTC con cable radial 0ZRS tienen una capacidad nominal de 500 mA a 10 A con una tensión máxima de 32 VCC, y una potencia típica de 0.9 a 7.0 W (Figura 2). Por ejemplo, el 0ZRS0100FF1E tiene una corriente de disparo de 1.9 A, una corriente de mantenimiento de 1.0 A y una potencia nominal de 1.4 W.
  • Los PPTC de montaje superficial 0ZCG tienen una capacidad nominal de 100 mA a 3 A con tensiones máximas de 6 a 60 voltios de CC y potencias típicas de 0.8 a 1.3 W. El dispositivo 0ZCG0110BF2B de esta familia tiene una capacidad nominal de 24 voltios de CC y una corriente de retención de 1.1 A, una corriente de disparo de 2.2 A y una potencia nominal de 1 W.

Imagen del PPTC con plomo radial OZRS de Bel FuseFigura 2: Los PPTC con plomo radial OZRS tienen una capacidad nominal de 32 voltios de CC y hasta 10 A. (Fuente de la imagen: Bel Fuse)

Fusibles resistentes a la corriente de arranque

La serie 0680L de fusibles cerámicos de montaje en superficie en formato cuadrado 2410 tiene una alta capacidad de resistencia a la corriente de arranque (Tabla 1). Estos fusibles de acción lenta están diseñados para aplicaciones que requieren altos índices de interrupción de CC y altos índices de tensión de CC. Tienen una capacidad nominal de hasta 125 voltios de CC o CA y ofrecen valores de corriente de 375 mA a 12 A. Los fusibles 0680L cumplen la normativa AEC-Q.

Comprobación de la corriente Tiempo de soplado
Mínimo Máximo
100% 4 horas N/A
200% N/A 120 segundos
300% 0.15 segundos 3 segundos
800% 0.01 segundos 0.1 segundo

Tabla 1: Características eléctricas de los fusibles lentos de montaje superficial de la serie 0680L. (Fuente de la imagen: Bel Fuse)

Estos fusibles de acción lenta se utilizan a menudo para la protección de circuitos PoE, PoE+, de alimentación y de carga de baterías; el 0680L3000-05 tiene una capacidad nominal de 3 A y 0.81 W con una capacidad I2t de 13 A2sec a 10In.

Fusibles de potencia para vehículos eléctricos de acción rápida

Los diseñadores pueden recurrir a fusibles de acción rápida en configuraciones de cartucho y atornilladas para proteger las baterías de alta potencia y los convertidores de energía para vehículos eléctricos. Estos fusibles cumplen plenamente con la Directiva de la UE 2011/65/UE y la directiva enmendada 2015/863. Están diseñados para cumplir la norma UL 248-1, así como los requisitos de fiabilidad de JASO D622 e ISO8820-8. Las aplicaciones típicas son:

  • Fusión del sistema principal
  • Estaciones de carga
  • Almacenamiento de energía y baterías
  • Unidades de distribución de alimentación
  • Convertidores de CC a CC incorporados
  • Motores de bombas de freno
  • Motores de compresores de aire acondicionado
  • Sistemas de dirección eléctrica

Pueden manejar corrientes de hasta 600 A y tienen capacidades de tensión de 500 a 1000 voltios de CC; el 0ADAC0600-BE es un buen ejemplo de fusible de tipo cartucho con capacidad para 600 mA y 600 VCC o VCA, con una capacidad I2t de 0.073A2sec a 10In.

Fusibles de retardo EV

La serie 0697W de fusibles subminiatura, de cable radial, con retardo de tiempo, tiene capacidades de 350 voltios de CA o 72 voltios de CC, una capacidad de corriente de 1 A a 6 A, y cumple con la norma IEC 60127-3 (Figura 3). Estos fusibles cumplen con la calidad AEC-Q y las normas medioambientales Mil-Std 202G.

Imagen de los fusibles de la serie Bel Fuse 0697WFigura 3: La serie 0697W son fusibles de plomo radial, de alta tensión y con retardo, que cumplen con la normativa AEC-Q. (Fuente de la imagen: Bel Fuse)

Las aplicaciones de los dispositivos 0697W incluyen ECU, motores, controles de climatización y ventilación, enchufes y accesorios para encendedores, tomas de corriente y mazos de cables. Por ejemplo, el 0697W2000-02 está clasificado para 2 A y 0.63 W con una clasificación I2t de 30 A2sec a 10In.

Obturadores de modo común para comunicaciones de alta velocidad

Los diseñadores de sistemas de infoentretenimiento, multimedia y ADAS para automóviles que utilizan un bus de comunicaciones Ethernet, CAN, FlexRay o USB pueden recurrir a laserie SPDL de Signal Transformer de obturadores de modo común ultracompactos con certificación AEC-Q200 para la supresión del ruido en modo diferencial (Figura 4). Estas bobinas compactas de montaje superficial (SMD) se ofrecen en cuatro tamaños métricos, 2012, 3216, 3225 y 4532, y 26 valores nominales de componentes diferentes. La serie SPDL tiene un rango de corriente nominal de 150 a 400 mA y un rango de impedancia de 90 a 2200 ohmios (Ω). El modelo SPDL3225-101-2P-T tiene una capacidad nominal de 150 mA y 2200 Ω con una inductancia de 100 microhenrios (µH).

Imagen de la serie de transformadores de señal SPDL de choques de modo común SMD ultracompactosFigura 4: La serie SPDL de choques de modo común SMD ultracompactos puede utilizarse con interfaces de comunicación Ethernet, bus CAN, FlexRay o USB. (Fuente de la imagen: Signal Transformer)

Actualizar a Ethernet

Debido a su mayor velocidad de transmisión de datos y su menor peso del cable, los diseñadores están sustituyendo el bus CAN por Ethernet en un número creciente de aplicaciones de eMobility. Los módulos de conectores integrados (ICM) de Ethernet de un puerto para automóviles de Bel Fuse tienen la solución magnética de Ethernet integrada en el paquete del conector. Esto da lugar a una solución más compacta y simplifica la tarea de actualizar los sistemas de bus CAN existentes con estilos de señalización y cableado Ethernet (Figura 5). Los ICM Ethernet de MagJack funcionan a una temperatura de hasta 100 °C y son compatibles con SAE/USCAR2-6. Estos ICM están homologados por Broadcom, Intel y Marvell, y son compatibles con los transceptores estándar de automoción, lo que simplifica aún más el paso a Ethernet.

Imagen de los IMC de puerto único Ethernet para uso automotriz MagJack de Bel FuseFigura 5: Los ICM de un puerto de Ethernet para automóviles MagJack cuentan con magnetismo integrado para satisfacer la necesidad de soluciones compactas. (Fuente de la imagen: Bel Fuse)

Un ejemplo es el ICM Ethernet para automóviles A829-1J1T-KM, que cumple todos los requisitos eléctricos de la norma IEEE 802.3 10/100Base-T.

Conversión de energía para HEV y EV

Bel Power Solutions ofrece a los diseñadores una completa gama de opciones de conversión de energía para la eMobility, incluyendo convertidores CC-CC, convertidores CC-CC bidireccionales, cargadores a bordo, inversores auxiliares y sistemas de cargadores inversores que integran un cargador inversor bidireccional con dos convertidores descendentes CC-CC. Por ejemplo, el BCL25-700-8, de 22 kilovatios (kW), es un cargador de baterías a bordo, refrigerado por líquido, para VEH y VEH en plataformas de carga media y pesada, para uso en carretera y fuera de ella (Figura 6). Las características y especificaciones del BCL25-700-8 incluyen:

  • Entrada monofásica (190 a 264 voltios CA) o trifásica (330 a 528 voltios CA)
  • Puede conectarse a la red eléctrica de CA o a una estación de carga de equipos de suministro de vehículos eléctricos (EVSE) (EV Std. IEC 61851-1)
  • Corriente de salida constante de 60 A en un rango de voltaje de 250 a 800 voltios CC
  • Se pueden colocar hasta cuatro unidades en paralelo
  • Cumple con las normas IP67 e IP6K9K
  • Certificaciones IEC 61851-21-1 y ECE R10.6
  • Interfaz SAE J1772 y CAN compatible con SAE J1939
  • Supervisión del enclavamiento activo de alta tensión de CC
  • Funciona de -40 a 60 °C a plena carga
  • Protecciones contra sobretemperatura, sobrecorriente y sobretensión de salida

Imagen del cargador de baterías BCL25-700-8 de Bel Fuse de 22 kW, a bordo, refrigerado por líquidoFigura 6: El BCL25-700-8 es un cargador de baterías de 22 kW, con refrigeración líquida, para HEV y EV que se destinan a aplicaciones medianas y pesadas, tanto en carretera como fuera de ella. (Fuente de la imagen: Bel Fuse)

Conclusión:

Se necesitará una amplia variedad de soluciones de protección de circuitos, comunicaciones y conversión de energía para cumplir los requisitos de seguridad y sostenibilidad de la próxima generación de vehículos conectados, eléctricos y cada vez más automatizados. Como se ha mostrado, los diseñadores tienen fácil acceso a soluciones en forma de dispositivos de protección de circuitos calificados para el sector de la automoción, choques de supresión EMI que cumplen con la norma AEC-Q200, conectores Ethernet RJ45 totalmente blindados que cumplen con la norma SAE/USCAR2-6 y convertidores de potencia con certificación IP67. Esto ayudará a los diseñadores de HEV y EV a afrontar los numerosos retos de diseño actuales y emergentes a medida que evolucionan los diseños autónomos.

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Acerca de este autor

Jeff Shepard

Jeff ha estado escribiendo sobre electrónica de potencia, componentes electrónicos y otros temas de tecnología durante más de 30 años. Empezó a escribir sobre electrónica de potencia como editor senior en el EETimes. Posteriormente fundó Powertechniques, una revista de diseño de electrónica de potencia, y más tarde fundó Darnell Group, una empresa global de investigación y publicación de electrónica de potencia. Entre sus actividades, el Grupo Darnell publicó PowerPulse.net, que proporcionaba noticias diarias a la comunidad mundial de ingeniería en electrónica de potencia. Es el autor de un libro de texto sobre fuentes de alimentación conmutadas, titulado "Fuentes de alimentación", publicado por la división Reston de Prentice Hall.

Jeff también cofundó Jeta Power Systems, un fabricante de fuentes de alimentación conmutadas de alto voltaje, que fue adquirido por Computer Products. Jeff es también un inventor, ya que su nombre figura en 17 patentes de los Estados Unidos en los campos de la recolección de energía térmica y los metamateriales ópticos, y es una fuente de la industria y un frecuente orador sobre las tendencias mundiales en la electrónica de potencia. Tiene una maestría en Métodos cuantitativos y Matemáticas de la Universidad de California.

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