Jak vybrat a použít kondenzátory k zajištění účinných, spolehlivých a udržitelných nabíječek EV

Nabíječky pro elektrická vozidla (EV) se dodávají s různými úrovněmi napětí a výkonu, ale všechny spoléhají na kondenzátory, které plní funkce, jako například filtrování stejnosměrného vstupu, stejnosměrné meziobvody, filtrování harmonických střídavých proudů, filtrování stejnosměrného výstupu a v některých provedeních se superkondenzátory používají v kombinaci s bateriovým úložištěm energie a solárními invertory. Vzhledem k tomu, že nabíječky pro elektromobily jsou často umístěny venku nebo v jiných náročných prostředích, musí konstruktéři nejprve určit výkonnostní profil kondenzátoru a poté vybrat vhodný typ kondenzátoru, který splňuje náročné charakteristiky spolehlivosti.

Konstruktéři musí zajistit, aby byl kondenzátor fyzicky odolný a aby měl široký rozsah provozních teplotních parametrů a dlouhou provozní životnost. Kondenzátory musí být kompaktní a musí být schopné zvládnout velké proudové vlny bez přehřívání a bez snížení výkonu. Také musí splňovat elektrotechnické a mechanické požadavky normy AEC-Q200, stejně jako požadavky na výkon podle normy Mezinárodní elektrotechnické komise (IEC) 61071, a některé kondenzátory musí splňovat normu ANSI/IEEE 18.

Aby se zajistilo uspokojení různorodých potřeb aplikací těchto obvodů, mohou návrháři využít různé technologie kondenzátorů, jako například výkonové fóliové kondenzátory, hliníkové elektrolytické kondenzátory a superkondenzátory, včetně konstrukcí s nízkou indukčností, kondenzátory s vysokým zvlněním jmenovitého proudu, vysokými provozními teplotami, samoopravnými schopnostmi, kvalifikací AEC-Q200 v souladu s požadavky normy IEC 61071 a superkondenzátory s nízkým ekvivalentním sériovým odporem (ESR).

Tento článek definuje různé úrovně nabíjení a přezkoumává aplikace obvodů pro kondenzátory v solárních měničích na základě těchto úrovní. Dále uvádí příklady filtrování vstupu, stejnosměrné meziobvody výkonových fólií, filtrování střídavých harmonických proudů a výstupních filtračních kondenzátorů a superkondenzátorů značky Cornell Dubilier Electronics vhodných pro různé konstrukce nabíječek EV, spolu s možnostmi balení pro integraci těchto kondenzátorů do desek plošných spojů, jejich připojení k přípojnicím nebo jejich přímého připojení k modulům bipolárních tranzistorů s izolovaným hradlem (IGBT) pro zajištění úspěšného návrhu.

Úrovně a požadavky pro nabíjení EV

Existují tři úrovně nabíjení EV: Úroveň 1: nabíjení v domácnostech poskytuje napájení o napětí 120 voltů střídavého proudu (V_AC); Úroveň 2: bytové a veřejné nabíjení poskytuje napájení 208/240 V_AC; a Úroveň 3: komerční a veřejné nabíječky poskytují stejnosměrný napájecí proud o napětí 400 až 900 voltů (V_DC) pro stejnosměrné rychlé nabíjení a supercharging. Některé nabíječky úrovně 1 a úrovně 2 jsou založeny na solárních měničích a akumulátoru pro ukládání energie.

Stále běžnější solární nabíječky úrovně 1 a úrovně 2 zahrnují měnič stejnosměrného proudu na stejnosměrný proud (DC-DC) a střídač stejnosměrného proudu na střídavý proud (DC-AC). Vyžadují různé vysoce výkonné kondenzátory, které byly navrženy pro použití v náročných elektrických podmínkách a které splňují normy AEC-Q200 a IEC 61071, včetně typů znázorněných na Obrázku 1:

• Vstupní stejnosměrný filtr a kondenzátory pro stejnosměrné meziobvody: Tyto nabíječky potřebují vstupní stejnosměrný filtr s nízkou indukčností a kondenzátory pro stejnosměrné meziobvody, které byly optimalizovány pro aplikace se středním výkonem. Mohou využívat kondenzátory s hodnotami až 1 Farad (F) nebo více a s nízkým ekvivalentním sériovým odporem (ESR), aby se minimalizovalo vnitřní zahřívání.
• Filtrační kondenzátory AC výstupu: Spínané výkonové měniče na bázi IGBT mohou produkovat vysoký obsah harmonických složek a celkové harmonické zkreslení (THD), které je nutné filtrovat pomocí filtračních kondenzátorů AC výstupu. Pokud není dostatečně filtrováno, mohou harmonické složky zkreslit výstupní střídavý průběh křivky.
• Superkondenzátory: Přidání superkondenzátorů může být zvláště výhodné u solárně napájených nabíječek úrovně 1 a úrovně 2, protože pomohou systému přizpůsobit se změnám slunečního záření, když mraky zacloní relativně malé solární panely, což má za následek špičky a poklesy výstupního výkonu. V těchto systémech může poměr mezi špičkovým výkonem a průměrným výkonem zpochybňovat systémy, které jsou pouze na baterie. Výsledkem kombinace superkondenzátorů a baterií může být systém s vyšší hustotou výkonu.

Obrázek 1: Pro solárně napájené invertorové nabíječky EV jsou potřeba různé kondenzátory a superkondenzátory. (Zdroj obrázku: Cornell Dubilier Electronics)

Kondenzátory jsou důležité také při návrhu stejnosměrných rychlonabíječek úrovně 3, které používají konverzi AC-DC napájení. Stejně jako nabíječky úrovně 1 a úrovně 2, také stejnosměrné rychlo nabíječky potřebují kondenzátory stejnosměrného meziobvodu. Kondenzátory stejnosměrného meziobvodu ve stejnosměrných rychlonabíječkách jsou zařízení s vyšším výkonem a obvykle mají vyšší jmenovité napětí. Kromě toho nabíječky úrovně 3 potřebují filtrační kondenzátory AC vstupu a filtrační kondenzátory DC výstupu (Obrázek 2):

• Filtrační kondenzátory AC vstupu: Pro podporu vyšších úrovní výkonu jsou tyto kondenzátory často zabaleny jinak než zařízení navržená pro nižší spotřebu energie. Například zatímco filtrační kondenzátory s nižším výkonem v nabíječkách úrovně 1 a 2 mohou mít pro rychlé připojení k deskám plošných spojů zaklapávací zakončení nebo pájitelné kolíky, kondenzátory používané v DC rychlonabíječkách úrovně 3 mají často šroubové svorky, které se připojují přímo k přípojnicím s vysokým výkonem. Vstupní kondenzátory pro nabíječky úrovně 3 mohou být nutné pro splnění požadavků normy ANSI/IEEE 18.
• Filtrační kondenzátory DC výstupu: Tyto kondenzátory mají podobnou funkci jako kondenzátory AC filtru harmonických v solárních nabíječkách úrovně 1 a úrovně 2. Absorbují přechodové jevy a filtrují harmonické proudy generované spínacím stupněm nabíječky DC-DC IGBT, čímž vyhlazují výstupní napětí. Tyto kondenzátory potřebují kombinovat nízké ESR s vysokou kapacitou zvlnění proudu.

Obrázek 2: Stejnosměrné nabíječky úrovně 3 napájené ze sítě vyžadují komponenty, které dokážou zvládnout vysoké proudy a napětí. (Zdroj obrázku: Cornell Dubilier Electronics)

Kondenzátory pro PV (fotovoltaické) nabíječky EV úrovně 1 a úrovně 2

Filtrování DC vstupu: Společnost Cornell Dubilier nabízí návrhářům několik možností hliníkových elektrolytických kondenzátorů pro filtrování stejnosměrného vstupu na nabíječkách EV úrovně 1 a úrovně 2, včetně kondenzátorů DCMC se šroubovými svorkami a zaklapávacích kondenzátorů 380LX/382LX +85°C a 381LX/383LX +105°C (Obrázek 3). Kondenzátory DCMC mají rozsah od 110 µF do 2,7 F, napětí až 550 voltů, rozsah provozních teplot -40 °C až +85 °C a zvládnou vysoké úrovně zvlnění proudu. Kondenzátory typu 380LX mají životnost 3 000 hodin (h) při plném zatížení při +85 °C, zatímco kondenzátory 381XL mají životnost 3 000 hodin při plném zatížení při +105 °C. Kondenzátory 380LX/382LX a 381LX/383LX jsou k dispozici ve 2, 4 a 5pinovém provedení pro podporu bezpečné a přesné montáže na desky plošných spojů.

Obrázek 3: 381LX a související kondenzátory mají zaklapávací připojení k desce plošných spojů. (Zdroj obrázku: Cornell Dubilier Electronics)

Stejnosměrné meziobvody: Pro stejnosměrné meziobvody mohou konstruktéři vybírat z hliníkových elektrolytů typu 550C, jako například řada 550C562T400DP2B a metalizované fóliové kondenzátory řady 947D jako např. 947D601K901DCRSN. Řada 550C má životnost více než 100 000 hodin v typických aplikacích a až 20 000 hodin v provozu při +85 °C. Kondenzátory 550C mají ESR od 7 miliohmů (mΩ), jsou vybaveny šroubovacími svorkami pro připojení k desce plošných spojů nebo přípojnici a zvládnou vysoké zvlněné proudy.

Řada 947D kombinuje vysokou kapacitu a schopnost velmi vysokého zvlnění proudu potřebnou pro konstrukce měničů. Tyto kondenzátory jsou k dispozici s jmenovitým napětím od 900 do 1 300 V_DC. Jsou dimenzovány na 7 000 hodin provozu při +85 °C. Při teplotě jádra +60 °C a při plném jmenovitém napětí mají předpokládanou životnost 350 000 hodin.

Filtrování harmonických na AC výstupu: Aby bylo možné zajistit filtrování harmonických na AC výstupu v náročných prostředích, mohou návrháři použít kvalifikovaný typ AC filtračních kondenzátorů AEC-Q200 řady ALH. Ve srovnání se standardními kondenzátory mají tyto kondenzátory na základě zrychleného testování 85/85 teplota-vlhkost-zkreslení (THB = temperature-humidity-bias) o 50 % delší životnost. Mají vysoké efektivní hodnoty proudu (RMS = root-mean-square), díky čemuž jsou vhodné pro zpracování vyšších řádů harmonických ve vysokofrekvenčních měničích na bázi IGBT. Rozsah kapacity je od 0,22 do 50 mikrofaradů (µF) při 160 až 450 V_AC, 50/60 Hertz (Hz). Tyto samoopravné kondenzátory s metalizovanou polypropylenovou fólií se dodávají v robustním obalu pro montáž na desku (Obrázek 4) a mají rozsah provozních teplot -40 °C až +105 °C. Kondenzátory řady ALH mají životnost 100 000 hodin při jmenovitém napětí a teplotě horkého bodu +70 °C.

Obrázek 4: AC filtrační kondenzátory řady ALH poskytují filtraci harmonických na AC výstupu v náročných prostředích, jsou samoopravné a jsou navrženy pro montáž na desku plošných spojů s průchozím otvorem. (Zdroj obrázku: Cornell Dubilier Electronics)

Superkondenzátory: Pro návrhy, které vyžadují okamžitý výkon, nabízí společnost Cornell Dubilier superkondenzátory řady DGH a řady DSF, které takový výkon mohou poskytnout. Řada DGH obsahuje 21 různých kombinací hodnoty/napětí, v rozsahu kapacity od 0,5 do 600 F, se jmenovitým napětím od 2,7 do 5,5 pracovních voltů DC (WV_DC). Superkondenzátory DSF nabízejí vyšší 3,0 WV_DC pro jednu komponentu a 6,0 WV_DC pro duální zařízení (Obrázek 5). Tato specifikace vyššího napětí poskytuje o 24 % vyšší hustotu energie. Řada DSF obsahuje 17 různých kombinací hodnoty/napětí v rozsahu kapacity od 1,5 F do 600 F. Obě řady jsou dimenzovány na 500 000 cyklů. Jsou k dispozici s výběrem průchozích vývodů nebo zásuvných vývodů pro integraci do desek plošných spojů.

Obrázek 5: Superkondenzátory DSF jsou k dispozici jako duální a jednotlivá zařízení. (Zdroj obrázku: Cornell Dubilier Electronics)

Kondenzátory pro nabíječky úrovně 3

Filtrování AC vstupu a harmonických: Pro vysoké úrovně výkonu podporované stejnosměrnými nabíječkami úrovně 3 mohou návrháři využít řadu třífázových sériových kondenzátorů PFCH, jako např. PFCHX48D20S108T, která je dimenzována na 76,8 µF a 480 V_AC a je určena pro filtraci harmonických na vstupu AC. Tyto kondenzátory se skládají ze tří samoopravných metalizovaných polypropylenových vinutí, která jsou zapojena do trojúhelníkové konfigurace a uzavřena ve válcovém hliníkovém pouzdře. Mají životnost 60 000 hodin s 94 % mírou výdrže a hodnocením selhání v čase (FIT) ≤ 300 x 10⁹ hodin pro komponentu. Obsahují přerušovač tlaku, který v případě konce životnosti nebo přetížení kondenzátoru odpojí všechny tři fáze. Splňují normu ANSI/IEEE 18 a mají maximální jmenovitý zkratový proud 10 kiloampér (kA) podle UL 810.

Stejnosměrné meziobvody: Možnosti kondenzátoru DC meziobvodu zahrnují kondenzátory BLH DC Link určené pro montáž na desku plošných spojů, které jsou testovány po dobu 1 500 hodin při +85 °C / 85 % relativní vlhkosti s aplikovaným jmenovitým napětím, a řadu 474, jako například fóliový kondenzátor 0,47 µF, 1,2 kV DC (kV_DC) 474PMB122KSP2, který je navržen pro přímou montáž na moduly IGBT za účelem zajištění DC meziobvodu a filtrování.

Kondenzátory BLH jsou dimenzovány pro provoz od -40 °C do +105 °C se jmenovitým napětím sníženým nad +85 °C o 1,35 % na °C a splňují požadavky norem IEC 61071 a AEC-Q200. Kondenzátory řady 474, jako například 474PMB122KSP2, jsou dimenzovány pro provoz od -40 °C do +100 °C, přičemž stejnosměrné napětí je sníženo o 1,5 % a střídavé napětí je sníženo o 2,5 % na °C nad +85 °C.

Filtrování stejnosměrného výstupu: Řada vysokoproudých fóliových kondenzátorů 944U zahrnuje zařízení dimenzovaná na 800, 1000, 1200 a 1400 V_DC se jmenovitými kapacitami od 33 µF do 220 µF a jmenovitými proudy RMS do 75 A při +55 °C. Vysoká schopnost zvlnění je výsledkem nízkoindukční vnitřní konstrukce těchto metalizovaných polypropylenových kondenzátorů. Jsou zabaleny v nízkoprofilovém nehořlavém pouzdře UL94V0 o průměru 84,5 milimetrů (mm), s montážními přírubami na základně a závitovými šroubovými svorkami M8 (Obrázek 6). Výšky pouzdra jsou v závislosti na jmenovitých hodnotách 40 mm, 51 mm nebo 64 mm.

Obrázek 6: Šroubové spoje fóliových kondenzátorů 944U lze použít pro připojení k desce plošných spojů nebo přípojnici. (Zdroj obrázku: Cornell Dubilier Electronics)

Závěr

Jak bylo uvedeno, nabíječky EV vyžadují širokou škálu typů kondenzátorů, aby byl zajištěn spolehlivý a účinný provoz. Značka Cornell Dubilier nabízí široký výběr typů kondenzátorů a stylů montáže na podporu návrhu a konstrukce vysoce výkonných nabíječek pro aplikace úrovně 1, 2 a 3.