Sådan vælges og anvendes kondensatorer for at sikre effektive, pålidelige og bæredygtige opladere til elbiler

‏none [none] n/aCOpladere til elbiler er tilgængelig i forskellige spændings- og effektniveauer, men alle er afhængige af kondensatorer til at udføre funktioner som f.eks. filtrering af DC-indgang, DC-forbindelse, filtrering af AC-harmoniske strømme, filtrering af DC-udgang, og i nogle konstruktioner anvendes superkondensatorer i kombination med batteriopbevaring og solcelleinvertere. Da ladere til elbiler ofte er placeret udendørs eller i andre barske miljøer, er designerne udfordret med først at bestemme kondensatorens ydeevneprofil og derefter vælge den rette kondensatortype for at opfylde de krævende karakteristika for pålidelighed.

Designerne skal sikre, at kondensatoren er fysisk robust med en bred driftstemperatur og lang levetid. Kondensatorerne skal være kompakte og kunne håndtere store rippel-strømme uden at overophede eller få forringet ydeevne, og de skal opfylde de elektriske og mekaniske krav i AEC-Q200 samt ydeevnen i IEC 61071 (International Electrotechnical Commission), og nogle skal opfylde ANSI/IEEE Standard 18.

For at opfylde de forskellige behov i disse kredsløbsanvendelser kan designere anvende en række kondensator teknologier som f.eks. powerfilm-kondensatorer, aluminium elektrolytkondensatorer og superkondensatorer, herunder design med lav induktivitet, kondensatorer med høj rippel-strøm, høje driftstemperaturer, selvhelbredende egenskaber, AEC-Q200-kvalifikationer, der opfylder IEC 61071, og superkondensatorer med lav ækvivalent seriemodstand (ESR).

I denne artikel defineres de forskellige opladningsniveauer og vi gennemgår kredsløbsanvendelser for kondensatorer i solcelleinvertere baseret på disse niveauer. Derefter præsenteres eksempler på kondensatorer og superkondensatorer fra Cornell Dubilier Electronics til filrering af indgang, strømfilm DC link, AC harmonisk filtrering og filtrering af udgang, der er velegnede til en række forskellige EV-opladerdesigns, sammen med pakningsmuligheder til integration af disse kondensatorer i PC-kort , til fastgørelse af dem til busbars eller direkte tilslutning til IGBT-moduler (isoleret gate bipolær transistor) for at sikre et vellykket design.

Opladningsniveauer og -krav for elbiler

Der er tre niveauer for opladning af elbiler: Niveau 1 opladning i boliger giver 120 V_AC; niveau 2 opladning i boliger og offentlige områder giver 208/240 V_AC strøm; og niveau 3 i kommercielle og offentlige opladere giver 400 til 900 V_DC strøm til hurtig opladning af DC og superopladning. Nogle niveau 1- og niveau 2-opladere er baseret på solcelleinvertere og batterioplagring.

De stadig mere almindelige solcelledrevne niveau 1- og niveau 2-opladere omfatter en DC- til DC-konverter (DC/DC) og en DC- til AC-inverter (DC/AC). De har brug for en række højtydende kondensatorer, der er designet til brug under barske elektriske forhold, og som opfylder AEC-Q200- og IEC 61071-standarderne, herunder de typer, der er vist i figur 1:

• DC-indgangsfilter og DC-forbindelseskondensatorer: Disse opladere har brug for et DC-indgangsfilter med lav induktans og DC-forbindelses kondensatorer, der er optimeret til mellemstore effektanvendelser. De kan med fordel bruge kondensatorer med værdier på op til 1 Farad (F) eller mere og lav ækvivalent seriemodstand (ESR) for at minimere intern opvarmning.
• AC-udgangsfilterkondensatorer: IGBT-baserede switched-mode konvertere kan producere et højt harmonisk indhold og total harmonisk forvrængning (THD), som skal filtreres ved hjælp af AC-udgangsfilter kondensatorer. Hvis de ikke filtreres tilstrækkeligt, kan overtonerne forvrænge den udgående AC-bølgeform.
• Superkondensatorer: Tilføjelsen af superkondensatorer kan være særlig fordelagtig i niveau 1- og niveau 2-solcelledrevne opladere for at hjælpe systemet med at tilpasse sig til ændringer i solindfaldet, når skyer blokerer de relativt små solpaneler, hvilket resulterer i toppe og dale i udgangseffekten. I disse systemer kan forholdet mellem spidseffekt og gennemsnitsenergi udfordre systemer, der kun kører på batteri. Kombinationen af superkondensatorer og batterier kan resultere i et system med en højere effekttæthed.

Figur 1: Der er brug for en række kondensatorer og superkondensatorer til solcelledrevne inverter-opladere til elbiler. (Billedkilde: Cornell Dubilier Electronics)

Kondensatorer er også vigtige i designet af Level 3 DC-quick-opladere, der anvender AC/DC-strømkonvertering. Ligesom niveau 1- og niveau 2-ladere har DC-quick-opladere brug for DC-link kondensatorer. DC-link kondensatorer i DC-quick-opladere er enheder med højere effekt og har normalt højere spændingsværdier. Derudover har niveau 3-opladere brug for AC-indgangsfilter kondensatorer og DC-udgangsfilter kondensatorer (figur 2):

• AC-indgangsfilter kondensatorer: For at understøtte højere effektniveauer er disse kondensatorer ofte pakket anderledes end enheder, der er beregnet til lavere effekt. Mens f.eks. lavere effektfilter kondensatorer i niveau 1- og 2-ladere kan have snap-in termineringer til hurtig fastgørelse til printplader eller loddepinde, har kondensatorer, der anvendes i niveau 3 DC-quick-opladere, ofte skrueterminaler, der fastgøres direkte til høj-effekt busbars. Indgangskondensatorer til niveau 3-opladere kan kræves til at opfylde ANSI/IEEE Standard 18.
• DC-udgangsfilter kondensatorer: Disse kondensatorer har samme funktion som AC harmoniske filterkondensatorer i niveau 1- og niveau 2-solopladere. De absorberer transienter og filtrerer de harmoniske strømme, der genereres af DC/DC IGBT-skiftetrinet i opladeren, og udjævner udgangsspændingen. Disse kondensatorer skal kombinere lav ESR med høj rippel-strømkapacitet.

Figur 2: Netdrevne Level 3 DC-opladere kræver komponenter, der kan håndtere høje strømme og spændinger. (Billedkilde: Cornell Dubilier Electronics)

Kondensatorer til niveau 1 og 2 PV EV-opladere

Filtrering af DC-indgang: Cornell Dubilier tilbyder designere flere aluminium elektrolytkondensatorer til filtrering af DC-indgangen på niveau 1- og niveau 2-elektrocykelopladere, herunder DCMC-kondensatorer med skrueterminaler og 380LX/382LX +85 °C og 381LX/383LX +105 °C snap-in-kondensatorer (figur 3). DCMC-kondensatorer spænder fra 110 µF til 2,7 F, spændinger på op til 550 volt, et driftstemperaturområde på -40 °C til +85 °C og kan håndtere høje rippel-strømme. Type 380LX-kondensatorer har en belastningslevetid på 3.000 timer ved fuld belastning ved +85 °C, mens 381XL-kondensatorer har en belastningslevetid på 3.000 timer ved fuld belastning ved +105 °C. 380LX/382LX- og 381LX/383LX-kondensatorerne er tilgængelig med 2, 4 og 5-ben for at understøtte sikker og præcis montering på PCB-kort.

Figur 3: 381LX og de tilhørende kondensatorer har snap-in PC-kort tilslutninger. (Billedkilde: Cornell Dubilier Electronics)

DC-linking: Til DC-linking kan designere vælge mellem aluminiums-elektrolytter af typen 550C som 550C562T400DP2B og metaliserede filmkondensatorer i 947D-serien som 947D601K901DCRSN. 550C-serien har en levetid på over 100.000 timer i typiske applikationer og op til 20.000 timer ved drift ved +85 °C. 550C-kondensatorer har ESR ned til 7 milliohm (mΩ) og har skrueterminaler til fastgørelse på et PC-kort eller en busbar og kan håndtere høje rippel-strømme.

947D-serien kombinerer høj kapacitet og meget høj rippel-strømskapacitet, der er nødvendig for inverterdesigns. Disse kondensatorer er tilgængelig med spændinger fra 900 til 1.300 V_DC. De er normeret til 7.000 timers drift ved +85 °C og har en forventet levetid på 350.000 timer ved +60 °C kernetemperatur og fuld nominel spænding.

Harmonisk filtrering af AC-udgange: For at sikre filtrering af harmoniske AC-udgange i barske miljøer kan designere anvende AEC-Q200-kvalificerede AC-filterkondensatorer af typen ALH-serien. Sammenlignet med standardkondensatorer har disse kondensatorer en 50 % længere levetid baseret på accelereret 85/85 temperatur-fugt-bias-test (THB). De har høje RMS-strømværdier (root-mean-square), hvilket gør dem velegnede til at håndtere harmoniske overtoner af højere orden i højfrekvens IGBT-baserede invertere. Kapacitansområderne er fra 0,22 til 50 mikrofarads (µF) ved 160 til 450 V_AC, 50/60 Hertz (Hz). Disse selvhelbredende, metalliserede polypropylen-filmkondensatorer leveres i en robust kortmonterings-pakning (figur 4) og har et driftstemperaturområde på -40 °C til +105 °C. Kondensatorer i ALH-serien har en forventet levetid på 100.000 timer ved nominel spænding og en hotspot-temperatur på +70 °C.

Figur 4: ALH-seriens AC-filterkondensatorer giver filtrering af AC-harmoniske udgangsstrømme i barske miljøer, er selvhelbredende og er designet til gennemgående hulmontering på PC-kort. (Billedkilde: Cornell Dubilier Electronics)

Superkondensatorer: Til konstruktioner, der har brug for de øjeblikkelige strømstød, som superkondensatorer kan levere, tilbyder Cornell Dubilier DGH-serien og DSF-serien. DGH-serien omfatter 21 forskellige værdi-/spændingskombinationer med en kapacitet fra 0,5 til 600 F og en spænding fra 2,7 til 5,5 arbejdsvolt DC (WV_DC). DSF-superkondensatorer giver en højere 3,0 WV_DC for en enkelt komponent og en 6,0 WV_DC for en dobbelt enhed (figur 5). Denne højere spændingsspecifikation resulterer i en 24 % højere energitæthed. DSF-serien omfatter 17 forskellige værdi/spændingskombinationer, med en kapacitet fra 1,5 F til 600 F. Begge serier er klassificeret til 500.000 cyklusser. De er tilgængelig med et valg af hulmonterende ledere eller snap-in ledere til integration i PCB-kort.

Figur 5: DSF-superkondensatorer er tilgængelig som dobbelt og enkelt enhed. (Billedkilde: Cornell Dubilier Electronics)

Kondensatorer til niveau 3-opladere

AC-indgang og harmonisk filtrering: Til de høje effektniveauer, der understøttes af niveau 3 DC-opladere, kan designere henvende sig til PFCH-serien af trefasede seriekondensatorer, som PFCHXX48D20S108T, der er normeret til 76,8 µF og 480 V_AC og er designet til filtrering af harmoniske AC-indgange. Disse kondensatorer består af tre selvhelbredende metalliserede polypropylenviklinger, der er forbundet i en deltakonfiguration og indkapslet i et cylindrisk aluminiumhus. De har en levetid på 60.000 timer med en overlevelsesrate på 94 % og en FIT-rating (failure-in-time) på ≤300 X 10⁹ komponenttimer. De omfatter en trykafbryder, der afbryder alle tre faser i tilfælde af udtjent kondensator eller overbelastning. De opfylder ANSI/IEEE Standard 18 og har en maksimal kortslutnings-strømstyrke på 10 kiloampere (kA) i henhold til UL 810.

DC-link: DC-link kondensatorer omfatter BLH DC-link kondensatorer designet til montering på PCB-kort, der er testet i 1.500 timer ved +85°C / 85% relativ luftfugtighed med nominel spænding, og 474-serien, som f.eks. filmkondensatoren 474PMB122KSP2 med 0,47 µF, 1,2 kilovolt DC (kV_DC), der er designet til direkte montering på IGBT-moduler for at levere DC-linking og filtrering.

BLH-kondensatorer er beregnet til drift fra -40 °C til +105 °C med en nominel spænding, der over +85 °C reduceres med 1,35 % pr. °C, og de opfylder kravene i IEC 61071 og AEC- Q200. Kondensatorer i 474-serien som 474PMB122KSP2 er beregnet til drift fra -40 °C til +100 °C, hvor DC falder med 1,5 % og AC falder med 2,5 % pr. °C over +85 °C.

Filtrering af DC-udgang: 944U-serien af filmkondensatorer med høj strømstyrke omfatter enheder, der er klassificeret til 800, 1000, 1200 og 1400 V_DC, med kapacitansværdier fra 33 µF til 220 µF og RMS-strømværdier på op til 75 A ved +55 °C. Den høje rippel-kapacitet er et resultat af den interne konstruktion med lav induktans i disse metalliserede polypropylen kondensatorer. De er pakket i en lavprofil UL94V0 flammehæmmende kasse med lav profil, der er 84,5 mm i diameter, med monteringsflanger i bunden og M8 gevindskrueterminaler (Figur 6). Afhængigt af klassificeringerne er sagshøjden 40 mm, 51 mm eller 64 mm.

Figur 6: Skrueforbindelserne på 944U-filmkondensatorer kan bruges til PCB-kort- eller busbar-forbindelser. (Billedkilde: Cornell Dubilier Electronics)

Konklusion

Som det fremgår, kræver opladere til elbiler en lang række kondensatortyper for at sikre pålidelig og effektiv drift. Cornell Dubilier tilbyder et bredt udvalg af kondensatortyper og monteringsformer til at støtte design og konstruktion af højtydende ladere til niveau 1-, 2- og 3-applikationer.