EV 및 EV 공급 장비를 위한 보호, 보조 전력 및 연결을 구현하는 방법

작성자: Jeff Shepard

DigiKey 북미 편집자 제공

2023-08-11

전기 차량(EV)은 온실가스(GHG) 배출을 줄여 기후 변화 문제를 해결하는 데 있어서 중요성이 날로 커지고 있습니다. 하지만 EV 및 EV 공급 장비(EVSE, 예: 배터리 충전기)를 성공적으로 설계하여 배포하기 위해 설계자는 다양한 기술적 문제를 해결해야 합니다. 이러한 문제에는 과전압 및 과전류 회로 보호, 전자파 장해(EMI) 억제, 입력 및 작동 온도 범위가 넓은 전원 공급 장치 설계, 지속적인 중량 감소를 통한 EV 주행 거리 향상 등이 포함됩니다.

예를 들어 EVSE 시스템의 배터리 관리 시스템(BMS) 및 제어 인터페이스는 85VAC ~ 305V_AC 입력 전압 범위 및 -40°C ~ +85°C 온도 범위에서 작동할 수 있는 보조 AC/DC 전원 공급 장치가 필요합니다. 중량 문제를 해결하기 위해 설계자는 유서 깊고 체계적인 CAN 버스에서 더 가벼운 케이블로 더 높은 대역폭을 지원할 수 있는 자동차용 이더넷으로 전환할 것을 고려해야 합니다.

이 기사에서는 기본 수준의 EV 충전기에 대해 간략히 설명합니다. 그런 다음 보조 AC/DC 전원 공급 장치(보조 전력)와 관련된 각 유형의 다양한 요구 사항을 설명하고, 과전압 및 과전류 보호 옵션을 제시하고, 이더넷 연결을 구현하고 EMI를 억제하여 고속 신호 왜곡을 방지하는 방법을 살펴봅니다. 다양한 설계 문제를 해결하는 예로 Bel Fuse, Signal Transformer, Stewart Connector, CUI와 같은 제공업체의 실제 솔루션을 소개합니다.

EV 및 EVSE 충전 요구 사항 소개

광범위한 EV 채택을 위해서는 배터리 충전기, 충전소를 비롯한 많은 수의 EVSE를 배포해야 합니다. EV 배터리 충전기는 EV에 내장되어 있지만 충전소는 외부 충전 스테이션을 말합니다. EV 커넥터를 위한 북미 지역 표준인 SAE J1772는 네 가지 EV 충전 레벨을 정의합니다.

AC 레벨 1에서는 120V_AC를 사용하여 최대 16A 또는 1.9kW를 공급하고, AC 레벨 2에서는 208VAC ~ 240V_AC를 사용하여 최대 80A 또는 19.2kW를 공급합니다.
DC 레벨 1에서는 최대 1,000V_DC를 사용하여 최대 80A 또는 80kW를 공급합니다.
DC 레벨 2에서는 최대 1,000V_DC를 사용하여 최대 400A 또는 400kW를 공급합니다.

SAE에서는 두 DC 레벨을 별도로 정의하지만 두 레벨을 총칭하여 레벨 3 또는 DC 고속 충전이라고도 합니다. 다른 입력 전압 및 전력 레벨 외에도 AC 충전소를 이용하려면 차량 내에 AC/DC 변환을 처리하기 위한 별도의 온보드 충전기(OBC)와 배터리 팩을 안전하고 효율적으로 충전하는 데 필요한 BMS 기능이 있어야 합니다. DC 고속 충전의 경우 전력 변환 및 BMS 기능이 충전소에 있으므로 OBC는 필요하지 않습니다. 각 레벨의 충전에는 차량과 충전소 간의 통신(신호)이 포함됩니다(그림 1).

세 가지 EV 충전 레벨 이미지 그림 1: 세 가지 레벨의 EV 충전이 일반적으로 알려져 있습니다. 레벨 3(아래)은 SAE J1772에 정의된 두 DC 충전 레벨을 결합합니다. (이미지 출처: CUI)

보조 전력 필요

SAE J1772 요구 사항에 따라 충전소 컨트롤러를 차량 컨트롤러와 연결할 때 신호 기능과 충전소의 일반적인 작동을 지원하려면 보조 전력이 필요합니다. 신호 프로토콜은 충전소와 차량 간의 지속적인 양방향 연결을 활용하여 효율적이고 안전한 충전을 보장하도록 설계되었습니다.

기본 전력 요구 사항에 따라 신호용 12V_DC를 공급하고 작동 온도 범위가 −40°C ~ +85°C인 AC/DC 전원 공급 장치가 필요합니다. 완전한 솔루션은 전자파 적합성(EMC) 및 보호 회로망이 필요하며, 일반적으로 다른 부품에 낮은 전압을 공급(예: 마이크로 컨트롤러 장치(MCU)를 구동하기 위해 3.3V 공급)하기 위한 별도의 DC/DC 컨버터가 있습니다.

정확한 전력 요구 사항은 충전소의 설계에 따라 다릅니다. 예를 들어 레벨 1 충전기는 최소한의 전력이 필요하도록 간단하게 설계되었으며 인쇄 회로 기판(pc 기판)에 실장된 소형 5W AC/DC 전원 공급 장치를 통해 보조 전력이 공급될 수 있습니다. 레벨 2 충전소는 더 복잡하며 약 50W의 보조 전력이 필요합니다. 두 레벨 모두 단상 AC 입력으로 작동되지만 입력 전압 요구 사항이 다릅니다(레벨 1의 경우 120V_AC, 레벨 2의 경우 208VAC ~ 240V_AC).

레벨 3 충전소의 경우 상황이 크게 달라집니다. 충전소의 충전 회로망이 주로 480V_AC의 3상 전류로 작동합니다. 보조 전원 공급 장치는 단상 전력으로 공급되며 폭넓은 입력 전압 범위(예: 85VAC ~ 305V_AC)가 필요합니다. 또한 출력 전력이 주로 150W 이상으로 높아서 결제 기능, 디스플레이, BMS와 같은 추가 제어를 비롯한 다양한 기능을 지원합니다. 전체 시스템 전력에 대해 단일 출력(예: 24V_DC)을 제공할 수 있습니다. 이 시스템에서는 다양한 분산 DC/DC 컨버터를 통해 신호에 필요한 12V_DC를 공급하고, 별도의 레일을 통해 BMS에 12V_DC를 공급하고, MCU 및 기타 부품에 3.3V_DC를 공급합니다. EMC 및 표준 보호 기능 이외에 이러한 전력 솔루션은 역률 보정(PFC) 기능이 필요하며 전원을 켤 때 고 유입 전류로부터 보호해야 합니다.

보조 전원 공급 장치

다행히도 설계자는 보조 전원 공급 장치를 처음부터 구축할 필요가 없습니다. 대신 Bel Fuse의 CUI 부문에서 모든 유형의 EV 충전소에 사용 가능한 기성 솔루션을 제공합니다. 예를 들어 PBO 계열 3W, 5W, 8W 및 10W 기판 실장 AC/DC 전원 공급 장치는 레벨 1 충전기에 적합합니다. PBO-5C-12 모델은 85VAC ~ 305V_AC 입력 전압 범위에서 12V_DC 출력으로 5W를 공급하며, -40°C ~ +85°C 온도 범위에서 작동하는 데 적합합니다.

레벨 2 충전소는 더 많은 보조 전력이 필요하며 12V_DC에서 830mA를 공급하는 내장형 10W PSK-10D-12와 같은 PSK 계열 AC/DC 전원 공급 장치를 사용할 수 있습니다. 이 전원 공급 장치는 입력 전압 범위 및 작동 온도 사양이 PBO-5C-12와 동일합니다. PBO 계열과 PSK 계열은 모두 과전류 및 단락 회로 보호 기능을 제공하지만 PSK 계열은 과전압 보호를 추가합니다.

레벨 3 충전소의 경우 CUI의 VGS 계열 AC/DC 전원 공급 장치에서 최대 350W를 공급할 수 있습니다. 이 전원 공급 장치는 단락 회로, 과전류, 과전압, 과열 보호 기능과 유입 전류 제한 및 능동 PFC를 지원합니다. 또한 복사/전도성 방출에 대한 CISPR/EN55032 클래스 B 및 고조파 제한에 대한 IEC 61000-3-2 클래스 A를 충족합니다. 예를 들면 VGS-100W-24 모델이 있습니다. 이 모델은 24V_DC 출력 전압에서 108W 전력을 공급하며 일반적으로 89.5%의 효율을 나타냅니다(그림 2).

그림 2: VGS(왼쪽), PSK(가운데), PBO(오른쪽) AC/DC 전원 공급 장치(크기 조정 불가)는 각각 레벨 3, 레벨 2 및 레벨 1 EV 충전소에 적합합니다. (이미지 출처: Jeff Shepard)

과전류로부터의 보호

고전압 레일에 과전류 보호 기능을 제공하기 위해 Bel Fuse는 정격 240V, 500V 및 1000V의 빠르게 작용하고 견고한 세라믹 퓨즈를 제공합니다. 세라믹 퓨즈는 주 EV 배터리 팩, 접속함, 충전소 및 관련 응용 제품에서 사용하도록 설계되었으며 도로 차량을 위한 JASO D622/ISO 8820-8 퓨즈 표준 요구 사항을 충족합니다. 모델 0ALEB9100-PD 카트리지 볼트 실장 세라믹 퓨즈의 정격은 10A 및 500V입니다(그림 3).

Bel Fuse의 0ALEB9100-PD 볼트 실장 세라믹 퓨즈 이미지 그림 3: 0ALEB9100-PD 볼트 실장 세라믹 퓨즈는 정격 10A 및 500V이며 다양한 EV 응용 제품에서 사용하도록 설계되었습니다. (이미지 출처: Bel Fuse)

과열 보호

과열 보호는 EV 충전소 및 배터리 팩에서도 중요합니다. 이러한 응용 제품을 위해 Bel Fuse는 0ZT 계열 고온 리셋 가능 퓨즈를 제공합니다. 이 정비례 온도 계수(PTC) 장치는 작동 온도 범위가 -40°C ~ +125°C로 높으며, 강력한 과열 보호를 위해 필요한 트립 전류와 유지 전류를 공급합니다. 예를 들어 0ZTH0020FF2E는 정격 30V 전압과 500mA 트립 전류 및 200mA 유지 전류를 공급합니다(그림 4). OZT 계열의 다른 PTC 장치와 마찬가지로 이 장치는 높은 주위 온도 환경에서 작동하는 데 적합합니다.

Bel Fuse의 OZTH0020FF2E 고온 리셋 가능 퓨즈 이미지 그림 4: OZTH0020FF2E 고온 리셋 가능 퓨즈는 EV 충전소 및 BMS에 사용하는 데 적합한 과열 보호를 위한 OZT 계열 PTC 장치의 일부입니다. (이미지 출처: Bel Fuse)

연결성 및 신호 무결성

보조 전력과 보호 기능 이외에 EV 충전소를 안정적으로 운영하려면 고속 연결과 높은 수준의 신호 무결성이 필요합니다. 이러한 요구 사항은 IEEE 802.3ch를 기반으로 하고 데이터 전송률이 최대 10Gbits/s인 자동차 이더넷을 사용하면 쉽게 충족됩니다. 자동차 이더넷은 데이터 전송률이 1Mbit/s인 기존 CAN 버스를 빠르게 대체하고 있습니다. 이는 부분적으로 자동차 이더넷의 높은 데이터 전송률 때문이기도 하지만, 낮은 중량과 최소 비용을 모두 지원하도록 설계된 비차폐 단일 연선 케이블을 통해 이 데이터를 제공하기 때문이기도 합니다.

2024년에 공개 예정인 IEEE 802.3dh와 함께 이더넷 사용이 지속적으로 증가할 것으로 예상됩니다. 이 표준은 플라스틱 광섬유(POF)를 통해 멀티 기가비트 자동차 이더넷을 제공합니다. 자동차 응용 분야에서 POF는 고탄력 스트레인 제한, 높은 파괴 인성 및 높은 유연성을 제공하여 연선 이더넷 케이블을 대체하는 데 적합합니다.

오늘날의 자동차 설계를 위해 Bel Fuse의 Stewart Connector 부문에서는 진동 및 차폐 요구 사항에 대한 SAE/USCAR2-6 표준을 준수하는 자동차용 RJ45 이더넷 모듈식 커넥터를 제공합니다. 이 커넥터는 직각 및 세로 실장 설계로 제공되며 다양한 LED 구성과 -40°C ~ +100°C의 작동 온도 범위를 지원합니다.

이 커넥터는 최대 100W 레벨에서 이더넷을 통한 전력 공급(PoE)을 수용할 수 있습니다. 이 스타일의 PoE 커넥터에서는 종종 누화 및 반사 손실이 문제가 되므로 고주파 응용 분야에서 우수한 성능을 발휘하도록 접촉 단자 설계를 최적화했습니다. 또한 소형 실장 면적에 맞게 최적화되었습니다.

비 LED 버전 Stewart RJ45(예: SS-60300-011)는 IR 리플로 공정과 호환되며, 제품군에 포함되는 모든 장치에는 성능 향상을 위해 50마이크로 인치 금으로 선택적으로 도금된 접점이 있습니다. SS-60300-011은 가로 방향으로 설계되었습니다(그림 5).

Stewart Connector의 SS-60300-011 콤팩트 가로 방향 이더넷 커넥터 이미지 그림 5: SS-60300-011은 자동차 응용 분야에서 PoE를 지원할 수 있는 콤팩트 가로 방향 이더넷 커넥터입니다. (이미지 출처: Stewart Connector)

신호 무결성을 보장하기 위해 Bel Fuse의 Signal Transformer 부문에서는 차동 모드 잡음의 EMI 억제를 위한 SPDL 계열 표면 실장 공통 모드 초크를 제공합니다. 이 초크는 이더넷과 기타 고속 인터페이스를 통해 신호 왜곡 없이 신호를 필터링합니다. 이 공통 모드 초크는 정격 전류가 최대 6.5A이고 90Ω ~ 2200Ω 임피던스를 지원하며, 작동 온도 범위는 -40°C ~ +125°C입니다. 예를 들어 SPDL3225-101-2P-T 모델은 정격 5100Ω(통상), 50V 및 150mA입니다(그림 6).

Signal Transformer의 SPDL3225-101-2P-T 표면 실장 공통 모드 초크 이미지 그림 6: SPDL3225-101-2P-T 표면 실장 공통 모드 초크는 최소한의 신호 왜곡으로 EMI를 제어합니다. (이미지 출처: Signal Transformer)

결론

EV 충전소와 같은 EVSE 시스템 배포는 대규모 EV 사용과 그에 따른 GHG 감소를 지원하는 데 중요합니다. 저속 AC 충전과 고속 DC 충전을 모두 지원할 수 있는 다양한 유형의 EV 충전소가 필요합니다. EV 및 EVSE의 성공적인 설계와 안전한 배포를 보장하기 위해 설계자는 전력 변환 및 공급, 회로 보호, EMI 완화에 즉시 사용 가능한 특수 시스템 및 장치를 활용할 수 있습니다.