Nexusby  –  stock.adobe.com

(Bild: Nexusby – stock.adobe.com)

Um die Herausforderungen im Zusammenhang mit Elektrofahrzeugen zu meistern, können Entwickler auf eine Reihe von für den Automobilbereich qualifizierten und zertifizierten Schaltungsschutz-, Highspeed-Kommunikations- und Stromversorgungslösungen zurückgreifen.

Schutzkomponenten und Normen

Zu diesen Lösungen gehören zum Beispiel qualifizierte Sicherungen für die Automobilindustrie in den Konfigurationen Patrone, Leiterplattenmontage (Durchsteck- und Oberflächenmontage) und Schraubmontage, die für Stromversorgungssysteme und Subsysteme optimiert sind. Auch Sicherungen für Hilfsanwendungen und Zubehör wie Radarsysteme zur Fahrerunterstützung, Bremspumpenmotoren, tragbare Ladegeräte, Batteriesysteme, Infotainment, Kameras, programmierbare Beleuchtung und Servolenkung zählen dazu. Darüber hinaus sind für bestimmte Anwendungen Sicherungen mit hohem Einschaltstrom, mit schneller und langsamer Auslösung sowie rücksetzbare Polymersicherungen mit positivem Temperaturkoeffizienten (PPTC) erforderlich.

Ebenfalls zu nennen sind AEC-Q200-qualifizierte Drosseln zur Unterdrückung elektromagnetischer Interferenzen (EMI), um Rauschen herauszufiltern und Highspeed-Datensignale für die zahlreichen Sensor-Subsysteme zu schützen, aus denen ADAS- und Navigationssysteme, Multimediasysteme, V2X-Cluster (Vehicle-to-Everything) und Antennen bestehen. Sie sollen auch eine differentielle Rauschunterdrückung für Automotive-Ethernet, CAN-Bus (Controller Area Network), FlexRay und Automotive-USB (Universal Serial Bus) erlauben.

Des Weiteren ermöglichen es vollständig geschirmte RJ45-Steckverbinder, die der SAE-Norm (Society of Automotive Engineers) USCAR2-6 (Performance Specification for Automotive Electrical Connector System - Revision 6) entsprechen, CAN-Busse durch schnelleres und leichteres Automotive-Ethernet zu ersetzen, um die wachsenden Anforderungen an die Datenverarbeitung im Fahrzeug in einer Reihe von ADAS-Systemen zu erfüllen, wie z. B. in Fahrerassistenzkameras und radarbasierte Fahrerassistenzsysteme, sowie in Telematik, Medienkonverter und Gateways.

IP67-zertifizierte Leistungswandler, einschließlich Ladegeräte für Elektro- und Hybridfahrzeuge, die für die Automobilindustrie geeignet sind, werden in konvektions- oder flüssigkeitsgekühlter Ausführung mit galvanischer Isolierung angeboten.

Spezifikation von Schaltungsschutzkomponenten

Bei der Auswahl eines geeigneten Bauteils ist ein klares Verständnis seiner Betriebseigenschaften wichtig.

Eine der grundlegenden Spezifikation von Schaltungsschutzkomponenten für E-Mobilitätssysteme ist die Nennspannung, welche der maximal zulässigen Spannung für einen sicheren Betrieb entspricht.

Eine Andere ist der Nennstrom, also der Strom, den die Sicherung unter normalen Bedingungen führen kann.

Des Weiteren bezeichnet das Durchschlagvermögen (auch Unterbrechungsleistung oder Kurzschlussleistung genannt) den maximalen Strom, den die Sicherung bei ihrer Nennspannung unterbrechen kann, ohne beschädigt zu werden; das Ausschaltvermögen muss dem für den Stromkreis zu erwartenden maximalen Fehlerstrom entsprechen oder diesen übersteigen.

Die Zeitstromkurven legen fest, ob die Sicherung flink oder träge (verzögert) arbeitet (reagiert); flinke Sicherungen werden verwendet, wenn die Schnelligkeit des Schutzes kritisch ist; träge Sicherungen kommen in Anwendungen vor, bei denen ein kurzfristiger Stromstoß oder eine Überlast auftritt.

Was ist die Nennschmelzleistung I2t?

Eine Spezifikation, die besondere Aufmerksamkeit verdient, ist die Nennschmelzleistung I2t. Sie ist ein Maß für die Energie, die erforderlich ist, um das Sicherungselement zu schmelzen – eine wichtige Eigenschaft von Sicherungen für jede Anwendung. Allerdings enthalten weder die Norm UL/CSA 248 noch IEC127 für Kleinst- und Feinsicherungen ein Prüfverfahren oder Prüfkriterien für I2t. Nach der branchenüblichen Definition bezeichnet I2t den Schmelzvorgang gemessen bei 10×In, mit konstantem Gleichstrom, wobei In der Nennstrom der Sicherung ist.

Die Verwendung von 10×In kann problematisch sein und führt nicht immer zu genauen Öffnungszeiten. Insbesondere träge Sicherungen können ein höheres Vielfaches als das 10-fache des Nennstroms erfordern, um den wahren I2t-Wert zu erhalten. Da die verschiedenen Hersteller dieses Problem unterschiedlich handhaben, ist es für Entwickler wichtig, die Methode zu kennen, mit der die I2t-Werte für bestimmte Sicherungen ermittelt werden.

Flinke und träge Chipsicherungen

Entwickler von Kfz-Navigationssystemen, Lithium-Ionen-Batteriemanagementsystemen (BMS), LED-Scheinwerfern, Power-over-Ethernet (PoE), PoE+ und Flüssigkristallanzeigen (LCDs) können die oberflächenmontierbaren Chipsicherungen auf Basis der Dickschichttechnologie verwenden, wie die flinken Sicherungen der Serie 0685P.

Als träge Sicherungen eignen sich beispielsweise Chipsicherungen der Serie C1T in der Größe 1206 (Bild 1).

Bild 1: Chipsicherungen wie die träge Serie C1T werden in einer Vielzahl von Automobilanwendungen eingesetzt, bei denen ein kompakter Formfaktor wichtig ist.
Bild 1: Chipsicherungen wie die träge Serie C1T werden in einer Vielzahl von Automobilanwendungen eingesetzt, bei denen ein kompakter Formfaktor wichtig ist. (Bild: Bel-Fuse)

Rücksetzbare PPTC-Komponenten

Für Designs, die von einem rücksetzbaren Schaltungsschutz mit sehr niedrigem Betriebswiderstand und sehr hohem Haltestrom profitieren, können PPTC-Bauelemente verwendet werden. PPTCs eignen sich besonders für Anwendungen wie den Schutz von Motoren und Motorstromkreisen in elektrischen Türschlössern, Spiegeln, Sitzen, Schiebedächern und Fenstern sowie für Heizungs-, Lüftungs- und Klimasysteme (HVAC) und den I/O-Schutz von elektronischen Steuergeräten (ECU).

Die radial bedrahteten PPTCs der Serie OZRS (Bild 2) und die oberflächenmontierbaren PPTCs der Serie 0ZCG sind AEC-Q-konform, TÜV-zertifiziert nach EN/IEC 60738-1-1 und EN/IEC 60730-1 und UL-anerkannt nach UL1434.

Bild 2: Die radial bedrahteten PPTCs der Serie OZRS sind für 32 VDC und bis zu 10 A ausgelegt.
Bild 2: Die radial bedrahteten PPTCs der Serie OZRS sind für 32 VDC und bis zu 10 A ausgelegt. (Bild: Bel-Fuse)

E-Mobility: Batterie und Sicherheit

ae_emobility_batterie_940x250.jpg
(Bild: AdobeStock_277540900)

Wie entstehen bessere E-Auto-Batterien und sind sie sicher? Bewährte und neue Batterietechnologien von Entwicklung bis Recycling, Brandschutz von Simulation über Materialien bis Batteriemanagement und Safety-Konzepten, sowie Testverfahren von EMV bis Sicherheit. Die Technologien dahinter finden Sie hier.  

Sicherungen mit Einschaltstromstoßfestigkeit

Die AEC-Q-konformen Keramiksicherungen der Serie 0680L in quadratischer Bauform mit 2410er-Gehäusegröße zur Oberflächenmontage weisen eine hohe Einschaltstromfestigkeit auf. Diese trägen Sicherungen sind für Anwendungen konzipiert, die hohe DC-Unterbrechungswerte und hohe DC-Spannungswerte erfordern. Sie werden häufig zum Schutz von PoE-, PoE+-, Stromversorgungs- und Batterieladestromkreisen verwendet.

Flinke Leistungssicherungen

Zum Schutz von Hochleistungsbatterien und EV-Stromrichtern können Entwickler auf flinke Sicherungen in Patronen- und Schraubkonfigurationen zurückgreifen. Typische Anwendungen sind

  • Hauptsystem-Sicherung
  • Ladestationen
  • Energiespeicher und Akku-Packs
  • Stromverteilungseinheiten
  • Eingebaute DC/DC-Wandler
  • Motoren für Bremspumpen
  • Kompressormotoren für Klimaanlagen
  • Elektrische Lenksysteme
  • Sicherungen mit Zeitverzögerung

Die Subminiatur-Sicherungen der Serie 0697W mit radialer Bedrahtung und Zeitverzögerung entsprechen IEC 60127-3 (Bild 3).

Bild 3: Die Sicherung der Serie 0697W ist eine AEC-Q-konforme, radial bedrahtete Hochspannungssicherung mit Zeitverzögerung.
Bild 3: Die Sicherung der Serie 0697W ist eine AEC-Q-konforme, radial bedrahtete Hochspannungssicherung mit Zeitverzögerung. (Bild: Bel-Fuse)

Zu den Anwendungen gehören Steuergeräte, Motoren, Klima- und Lüftungssteuerungen, Stecker und Zigarettenanzünder, Steckdosen und Kabelbäume.

Gleichtaktdrosseln

Entwickler von Infotainment-, Multimedia- und ADAS-Systemen im Automobilbereich, die einen Ethernet-, CAN-Bus-, FlexRay- oder USB-Kommunikationsbus verwenden, können die ultrakompakten, AEC-Q200-zertifizierten Gleichtaktdrosseln der SPDL-Serie von Signal Transformer verwenden, um das differenzielle Rauschen zu unterdrücken (Bild 4).

Bild 4: Die ultrakompakten SMD-Gleichtaktdrosseln der SPDL-Serie können mit Ethernet-, CAN-Bus-, FlexRay- oder U.SB-Kommunikationsschnittstellen verwendet werden
Bild 4: Die ultrakompakten SMD-Gleichtaktdrosseln der SPDL-Serie können mit Ethernet-, CAN-Bus-, FlexRay- oder USB-Kommunikationsschnittstellen verwendet werden. (Bild: Signal-Transformer)

Diese kompakten oberflächenmontierbaren (SMD) Drosseln werden in vier metrischen Größen (2012, 3216, 3225 und 4532) und 26 verschiedenen Nennwerten angeboten.

Upgrade auf Ethernet

Aufgrund der schnelleren Datenrate und des geringeren Gewichts des Kabels ersetzen Konstrukteure den CAN-Bus in einer wachsenden Zahl von E-Mobilitäts-Anwendungen durch Ethernet. Die Mag-Jack-Automotive-Ethernet-ICMs (ICM: Integrated Connector Module, integrierte Steckverbindermodule) mit einem Port haben die Ethernet-Filterkomponenten in das Steckergehäuse integriert. Dies führt zu einer kompakteren Lösung und vereinfacht die Aufrüstung bestehender CAN-Bus-Systeme mit Ethernet-Signalen und Verkabelungsarten (Bild 5).

Bildg 5: Die Mag-Jack-Automotive-Ethernet-ICMs mit einem Port verfügen über integrierte Filterkomponenten, um den Bedarf an kompakten Lösungen zu decken.
Bild 5: Die Mag-Jack-Automotive-Ethernet-ICMs mit einem Port verfügen über integrierte Filterkomponenten, um den Bedarf an kompakten Lösungen zu decken. (Bild: Bel-Fuse)

Mag-Jack-Ethernet-ICMs funktionieren bis zu 100 °C und sind SAE/USCAR2-6-kompatibel. Diese ICMs sind von Broadcom, Intel und Marvell zugelassen und mit Standard-Transceivern für die Automobilindustrie kompatibel, was den Umstieg auf Ethernet weiter vereinfacht.

Energieumwandlung für HEVs und EVs

Entwicklern steht eine Reihe von Leistungswandlungsoptionen für die E-Mobilität zur Verfügung, einschließlich DC/DC-Wandlern, bidirektionalen DC/DC-Wandlern, On-Board-Ladegeräten, Hilfswechselrichtern sowie Wechselrichter-Ladesystemen, die ein bidirektionales Wechselrichter-Ladegerät mit zwei DC/DC-Abwärtswandlern integrieren.

Fazit

Um die Sicherheits- und Nachhaltigkeitsanforderungen der nächsten Generation vernetzter, elektrischer und zunehmend automatisierter Fahrzeuge zu erfüllen, wird eine Vielzahl von Schaltungsschutz-, Kommunikations- und Energieumwandlungslösungen benötigt. Hierfür können Entwickler auf Lösungen in Form von für die Automobilindustrie qualifizierten Schaltungsschutzkomponenten, EMI-Drosseln, vollständig geschirmten RJ45-Ethernet-Steckern und Stromwandlern zugreifen. Diese können den HEV- und EV-Entwicklern helfen, die vielen Herausforderungen bei der Entwicklung autonomer Designs zu meistern.

Rolf Horn Digi-Key

Rolf Horn

Applikationsingenieur bei Digi-Key

Sie möchten gerne weiterlesen?

Registrieren Sie sich jetzt kostenlos:

Bleiben Sie stets zu allen wichtigen Themen und Trends informiert.
Das Passwort muss mindestens acht Zeichen lang sein.

Mit der Registrierung akzeptiere ich die Nutzungsbedingungen der Portale im Industrie-Medien-Netzwerks. Die Datenschutzerklärung habe ich zur Kenntnis genommen.

Sie sind bereits registriert?

Unternehmen

NXP Semiconductors Germany GmbH

Troplowitzstr. 20
22529 Hamburg
Germany