e-모빌리티 플랫폼을 위한 회로 보호, 고속 데이터 및 전력 변환 보장 방법

e-모빌리티와 운송 시스템에서 신뢰할 수 있는 회로 보호, 고속 통신 및 콤팩트 전력 변환 솔루션의 필요성은 하이브리드 및 전기 자동차, 버스, 중대형 차량 및 온/오프로드 차량, 해양 플랫폼 등의 광범위한 플랫폼에서 커지고 있습니다. 많은 운송 산업이 자율적인 제어 및 전기 자동차(EV)나 하이브리드 EV(Hybrid EV)로 전환하면서 지속 가능성과 안전에 대해 강조함에 따라 이러한 추세가 이어지고 있습니다. 그 결과, 안전하고 지속 가능한 차량 운행에 더욱 의존하게 되는 새로운 차량 시스템이 등장하고 있습니다.

안전성과 신뢰성을 보장하기 위하여 커넥티드, 전기 및 자동화 차량 설계자는 다양한 환경에서 작동의 신뢰성을 위한 설계와 AEC-Q200, SAE, USCAR과 기타 성능 표준을 충족하는 인증을 거친 통신 및 전력 변환 솔루션을 통한 넓은 범위의 회로 보호를 필요로 합니다.

이 글에서는 설계자가 고려해야 할 회로 보호 장치의 몇 가지 사양을 간략하게 검토합니다. 그리고 Bel Fuse의 특정 회로 보호, 연결 및 전력 변환 솔루션을 소개하고 e-모빌리티 시스템에서 해당 제품의 사용을 검토합니다.

EV 보호 부품 및 표준

EV 관련 문제를 해결하기 위해 설계자는 다음과 같은 자동차 인증 회로 보호, 고속 통신 및 전력 변환 솔루션을 선택할 수 있습니다.

• 카트리지의 자동차 인증 퓨즈, PC 기판 실장(스루홀 및 표면 실장), 전력 시스템과 서브 시스템에 최적화된 오프셋 볼트 구성, 운전자 보조 레이더 시스템과 같은 보조 응용 분야 및 부속품용 퓨즈, 브레이크 펌프 모터, 휴대용 충전기, 배터리 시스템, 인포테인먼트, 카메라, 프로그래밍 가능한 조명 및 파워 어시스턴스 스티어링 등이 있습니다. 또한 특정 응용 분야는 고 유입, 고속 작동형, 지연형 및 리셋 가능 고분자 정비례 온도 계수(PPTC) 용단이 필요합니다.
• AEC-Q200 인증 전자파 장해(EMI) 억제 초크를 사용하여 잡음을 필터링하고 ADAS 및 내비게이션 시스템, 멀티미디어 시스템, vehicle-to-everything(V2X) 클러스터와 안테나를 구성하는 수많은 센서 서브 시스템을 위한 고속 데이터 신호를 보호하며 자동차 이더넷, 계측 제어기 통신망(CAN) 버스, FlexRay 및 자동차 범용 직렬 버스(USB)를 위한 차동 잡음 억제 기능을 제공합니다.
• 미국자동차공학회(SAE) USCAR2-6 "Performance Specification for Automotive Electrical Connector System – Revision 6"을 준수하는 완전 차폐 RJ45 커넥터이며 설계자는 CAN 버스를 더 빠르고 가벼운 자동차 이더넷으로 대체하여 운전자 보조 카메라, 레이더 기반 운전자 지원 시스템, 텔레매틱스, 미디어 컨버터 및 게이트웨이 등의 다양한 ADAS 시스템에서 증가하는 차량 내 컴퓨팅 요구사항을 지원할 수 있습니다.
• IP67 인증 전력 변환기는 자동차 인증 전기 및 하이브리드 차량 배터리 충전기를 포함하며 전기적 분리가 적용된 대류 또는 수냉식으로 제공됩니다.

회로 보호 장치 선택

적절한 장치를 선택할 때, e-모빌리티 시스템용 회로 보호 장치를 지정할 때 장치의 작동 특성에 대한 명확한 이해가 중요합니다. 일부 기본 사양은 다음과 같습니다.

• 정격 전압: 안전한 작동을 위한 최대 허용 전압
• 정격 전류: 정상 작동 조건에서 퓨즈가 전달할 수 있는 전류(A)
• 차단 용량(차단 정격 또는 단락 정격이라고도 함): 퓨즈가 손상되지 않고 정격 전압에서 차단할 수 있는 최대 전류. 차단 용량은 회로의 예상되는 최대 고장 전류를 충족하거나 초과해야 합니다.
• 시간 전류 곡선: 퓨즈가 고속 작동형인지 지연형(지연 작동이라고도 함)인지 정의합니다. 고속 작동형 퓨즈는 보호 속도가 중요한 곳에 사용됩니다. 지연형 퓨즈는 단기 전류 서지 또는 과부하가 발생하는 경우에 사용됩니다.

I²t: 테스트 표준이 없는 사양

특히 주목할 만한 사양은 공칭 용해 등급 I²t ("I 제곱 T로 읽음")입니다. 이는 모든 응용 분야에서 중요한 퓨즈 특성인 퓨즈 소자를 녹이는 데 필요한 에너지를 측정한 것입니다. I²t는 "암페어 제곱 초"(A²sec)로 표시됩니다. 설계자 입장에서는 아쉽게도 미니어처와 마이크로 퓨즈의 UL/CSA 248 또는 IEC127 표준에는 I²t에 대한 테스트 절차나 테스트 기준이 포함되어 있지 않습니다. I²t의 산업 표준 정의는 다음과 같습니다.

용융 I²t 값은 정직류(DC) 전류를 사용하여 10In에서 측정하고 여기서 ln은 퓨즈의 정격 전류입니다.

10In 사용 시 문제가 될 수 있으며 항상 정확한 개방 시간은 아닙니다. 특히 지연형 퓨즈는 실제 I²t 값에 도달하기 위해 공칭 정격 전류의 10배 이상이 필요할 수 있습니다. 제조업체마다 이 딜레마를 다르게 처리하기에 설계자는 특정 퓨즈의 I²t 값에 도달하는데 사용한 방법을 확실히 이해하는 것이 중요합니다. 이 문제에 대한 자세한 설명은 여기에서 확인할 수 있습니다. I²t explained.

고속 작동형 및 지연형 칩 퓨즈

자동차 내비게이션 시스템, 리튬 이온(Li-ion) 배터리 관리 시스템(BMS), LED 헤드램프, 자동차 이더넷을 통한 전력 공급(PoE), PoE+ 및 액정 표시 장치(LCD) 설계자는 0685P 계열의 고속 작동형 퓨즈와 같은 후막 기술을 기반의 표면 실장 칩 퓨즈를 사용하는 것이 좋습니다. 0685P 계열은 고 유입 전류 내성이 특징입니다. AEC-Q200를 준수하고 UL 승인을 받은 1206 사이즈의 퓨즈는 2A~50A의 정격 전류와 50V 교류(AC) 및 63V DC의 정격 전압(볼트)으로 사용할 수 있습니다. 모델 0685P3000-01은 10In에서 1.3A²sec의 I²t 정격으로 6A 정격입니다.

지연형 용단이 필요한 설계자를 위해 Bel은 C1T 계열의 1206 사이즈의 칩 퓨즈를 제공합니다(그림 1). 이 장치는 750mA~8A의 전전 용량에서 사용할 수 있으며 정격은 63V AC 또는 DC입니다. 모델 0685T6000-01은 10In에서 6.0 A²sec의 I²t 정격으로 6.0 A 정격입니다. C1T 계열 지연형 퓨즈는 UL, CSA 및 CE 승인을 받았고 미니어처 퓨즈는 IEC 60127에 대한 TUV 인증을 받았습니다.

그림 1: 지연형 C1T 계열의 칩 퓨즈는 콤팩트 폼 팩터가 중요한 다양한 자동차 응용 분야에 사용됩니다. (이미지 출처: Bel Fuse)

리셋 가능 PPTC 장치

매우 낮은 작동 저항과 매우 높은 유지 전류로 리셋 가능한 회로 보호 기능을 활용할 수 있는 설계는 PPTC 장치를 사용할 수 있습니다. PPTC는 파워 도어락, 미러, 시트, 선루프 및 창문의 모터 및 모터 회로 보호는 물론 난방 환기 및 공조(HV_AC) 시스템과 전자 제어 장치(ECU) I/O 보호와 같은 응용 분야에 특히 유용합니다.

Bel은 PPTC 장치 두 제품군을 제공합니다. 두 제품군 모두 AEC-Q를 준수, EN/IEC 60738-1-1 및 EN/IEC 60730-1에 대한 TUV 인증을 받았으며 UL1434에 대한 UL 인증을 받았습니다.

• 0ZRS 방사형 리드 PPTC의 정격은 500mA~10A이며 최대 전압은 32V_DC이며 일반적인 정격 전력은 0.9W~7.0W입니다(그림 2). 예를 들어 0ZRS0100FF1E의 트립 전류는 1.9A, 유지 전류는 1.0A이며 정격은 1.4W입니다.
• 0ZCG 표면 실장 PPTC의 정격은 100mA~3A이며 최대 전압은 DC 6~60V이고 일반 정격 전력은 0.8~1.3W입니다. 이 제품군의 0ZCG0110BF2B 장치는 DC 24V의 정격이며 1.1A의 유지 전류, 2.2A의 트립 전류와 1W의 정격 전력입니다.

그림 2: OZRS 방사형 리드 PPTC의 정격은 32V DC이고 최대 10A입니다. (이미지 출처: Bel Fuse)

돌입 전류 내성 용단

0680L 계열의 정사각형 스타일 2410 패키지 사이즈 표면 실장 세라믹 퓨즈는 높은 돌입 전류 내성을 지니고 있습니다(표 1). 이 지연형 퓨즈는 높은 DC 차단 정격과 높은 DC 정격 전압을 요하는 응용 분야에 맞게 설계되었습니다. 최대 125V DC 또는 AC 정격이며, 375mA~12A의 전류 정격입니다. 0680L 퓨즈는 AEC-Q를 준수합니다.

표 1: 0680L 계열 표면 실장 지연형 퓨즈의 전기적 특성. (이미지 출처: Bel Fuse)

이 지연형 퓨즈는 주로 PoE, PoE+, 전원 공급 장치 및 배터리 충전 회로 보호에 사용됩니다. 0680L3000-05의 정격은 3A 및 0.81W이고 I²t 정격은 10In에서 13A²sec입니다.

고속 작동형 EV 전력 퓨즈

설계자는 카트리지의 고속 작동형 퓨즈와 볼트 고정식 구성으로 고출력 배터리와 EV 전력 변환기를 보호할 수 있습니다 이 퓨즈는 EU 지침 2011/65/EU 및 개정 지침 2015/863을 완전히 준수합니다. 해당 제품은 UL 248-1은 물론이고 JASO D622 및 ISO8820-8의 신뢰성 요구 사항을 충족하도록 설계되었습니다. 일반적인 응용 분야는 다음과 같습니다.

• 메인 시스템 용단
• 충전 스테이션
• 에너지 저장 및 배터리 팩
• 전력 분배 장치
• 온보드 DC-DC 컨버터
• 브레이크 펌프 모터
• 에어컨 압축기 모터
• 전자식 스티어링 시스템

최대 600A의 전류를 처리할 수 있으며 DC 500~1000V의 정격 전압을 갖습니다.0ADAC0600-BE는 600mA 및 600V_DC 또는 V_AC 정격 카트리지 유형 퓨즈의 좋은 예시이며 10In에서 I²t 정격은 0.073 A²sec입니다

EV 시간 지연 퓨즈

0697W 계열의 서브미니어처, 방사형 리드, 시간 지연 퓨즈는 350V AC 또는 72V DC, 1A~6A의 정격 전류를 가지며 IEC 60127-3(그림 3)을 준수합니다. 해당 퓨즈는 AEC-Q 품질 및 Mil-Std 202G 환경 표준을 준수합니다.

그림 3: 0697W 계열은 AEC-Q 준수, 방사형 리드, 고전압, 시간 지연 퓨즈입니다. (이미지 출처: Bel Fuse)

0697W 장치의 응용 분야는 ECU, 모터, 온도 및 환기 제어 장치, 플러그 및 담배 라이터 부속품, 전원 콘센트, 와이어 하니스가 있습니다. 0697W2000-02는 10In에서 30A²sec의 I²t 정격으로 2A 및 0.63W 정격입니다.

고속 통신을 위한 공통 모드 초크

이더넷, CAN 버스, FlexRay 또는 USB 통신 버스를 사용하는 자동차 인포테인먼트, 멀티미디어 및 ADAS 시스템 설계자는 차동 모드 잡음을 억제하기 위하여 Signal Transformer의 SPDL series AEC-Q200 인증 초소형 공통 모드 초크를 사용할 수 있습니다(그림 4). 이러한 콤팩트 표면 실장 장치(SMD) 초크는 2012, 3216, 3225 및 4532의 4가지 미터법 사이즈와 26가지 부품 등급으로 제공됩니다. SPDL 계열의 정격 전류 범위는 150mA~400mA이고 임피던스 범위는 90옴~2,200옴(Ω)입니다. 모델 SPDL3225-101-2P-T는 100마이크로헨리(µH)의 유도 용량으로 150mA 및 2,200Ω 정격입니다.

그림 4: SPDL 계열의 초소형 SMD 공통 모드 초크는 이더넷, CAN 버스, FlexRay 또는 USB 통신 인터페이스와 함께 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: Signal Transformer)

이더넷으로 업그레이드

빨라진 데이터 전송률과 가벼워진 케이블로 인해 설계자들은 e-모빌리티 응용 분야에서 CAN 버스를 이더넷으로 점점 대체하고 있습니다. Bel Fuse MagJack 자동차용 이더넷 단일 포트 통합 커넥터 모듈(ICM)에는 이더넷 마그네틱 솔루션이 커넥터 패키지에 집적되어 있습니다. 그 결과로 솔루션이 더욱 콤팩트해졌고 이더넷 신호 및 케이블링 스타일로 기존 CAN 버스 시스템 업그레이드 작업이 간소화되었습니다(그림 5). MagJack 이더넷 ICM은 최대 100°C에서 작동하며 SAE/USCAR2-6과 호환됩니다. 이 ICM은 Broadcom, Intel 및 Marvell에서 승인을 받았고 표준 자동차용 트랜스시버와 호환되므로 이더넷으로 전환하는 것이 더욱 간단해집니다.

그림 5: MagJack 자동차 이더넷 단일 포트 ICM은 콤팩트, 솔루션의 요구 사항을 충족하는 통합 마그네틱 기능을 갖추고 있습니다. (이미지 출처: Bel Fuse)

그 예시로 모든 IEEE 802.3 10/100Base-T 전기 요구 사항을 충족하는 A829-1J1T-KM 자동차 이더넷 ICM이 있습니다.

HEV 및 EV의 전력 변환

Bel Power Solutions는 설계자에게 DC-DC 컨버터, 양방향 DC-DC 컨버터, 온보드 충전기, 보조 인버터 및 2개의 DC-DC 다운 컨버터와 집적 인버터 충전기 시스템을 포함한 e-모빌리티를 위한 완전한 범위의 전력 변환 옵션을 제공합니다 예를 들어 22 킬로와트(kW) BCL25-700-8은 온/오프로드 작동을 위한 중대형 플랫폼의 HEV 및 EV용 수냉식 온보드 배터리 충전기입니다(그림 6). BCL25-700-8의 특징과 사양은 다음과 같습니다.

• 단상(190V~264V AC) 또는 3상(330V~528V AC) 입력
• AC 그리드 전원 또는 전기차 공급 장비(EVSE) 충전소에 연결할 수 있음(EV Std. IEC 61851-1)
• 250V~800V DC의 전압 범위에서 60A의정출력 전류
• 최대 4개의 장치까지 병렬로 배치 가능
• IP67 및 IP6K9K를 준수
• IEC 61851-21-1 및 ECE R10.6 인증
• SAE J1772&CAN 인터페이스 SAE J1939 준수
• 능동형 고전압 DC 인터로크 모니터링
• 최대 부하에서 -40~60°C까지 작동
• 과열, 과전류 및 출력 과전압 보호

그림 6: BCL25-700-8은 온/오프로드 겸용 중대형 응용 분야에서 사용되는 HEV 및 EV용 22kW 온보드 수냉식 배터리 충전기입니다. (이미지 출처: Bel Fuse)

결론

차세대 커넥티드, 전기 차량 및 발전하는 자동화 차량의 안전과 지속 가능성 요구 사항을 충족하려면 다양한 회로 보호, 통신 및 전력 변환 솔루션이 필요합니다. 앞서 언급한 것처럼 설계자는 자동차 인증 회로 보호 장치, AEC-Q200을 준수하는 EMI 억제 초크, SAE/USCAR2-6을 준수하는 완전 차폐 RJ45 이더넷 커넥터 및 IP67 인증 전력 변환기 형태로 솔루션에 액세스할 수 있습니다. 이를 통해 HEV 및 EV 설계자는 자율 설계의 발전에 따라 현재와 앞으로 맞이할 수많은 설계 과제를 해결할 수 있습니다.

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