エネルギー貯蔵システムは、高電圧バッテリーパック、バッテリー管理エレクトロニクス、電力変換装置、低電圧制御システムを同じ電気アーキテクチャ内で組み合わせています。これらの部品は常に同じ電位で動作するわけではなく、かなりの電磁ノイズを発生させる高電流スイッチング回路の近くに配置されることがよくあります。
そのため、バッテリーエネルギー貯蔵システム内の通信は、データレートやプロトコルだけの問題ではありません。多くの場所で、エンジニアは、意図しない電流経路、グラウンドループ、またはコモンモード干渉を引き起こすことなく、電気的に分離された領域間で情報がどのように伝達されるかを決定する必要があります。
光ファイバー通信は、これらの境界を越える方法の1つを提供します。信号は導電性ケーブルを介した電気電流ではなく光として伝送されるためです。これにより、ガルバニック絶縁、通信経路の電磁干渉への耐性の低減、または高電圧と低電圧の制御ドメイン間の分離が重要な場合に、ファイバーが特に役立ちます。
したがって、エンジニアリング上の問題は単に「BMSはファイバーを使用すべきか？」というものではありません。
より良い質問は次のとおりです。システムに絶縁境界があり、その境界を越える通信リンクに最も適したタイプは何か？
BMS電気絶縁とは、異なる電位で動作する通信または制御回路を分離しながら、それらの間で情報を通過させることを指します。目的は、通信経路を介した意図しない電流の流れを防ぎながら、ローカル電気基準を直接接続することなく、電気ドメイン間で情報が通過できるようにすることです。
この要件は、高電圧バッテリーパックの電気構造から直接来ています。
高電圧バッテリーは通常、多くのセルまたはモジュールを直列に接続することによって構築されます。これにより必要なパック電圧が作成されますが、パックの異なる部分がシステムグランドに対して異なる電位にあることも意味します。
パックの下部近くのセルグループに接続された監視回路は、低いパック電位近くで動作する可能性があります。直列チェーンの上部にある別の監視回路は、大幅に高い電位で浮遊する可能性があります。
測定の観点からは、両方の回路は、セル電圧、温度、または診断情報の読み取りなど、同様の機能を実行する可能性があります。電気的には、それらは同じ電位に参照されていません。
高電圧バッテリーパック内の複数の電気的電位ドメイン
これは根本的なBMS設計上の問題を引き起こします。情報はバッテリーパックを通過し、最終的に中央コントローラーに到達する必要がありますが、関連する電子機器は異なる電圧ドメインに属する可能性があります。
そのため、多くのBMSアーキテクチャでは、スタック監視デバイス、絶縁シリアルインターフェイス、トランス結合リンク、絶縁CAN、またはその他の方法を使用して、ドメイン間で安全にデータを移動させています。
通信経路自体が電気的に非導電性のままである必要がある場合、ファイバーはもう1つの選択肢です。
最も重要な点は、バッテリーが一般的な意味で「高電圧」であることではありません。重要な点は、ある電気ドメインが別の電気ドメインと通信する必要がある場所です。
たとえば、バッテリー監視セクションはバッテリーパックとともに浮遊する可能性がありますが、中央BMSコントローラーはシャーシまたは制御グランドに参照された低電圧電源から動作します。
同様に、バッテリーラック、電力変換システム、および監視コントローラーは、それぞれ独自の接地および電源ドメインを持つ場合があります。
通信リンクがこれらの境界のいずれかを越える場合はいつでも、インターフェイスは、通常の通信が意図せずコモンモード電流または障害エネルギーの経路にならないように設計する必要があります。
それがガルバニック絶縁の役割です。
エネルギー貯蔵システムには、バッテリーセルと監視電子機器だけでなく、コンタクタ、DCバス、DC/DCステージ、PCS機器、インバーター、ゲートドライバ、補助電源、冷却システム、および外部制御ネットワークも含まれます。
これらの回路の多くは、高速で大量の電圧と電流を切り替えます。
それは通信にとって電気的に要求の厳しい環境を作り出します。
PCSスイッチングノイズ、グランド電位差、および通信干渉
PCSまたはインバーターは、IGBTまたはSiC MOSFETなどの半導体デバイスを高速に切り替えることによって機能します。これらのスイッチング遷移は、電圧と電流の大きくて速い変化を生み出します。
実際のハードウェアでは、寄生容量とインダクタンスは常に存在します。
電圧が急速に変化すると、変位電流が寄生容量を流れる可能性があります。電流が急速に変化すると、浮遊インダクタンスが追加の電圧変動を生成する可能性があります。これらを合わせると、コモンモードおよび差動モードノイズに寄与します。
結果として、すべての電気通信リンクが失敗するわけではありません。適切に設計されたCAN、RS-485、SPI、およびその他の電気インターフェイスは、過酷な産業環境で確実に動作できます。
ただし、通信設計者は同時にいくつかの要因を管理する必要があります。
コモンモード電圧、
接地、
シールド、
ケーブル配線、
終端、
絶縁定格、
過渡耐性、
および電源導体からの物理的な分離。
これらの効果は、特に高速な電圧および電流遷移を伴うパワーエレクトロニクス回路で関連性が高くなります。
2つの機器が必ずしもまったく同じグランド電位を持つわけではありません。
バッテリーラック、PCSキャビネット、制御パネル、またはリモートコントローラーは、異なる接地経路を介して接続される場合があります。大きな電流、ケーブルインピーダンス、スイッチング過渡現象、または物理的な分離により、公称グランドポイント間に電位差が生じる可能性があります。
通信媒体がこれらの場所間に導電性経路を含む場合、その電位差の一部が通信インターフェイスに現れる可能性があります。
これがグラウンドループが発生する理由の1つです。
銅通信システムは、絶縁トランシーバーまたはその他のガルバニック絶縁デバイスを使用して絶縁することもできます。したがって、問題は単に「銅対ファイバー」ではありません。
違いは、ファイバーケーブルがそもそも2つのエンドポイント間に電気導体を提供しないことです。
光ファイバー絶縁の主な価値は単純です。通信媒体は、2つのエンドポイント間で電気電流を伝導しません。
電気データは送信機で光に変換されます。光信号はファイバーを伝送します。受信端で、光は電気信号に変換されます。
ケーブル自体が非導電性であるため、送信機と受信機は、それらの間に金属信号経路を確立することなく、異なる電気ドメインで動作できます。
銅通信対光ファイバー絶縁
銅リンクでは、電気信号は導体間の電圧または電流の関係に依存します。
ファイバーリンクでは、情報はファイバーコアを介して光学的に運ばれます。
この物理的な違いは、いくつかの有用な結果をもたらします。
第一に、ファイバーは2つの電気ドメイン間にガルバニック接続を作成しません。
第二に、ケーブルを介したグラウンドループ電流は光経路を流れることができません。
第三に、電磁界は、金属導体で可能なのと同じ方法でファイバーに信号電圧を誘導しません。
これにより、光リンクは高電圧スイッチングシステム、強力な電磁界、および電気的に分離された制御領域の周りで特に魅力的になります。
コモンモードの問題は、通信受信機がローカル電気基準と送信機側基準間の電位差を許容する必要がある場合に、しばしば困難になります。
光ファイバーは、光ケーブルが2つの電気基準を接続する必要なしに情報を伝送するため、この状況を変えます。
ケーブルインターフェイスを大きなコモンモード電圧を許容するように設計する代わりに、設計者は電気ドメインを分離し、情報を光学的に転送するだけで済みます。
これにより、特にケーブル配線が電気的にノイズの多い領域を通過する場合、物理的に分離された機器間の絶縁が簡素化される可能性があります。
ただし、光リンクは通信経路のみを絶縁します。
送信機エレクトロニクス、受信機エレクトロニクス、電源、PCBレイアウト、クリーページとクリアランス、接地、サージ保護、およびEMC設計は、引き続き正しくエンジニアリングする必要があります。
したがって、ファイバーはBMSまたはPCS全体をEMIに耐性にするわけではありません。それは1つの重要な導電性結合経路を削除します。
デジタルアイソレータ、絶縁CANトランシーバー、絶縁RS-485インターフェイス、トランス結合通信、フォトカプラ、および容量性または磁気的絶縁は、有効なエンジニアリングオプションとして残っています。
短いPCBレベルの絶縁の場合、これらのアプローチは、光トランシーバーとファイバーケーブルを設置するよりもシンプルで経済的である可能性があります。
ファイバーは、絶縁境界が物理的なケーブル配線に及ぶ場合、2つのドメインが物理的に分離されている場合、または通信経路が強力なEMI環境を通過する場合に、より魅力的になります。
正しい技術は、絶縁バリアの物理的な場所と通信経路の要件に依存します。
ファイバーは、エネルギー貯蔵システム内のすべての通信リンクを置き換える必要はありません。
その最も強力な役割は通常、電気的分離がシステムレベルで明確な価値を提供する場所です。
BMSおよびエネルギー貯蔵アーキテクチャにおけるファイバーリンクの配置
バッテリーラックまたはキャビネット内では、システムのセクション間で電気的絶縁が必要な場合に、コントローラーまたは監視ユニット間に短い光リンクを使用できます。
これは、電子機器が異なる電圧ドメインに分散している場合に特に重要です。
必要な距離はわずか数メートルまたは数十メートルかもしれませんが、リンクはそれでも完全な電気的分離の恩恵を受ける可能性があります。
これらのアプリケーションでは、コンパクトな産業用光リンクは、通信用長距離ファイバーネットワークよりも関連性が高くなる可能性があります。
もう1つの重要な場所は、バッテリーシステムとPCSまたは監視コントローラー間の通信境界です。
バッテリー側には浮遊高電圧監視電子機器が含まれる可能性があり、PCSには高電力スイッチングステージが含まれます。中央コントローラーは、別の低電圧環境で動作する可能性があります。
通信経路がこれらの領域を越える場合、ファイバーは信号ケーブル自体がそれらの間の電気的接続になるのを防ぐことができます。
したがって、その利点は単にノイズ性能の向上だけではありません。
より根本的な利点は、電気ドメインの分離です。
プラスチック光ファイバー、特に産業用可視光トランシーバーで使用される大口径POFは、多くの短い内部光リンクに適しています。
その役割は、長距離通信用ファイバーとは異なります。
産業用POFシステムは、一般的にメートルまたは数十メートルの距離で一般的に使用されます。
その範囲は、多くの内部機械、キャビネット、ラック、および機器レベルの通信経路に一致します。
エネルギー貯蔵システムでは、これには次の間の通信が含まれる場合があります。
分離されたコントローラーボード、
バッテリーラック、
ローカル監視ユニット、
制御キャビネット、
または高電圧セクションと低電圧セクション間の絶縁インターフェイス。
POFの普遍的な最大距離は1つではありません。
実際に達成可能な距離は、送信機の出力、受信機の感度、データレート、ファイバーの減衰、コネクタ損失、動作温度、設置品質、および必要な設計マージンを含む、完全な光リンクに依存します。
これは、複雑なファイバー処理手順なしで光リンクを組み立て、交換、または保守する必要がある産業機器で役立つ場合があります。
最終的なケーブル構造も重要です。
ジャケット素材、温度定格、曲げ性能、引張強度、コネクタ設計、難燃性、および長期的な機械的安定性はすべて信頼性に影響を与える可能性があります。
ファイバー自体は、完成した通信リンクの一部にすぎません。
HCSまたはガラスファイバーはいつPOFの代わりに使うべきか？
POFは有用ですが、すべての光リンクの正しい選択ではありません。
HCSがより多くのリンクマージンまたは距離を提供する場合
ハードクラッドシリカ、またはHCSは、ポリマークラッド構造を持つシリカ光コアを使用します。
これにより、HCSは、アプリケーションが依然として堅牢な産業用光アーキテクチャの恩恵を受けるが、より長い伝送距離または追加の光マージンが必要な場合に役立ちます。
一部の産業用トランシーバーファミリーでは、同じ一般的な通信プラットフォームが、短いPOFリンクと大幅に長いHCSリンクをサポートできます。
正確な距離はトランシーバー固有のままです。
温度能力も重要です。特定のHCS構造は、典型的なPOFケーブル構造よりも広い動作範囲をサポートできるため、より要求の厳しい機器環境に適しています。
従来のガラスファイバーがより適切になる場合
標準的なガラスマルチモードまたはシングルモードファイバーは、通信要件が内部機器の絶縁リンクを超えて移動する場合に、より関連性が高くなります。
より高い帯域幅、
標準化されたイーサネットまたはネットワークインターフェイス、
既存のLC、SC、ST、または類似のインフラストラクチャとの統合、
または1つの機器内ではなく、キャビネット、部屋、または施設間の通信。
これにより、有用なエンジニアリング上の区別が生まれます。
POFは、短い内部産業リンクにしばしば魅力的です。
HCSは、より長いリーチまたは追加の環境マージンが必要な中間地点を提供します。
従来のガラスファイバーは、システムが内部絶縁制御リンクではなく産業用ネットワークに似てくる場合に、より適切になります。
エンジニアはエネルギー貯蔵絶縁リンクにファイバーをどのように選択すべきか？
ファイバーの選択は、ファイバー素材だけでなく、完全な通信要件から始めるべきです。
選択要因
エンジニアリング上の質問
| 距離 | 実際の配線された光経路は、サービスループとキャビネット配線を含めてどのくらいですか？ |
|---|---|
| データレート | リンクはどの帯域幅とプロトコルタイミングをサポートする必要がありますか？ |
| 光バジェット | 送信機、ファイバー、コネクタ、受信機の組み合わせは十分なマージンを提供しますか？ |
| 温度 | リンク内のすべてのコンポーネントは、必要な温度範囲で動作できますか？ |
| コネクタタイプ | ファイバーはどのように終端処理、設置、交換、保守されますか？ |
| 機械的環境 | ケーブルは振動、曲げ、引張荷重、摩耗、または繰り返し運動にさらされますか？ |
| 絶縁要件 | どの電気ドメインをガルバニック的に分離する必要がありますか？ |
| 信頼性マージン | 温度、経年劣化、コネクタ損失、汚染、および設置公差を考慮した後、どのくらいのマージンが残りますか？ |
| 距離と光リンクバジェット | 距離は、ファイバー減衰のみから評価されるべきではありません。 |
減衰の少ないファイバーはより長いリンクをサポートできますが、トランシーバーペアがそのファイバーで動作するように設計されている場合に限ります。
データレートとトランシーバーの互換性
必要な通信速度は、光送信機と受信機に一致させる必要があります。
送信機の波長、受信機の感度、ファイバータイプ、コネクタ形状、およびデータレートは、互換性のあるシステムを形成する必要があります。
温度と環境条件
ファイバーの動作温度は独立して考慮されるべきではありません。
1つのコンポーネントが他のコンポーネントよりも許容温度範囲が低い場合、そのコンポーネントがリンク全体のリミット要因になる可能性があります。
コネクタ、終端、および保守
コネクタの選択は、挿入損失以上に影響します。
フィールドで保守される可能性のある機器の場合、これらの実際的な要因は、公称光性能と同じくらい重要になる可能性があります。
サービス寿命全体にわたる信頼性マージン
室温プロトタイプで機能するリンクは、自動的に信頼性の高い生産設計になるわけではありません。
コンポーネントのばらつき、
温度変化、
コネクタ損失、
経年劣化、
曲げ、
汚染、
および設置公差。
これは、長期間の動作が意図されているエネルギー貯蔵システムでは特に重要です。
エネルギー貯蔵絶縁用POF対HCS対従来のガラスファイバー
POF対HCS対従来のガラスファイバー産業用絶縁リンク
典型的なエンジニアリングの役割
| 距離ポジショニング | 実用的な強度 | 検討すべき時期 | POF | 短い内部制御および絶縁リンク |
|---|---|---|---|---|
| 短距離、通常はリンクに応じて数メートルから数十メートル | 大口径、実用的な産業用終端、強力なガルバニック絶縁 | ラックレベル、キャビネットレベル、短いBMS制御リンク | HCS | より多くのマージンを必要とする産業用光リンク |
| 互換性のあるトランシーバーで、典型的なPOFよりも長い | 適切な構造での低減衰とより強力な環境能力 | より長い内部リンク、より過酷な条件、追加のリンクマージン | 従来のガラスファイバー | 産業用ネットワーキングとより長い相互接続 |
| 長距離リンク、光システムとネットワーク標準による | 高帯域幅、低減衰、標準化されたコネクタ/ネットワークエコシステム | キャビネット間、施設レベル、イーサネット、長距離通信 | これらのカテゴリは厳密な境界として扱われるべきではありません。 | 正しい選択は、ファイバー素材だけでなく、完全な光アーキテクチャに依存します。 |
エンジニアリングの要点
エネルギー貯蔵システムは、ファイバーが高速であるとか、バッテリーが高電圧であるという理由だけでファイバーを使用しているのではありません。
BMS、高電圧バッテリーシステム、PCS、および監視コントローラーは、複数の電気的電位ドメインを含む場合があります。情報がそれらのドメイン間で伝達される必要がある場合、通信経路は、意図せず導電性接続、グラウンドループ経路、またはコモンモード干渉の問題を作成しないように設計する必要があります。
ファイバーは、情報を電気的にではなく光学的に伝送することにより、この特定の物理層の問題を解決します。
短い内部絶縁リンクの場合、POFはガルバニック分離と大口径産業用光インターフェイスを組み合わせているため、実用的なソリューションになる可能性があります。
距離、温度、光マージン、または帯域幅の要件が増加する場合、HCSまたは従来のガラスファイバーがより適切になる可能性があります。
したがって、正しい選択は4つの質問から始まります。
絶縁境界はどこにありますか？信号はどのくらい移動する必要がありますか？リンクはどのような環境に耐える必要がありますか？そして、システムの寿命全体にわたってどのくらいの信頼性マージンが必要ですか？
これらの質問により、ファイバーが必要かどうか、そして必要な場合はどのタイプのファイバーがエンジニアリング的に意味があるかが決まります。
FAQ
BMSはなぜ電気絶縁を必要とするのですか？
ファイバーは、送信機と受信機の間に金属製の電気経路を提供しません。これにより、ケーブルを介したグラウンドループを排除し、通信経路のコモンモード干渉への暴露を減らすことができます。銅リンクも絶縁できますが、インターフェイスで電気的絶縁方法が必要です。
はい。POFは、ガルバニック絶縁と電磁干渉への耐性の低減が重要な、短い内部BMSまたはエネルギー貯蔵通信リンクに適しています。その実用的な距離は、送信機、受信機、データレート、温度、ファイバー減衰、コネクタ、および光リンクバジェットに依存します。
必要な距離または光マージンが、POFリンクが快適に提供できる範囲を超える場合、または動作環境がより広い温度または機械的機能を備えたファイバー構造を必要とする場合に、HCSが好まれる場合があります。
いいえ。ファイバーは通信ケーブルから導電性電流経路を削除し、光媒体自体が金属導体のように電磁干渉を拾うのを防ぎます。両端の電子回路は依然としてEMIの影響を受ける可能性があるため、PCBレイアウト、接地、シールド、電源絶縁、および保護設計は引き続き必要です。
主な要因は、通信距離、データレート、光リンクバジェット、動作温度、コネクタと終端方法、機械的環境、絶縁境界、および長期的な信頼性マージンです。完全なリンクは、ファイバーを個別に選択するのではなく、システムとして評価されるべきです。
エネルギー貯蔵システムは、高電圧バッテリーパック、バッテリー管理エレクトロニクス、電力変換装置、低電圧制御システムを同じ電気アーキテクチャ内で組み合わせています。これらの部品は常に同じ電位で動作するわけではなく、かなりの電磁ノイズを発生させる高電流スイッチング回路の近くに配置されることがよくあります。
そのため、バッテリーエネルギー貯蔵システム内の通信は、データレートやプロトコルだけの問題ではありません。多くの場所で、エンジニアは、意図しない電流経路、グラウンドループ、またはコモンモード干渉を引き起こすことなく、電気的に分離された領域間で情報がどのように伝達されるかを決定する必要があります。
光ファイバー通信は、これらの境界を越える方法の1つを提供します。信号は導電性ケーブルを介した電気電流ではなく光として伝送されるためです。これにより、ガルバニック絶縁、通信経路の電磁干渉への耐性の低減、または高電圧と低電圧の制御ドメイン間の分離が重要な場合に、ファイバーが特に役立ちます。
したがって、エンジニアリング上の問題は単に「BMSはファイバーを使用すべきか？」というものではありません。
より良い質問は次のとおりです。システムに絶縁境界があり、その境界を越える通信リンクに最も適したタイプは何か？
BMS電気絶縁とは、異なる電位で動作する通信または制御回路を分離しながら、それらの間で情報を通過させることを指します。目的は、通信経路を介した意図しない電流の流れを防ぎながら、ローカル電気基準を直接接続することなく、電気ドメイン間で情報が通過できるようにすることです。
この要件は、高電圧バッテリーパックの電気構造から直接来ています。
高電圧バッテリーは通常、多くのセルまたはモジュールを直列に接続することによって構築されます。これにより必要なパック電圧が作成されますが、パックの異なる部分がシステムグランドに対して異なる電位にあることも意味します。
パックの下部近くのセルグループに接続された監視回路は、低いパック電位近くで動作する可能性があります。直列チェーンの上部にある別の監視回路は、大幅に高い電位で浮遊する可能性があります。
測定の観点からは、両方の回路は、セル電圧、温度、または診断情報の読み取りなど、同様の機能を実行する可能性があります。電気的には、それらは同じ電位に参照されていません。
高電圧バッテリーパック内の複数の電気的電位ドメイン
これは根本的なBMS設計上の問題を引き起こします。情報はバッテリーパックを通過し、最終的に中央コントローラーに到達する必要がありますが、関連する電子機器は異なる電圧ドメインに属する可能性があります。
そのため、多くのBMSアーキテクチャでは、スタック監視デバイス、絶縁シリアルインターフェイス、トランス結合リンク、絶縁CAN、またはその他の方法を使用して、ドメイン間で安全にデータを移動させています。
通信経路自体が電気的に非導電性のままである必要がある場合、ファイバーはもう1つの選択肢です。
最も重要な点は、バッテリーが一般的な意味で「高電圧」であることではありません。重要な点は、ある電気ドメインが別の電気ドメインと通信する必要がある場所です。
たとえば、バッテリー監視セクションはバッテリーパックとともに浮遊する可能性がありますが、中央BMSコントローラーはシャーシまたは制御グランドに参照された低電圧電源から動作します。
同様に、バッテリーラック、電力変換システム、および監視コントローラーは、それぞれ独自の接地および電源ドメインを持つ場合があります。
通信リンクがこれらの境界のいずれかを越える場合はいつでも、インターフェイスは、通常の通信が意図せずコモンモード電流または障害エネルギーの経路にならないように設計する必要があります。
それがガルバニック絶縁の役割です。
エネルギー貯蔵システムには、バッテリーセルと監視電子機器だけでなく、コンタクタ、DCバス、DC/DCステージ、PCS機器、インバーター、ゲートドライバ、補助電源、冷却システム、および外部制御ネットワークも含まれます。
これらの回路の多くは、高速で大量の電圧と電流を切り替えます。
それは通信にとって電気的に要求の厳しい環境を作り出します。
PCSスイッチングノイズ、グランド電位差、および通信干渉
PCSまたはインバーターは、IGBTまたはSiC MOSFETなどの半導体デバイスを高速に切り替えることによって機能します。これらのスイッチング遷移は、電圧と電流の大きくて速い変化を生み出します。
実際のハードウェアでは、寄生容量とインダクタンスは常に存在します。
電圧が急速に変化すると、変位電流が寄生容量を流れる可能性があります。電流が急速に変化すると、浮遊インダクタンスが追加の電圧変動を生成する可能性があります。これらを合わせると、コモンモードおよび差動モードノイズに寄与します。
結果として、すべての電気通信リンクが失敗するわけではありません。適切に設計されたCAN、RS-485、SPI、およびその他の電気インターフェイスは、過酷な産業環境で確実に動作できます。
ただし、通信設計者は同時にいくつかの要因を管理する必要があります。
コモンモード電圧、
接地、
シールド、
ケーブル配線、
終端、
絶縁定格、
過渡耐性、
および電源導体からの物理的な分離。
これらの効果は、特に高速な電圧および電流遷移を伴うパワーエレクトロニクス回路で関連性が高くなります。
2つの機器が必ずしもまったく同じグランド電位を持つわけではありません。
バッテリーラック、PCSキャビネット、制御パネル、またはリモートコントローラーは、異なる接地経路を介して接続される場合があります。大きな電流、ケーブルインピーダンス、スイッチング過渡現象、または物理的な分離により、公称グランドポイント間に電位差が生じる可能性があります。
通信媒体がこれらの場所間に導電性経路を含む場合、その電位差の一部が通信インターフェイスに現れる可能性があります。
これがグラウンドループが発生する理由の1つです。
銅通信システムは、絶縁トランシーバーまたはその他のガルバニック絶縁デバイスを使用して絶縁することもできます。したがって、問題は単に「銅対ファイバー」ではありません。
違いは、ファイバーケーブルがそもそも2つのエンドポイント間に電気導体を提供しないことです。
光ファイバー絶縁の主な価値は単純です。通信媒体は、2つのエンドポイント間で電気電流を伝導しません。
電気データは送信機で光に変換されます。光信号はファイバーを伝送します。受信端で、光は電気信号に変換されます。
ケーブル自体が非導電性であるため、送信機と受信機は、それらの間に金属信号経路を確立することなく、異なる電気ドメインで動作できます。
銅通信対光ファイバー絶縁
銅リンクでは、電気信号は導体間の電圧または電流の関係に依存します。
ファイバーリンクでは、情報はファイバーコアを介して光学的に運ばれます。
この物理的な違いは、いくつかの有用な結果をもたらします。
第一に、ファイバーは2つの電気ドメイン間にガルバニック接続を作成しません。
第二に、ケーブルを介したグラウンドループ電流は光経路を流れることができません。
第三に、電磁界は、金属導体で可能なのと同じ方法でファイバーに信号電圧を誘導しません。
これにより、光リンクは高電圧スイッチングシステム、強力な電磁界、および電気的に分離された制御領域の周りで特に魅力的になります。
コモンモードの問題は、通信受信機がローカル電気基準と送信機側基準間の電位差を許容する必要がある場合に、しばしば困難になります。
光ファイバーは、光ケーブルが2つの電気基準を接続する必要なしに情報を伝送するため、この状況を変えます。
ケーブルインターフェイスを大きなコモンモード電圧を許容するように設計する代わりに、設計者は電気ドメインを分離し、情報を光学的に転送するだけで済みます。
これにより、特にケーブル配線が電気的にノイズの多い領域を通過する場合、物理的に分離された機器間の絶縁が簡素化される可能性があります。
ただし、光リンクは通信経路のみを絶縁します。
送信機エレクトロニクス、受信機エレクトロニクス、電源、PCBレイアウト、クリーページとクリアランス、接地、サージ保護、およびEMC設計は、引き続き正しくエンジニアリングする必要があります。
したがって、ファイバーはBMSまたはPCS全体をEMIに耐性にするわけではありません。それは1つの重要な導電性結合経路を削除します。
デジタルアイソレータ、絶縁CANトランシーバー、絶縁RS-485インターフェイス、トランス結合通信、フォトカプラ、および容量性または磁気的絶縁は、有効なエンジニアリングオプションとして残っています。
短いPCBレベルの絶縁の場合、これらのアプローチは、光トランシーバーとファイバーケーブルを設置するよりもシンプルで経済的である可能性があります。
ファイバーは、絶縁境界が物理的なケーブル配線に及ぶ場合、2つのドメインが物理的に分離されている場合、または通信経路が強力なEMI環境を通過する場合に、より魅力的になります。
正しい技術は、絶縁バリアの物理的な場所と通信経路の要件に依存します。
ファイバーは、エネルギー貯蔵システム内のすべての通信リンクを置き換える必要はありません。
その最も強力な役割は通常、電気的分離がシステムレベルで明確な価値を提供する場所です。
BMSおよびエネルギー貯蔵アーキテクチャにおけるファイバーリンクの配置
バッテリーラックまたはキャビネット内では、システムのセクション間で電気的絶縁が必要な場合に、コントローラーまたは監視ユニット間に短い光リンクを使用できます。
これは、電子機器が異なる電圧ドメインに分散している場合に特に重要です。
必要な距離はわずか数メートルまたは数十メートルかもしれませんが、リンクはそれでも完全な電気的分離の恩恵を受ける可能性があります。
これらのアプリケーションでは、コンパクトな産業用光リンクは、通信用長距離ファイバーネットワークよりも関連性が高くなる可能性があります。
もう1つの重要な場所は、バッテリーシステムとPCSまたは監視コントローラー間の通信境界です。
バッテリー側には浮遊高電圧監視電子機器が含まれる可能性があり、PCSには高電力スイッチングステージが含まれます。中央コントローラーは、別の低電圧環境で動作する可能性があります。
通信経路がこれらの領域を越える場合、ファイバーは信号ケーブル自体がそれらの間の電気的接続になるのを防ぐことができます。
したがって、その利点は単にノイズ性能の向上だけではありません。
より根本的な利点は、電気ドメインの分離です。
プラスチック光ファイバー、特に産業用可視光トランシーバーで使用される大口径POFは、多くの短い内部光リンクに適しています。
その役割は、長距離通信用ファイバーとは異なります。
産業用POFシステムは、一般的にメートルまたは数十メートルの距離で一般的に使用されます。
その範囲は、多くの内部機械、キャビネット、ラック、および機器レベルの通信経路に一致します。
エネルギー貯蔵システムでは、これには次の間の通信が含まれる場合があります。
分離されたコントローラーボード、
バッテリーラック、
ローカル監視ユニット、
制御キャビネット、
または高電圧セクションと低電圧セクション間の絶縁インターフェイス。
POFの普遍的な最大距離は1つではありません。
実際に達成可能な距離は、送信機の出力、受信機の感度、データレート、ファイバーの減衰、コネクタ損失、動作温度、設置品質、および必要な設計マージンを含む、完全な光リンクに依存します。
これは、複雑なファイバー処理手順なしで光リンクを組み立て、交換、または保守する必要がある産業機器で役立つ場合があります。
最終的なケーブル構造も重要です。
ジャケット素材、温度定格、曲げ性能、引張強度、コネクタ設計、難燃性、および長期的な機械的安定性はすべて信頼性に影響を与える可能性があります。
ファイバー自体は、完成した通信リンクの一部にすぎません。
HCSまたはガラスファイバーはいつPOFの代わりに使うべきか？
POFは有用ですが、すべての光リンクの正しい選択ではありません。
HCSがより多くのリンクマージンまたは距離を提供する場合
ハードクラッドシリカ、またはHCSは、ポリマークラッド構造を持つシリカ光コアを使用します。
これにより、HCSは、アプリケーションが依然として堅牢な産業用光アーキテクチャの恩恵を受けるが、より長い伝送距離または追加の光マージンが必要な場合に役立ちます。
一部の産業用トランシーバーファミリーでは、同じ一般的な通信プラットフォームが、短いPOFリンクと大幅に長いHCSリンクをサポートできます。
正確な距離はトランシーバー固有のままです。
温度能力も重要です。特定のHCS構造は、典型的なPOFケーブル構造よりも広い動作範囲をサポートできるため、より要求の厳しい機器環境に適しています。
従来のガラスファイバーがより適切になる場合
標準的なガラスマルチモードまたはシングルモードファイバーは、通信要件が内部機器の絶縁リンクを超えて移動する場合に、より関連性が高くなります。
より高い帯域幅、
標準化されたイーサネットまたはネットワークインターフェイス、
既存のLC、SC、ST、または類似のインフラストラクチャとの統合、
または1つの機器内ではなく、キャビネット、部屋、または施設間の通信。
これにより、有用なエンジニアリング上の区別が生まれます。
POFは、短い内部産業リンクにしばしば魅力的です。
HCSは、より長いリーチまたは追加の環境マージンが必要な中間地点を提供します。
従来のガラスファイバーは、システムが内部絶縁制御リンクではなく産業用ネットワークに似てくる場合に、より適切になります。
エンジニアはエネルギー貯蔵絶縁リンクにファイバーをどのように選択すべきか？
ファイバーの選択は、ファイバー素材だけでなく、完全な通信要件から始めるべきです。
選択要因
エンジニアリング上の質問
| 距離 | 実際の配線された光経路は、サービスループとキャビネット配線を含めてどのくらいですか？ |
|---|---|
| データレート | リンクはどの帯域幅とプロトコルタイミングをサポートする必要がありますか？ |
| 光バジェット | 送信機、ファイバー、コネクタ、受信機の組み合わせは十分なマージンを提供しますか？ |
| 温度 | リンク内のすべてのコンポーネントは、必要な温度範囲で動作できますか？ |
| コネクタタイプ | ファイバーはどのように終端処理、設置、交換、保守されますか？ |
| 機械的環境 | ケーブルは振動、曲げ、引張荷重、摩耗、または繰り返し運動にさらされますか？ |
| 絶縁要件 | どの電気ドメインをガルバニック的に分離する必要がありますか？ |
| 信頼性マージン | 温度、経年劣化、コネクタ損失、汚染、および設置公差を考慮した後、どのくらいのマージンが残りますか？ |
| 距離と光リンクバジェット | 距離は、ファイバー減衰のみから評価されるべきではありません。 |
減衰の少ないファイバーはより長いリンクをサポートできますが、トランシーバーペアがそのファイバーで動作するように設計されている場合に限ります。
データレートとトランシーバーの互換性
必要な通信速度は、光送信機と受信機に一致させる必要があります。
送信機の波長、受信機の感度、ファイバータイプ、コネクタ形状、およびデータレートは、互換性のあるシステムを形成する必要があります。
温度と環境条件
ファイバーの動作温度は独立して考慮されるべきではありません。
1つのコンポーネントが他のコンポーネントよりも許容温度範囲が低い場合、そのコンポーネントがリンク全体のリミット要因になる可能性があります。
コネクタ、終端、および保守
コネクタの選択は、挿入損失以上に影響します。
フィールドで保守される可能性のある機器の場合、これらの実際的な要因は、公称光性能と同じくらい重要になる可能性があります。
サービス寿命全体にわたる信頼性マージン
室温プロトタイプで機能するリンクは、自動的に信頼性の高い生産設計になるわけではありません。
コンポーネントのばらつき、
温度変化、
コネクタ損失、
経年劣化、
曲げ、
汚染、
および設置公差。
これは、長期間の動作が意図されているエネルギー貯蔵システムでは特に重要です。
エネルギー貯蔵絶縁用POF対HCS対従来のガラスファイバー
POF対HCS対従来のガラスファイバー産業用絶縁リンク
典型的なエンジニアリングの役割
| 距離ポジショニング | 実用的な強度 | 検討すべき時期 | POF | 短い内部制御および絶縁リンク |
|---|---|---|---|---|
| 短距離、通常はリンクに応じて数メートルから数十メートル | 大口径、実用的な産業用終端、強力なガルバニック絶縁 | ラックレベル、キャビネットレベル、短いBMS制御リンク | HCS | より多くのマージンを必要とする産業用光リンク |
| 互換性のあるトランシーバーで、典型的なPOFよりも長い | 適切な構造での低減衰とより強力な環境能力 | より長い内部リンク、より過酷な条件、追加のリンクマージン | 従来のガラスファイバー | 産業用ネットワーキングとより長い相互接続 |
| 長距離リンク、光システムとネットワーク標準による | 高帯域幅、低減衰、標準化されたコネクタ/ネットワークエコシステム | キャビネット間、施設レベル、イーサネット、長距離通信 | これらのカテゴリは厳密な境界として扱われるべきではありません。 | 正しい選択は、ファイバー素材だけでなく、完全な光アーキテクチャに依存します。 |
エンジニアリングの要点
エネルギー貯蔵システムは、ファイバーが高速であるとか、バッテリーが高電圧であるという理由だけでファイバーを使用しているのではありません。
BMS、高電圧バッテリーシステム、PCS、および監視コントローラーは、複数の電気的電位ドメインを含む場合があります。情報がそれらのドメイン間で伝達される必要がある場合、通信経路は、意図せず導電性接続、グラウンドループ経路、またはコモンモード干渉の問題を作成しないように設計する必要があります。
ファイバーは、情報を電気的にではなく光学的に伝送することにより、この特定の物理層の問題を解決します。
短い内部絶縁リンクの場合、POFはガルバニック分離と大口径産業用光インターフェイスを組み合わせているため、実用的なソリューションになる可能性があります。
距離、温度、光マージン、または帯域幅の要件が増加する場合、HCSまたは従来のガラスファイバーがより適切になる可能性があります。
したがって、正しい選択は4つの質問から始まります。
絶縁境界はどこにありますか？信号はどのくらい移動する必要がありますか？リンクはどのような環境に耐える必要がありますか？そして、システムの寿命全体にわたってどのくらいの信頼性マージンが必要ですか？
これらの質問により、ファイバーが必要かどうか、そして必要な場合はどのタイプのファイバーがエンジニアリング的に意味があるかが決まります。
FAQ
BMSはなぜ電気絶縁を必要とするのですか？
ファイバーは、送信機と受信機の間に金属製の電気経路を提供しません。これにより、ケーブルを介したグラウンドループを排除し、通信経路のコモンモード干渉への暴露を減らすことができます。銅リンクも絶縁できますが、インターフェイスで電気的絶縁方法が必要です。
はい。POFは、ガルバニック絶縁と電磁干渉への耐性の低減が重要な、短い内部BMSまたはエネルギー貯蔵通信リンクに適しています。その実用的な距離は、送信機、受信機、データレート、温度、ファイバー減衰、コネクタ、および光リンクバジェットに依存します。
必要な距離または光マージンが、POFリンクが快適に提供できる範囲を超える場合、または動作環境がより広い温度または機械的機能を備えたファイバー構造を必要とする場合に、HCSが好まれる場合があります。
いいえ。ファイバーは通信ケーブルから導電性電流経路を削除し、光媒体自体が金属導体のように電磁干渉を拾うのを防ぎます。両端の電子回路は依然としてEMIの影響を受ける可能性があるため、PCBレイアウト、接地、シールド、電源絶縁、および保護設計は引き続き必要です。
主な要因は、通信距離、データレート、光リンクバジェット、動作温度、コネクタと終端方法、機械的環境、絶縁境界、および長期的な信頼性マージンです。完全なリンクは、ファイバーを個別に選択するのではなく、システムとして評価されるべきです。
