Hoe condensators selecteren en toepassen voor efficiënte, betrouwbare en duurzame EV-laders

Laders voor elektrische voertuigen (EV's) zijn er in verschillende spannings- en vermogensniveaus, maar ze vertrouwen allemaal op condensatoren voor functies als DC-ingangsfiltering, DC-koppeling, AC-harmonische filtering, DC-uitgangsfiltering, en in sommige ontwerpen worden supercondensatoren gebruikt in combinatie met batterij-energieopslag en zonne-inverters. Aangezien EV-laders vaak buiten of in andere ruwe omgevingen worden geplaatst, staan ontwerpers voor de uitdaging om eerst het prestatieprofiel van de condensator te bepalen en vervolgens het juiste type condensator te selecteren om aan de veeleisende betrouwbaarheidskenmerken te voldoen.

Ontwerpers moeten ervoor zorgen dat de condensator fysiek robuust is met brede bedrijfstemperaturen en een lange levensduur. De condensatoren moeten compact zijn en grote rimpelstromen aankunnen zonder oververhitting of prestatieverlies, en zij moeten voldoen aan de elektrische en mechanische eisen van AEC-Q200, alsmede aan de prestatie-eisen van de Internationale Elektrotechnische Commissie (IEC) 61071, en sommige moeten voldoen aan ANSI/IEEE-norm 18.

Om aan de uiteenlopende behoeften van deze circuittoepassingen te voldoen, kunnen ontwerpers zich wenden tot een verscheidenheid aan condensatortechnologieën, zoals vermogensfilmcondensatoren, aluminium elektrolytische condensatoren en supercondensatoren, waaronder ontwerpen met lage inductie, condensatoren met hoge rimpelspanning, hoge bedrijfstemperaturen, zelfherstellende capaciteiten, AEC-Q200 kwalificaties die voldoen aan IEC 61071, en supercondensatoren met een lage equivalente serieweerstand (ESR).

Dit artikel definieert de verschillende laadniveaus en bespreekt de circuittoepassingen voor condensatoren in inverters voor zonne-energie op basis van deze niveaus. Vervolgens worden voorbeelden gegeven van ingangsfiltering, vermogen-film DC-link, AC harmonische filtering, en uitgangsfilteringscondensators en supercondensators van Cornell Dubilier Electronics geschikt voor een verscheidenheid aan EV-lader ontwerpen, samen met verpakkingsopties voor het integreren van deze condensatores in printplaten (pc boards), ze te bevestigen aan busbars, of ze rechtstreeks te verbinden met geïsoleerde gate bipolaire transistor (IGBT) modules om een succesvol ontwerp te garanderen.

Ladniveaus en -vereisten voor EV

Er zijn drie oplaadniveaus voor EV's: Niveau 1 residentieel opladen levert 120 volt wisselstroom (_VAC); niveau 2 residentieel en publiek opladen levert 208/240 _VAC stroom; en niveau 3 commerciële en publieke opladers leveren 400 tot 900 volt gelijkstroom (_VDC) stroom voor DC-snelladen en -superchargen. Sommige laders van niveau 1 en niveau 2 zijn gebaseerd op zonne-inverters en energieopslag in batterijen.

De steeds vaker voorkomende zonne-energieladers van niveau 1 en niveau 2 omvatten een gelijkstroom-naar-gelijkstroomconvertor (DC-DC) en een DC-AC-inverter. Zij hebben een verscheidenheid aan hoogwaardige condensatoren nodig die zijn ontworpen voor gebruik in zware elektrische omstandigheden en die voldoen aan de normen AEC-Q200 en IEC 61071, waaronder de in Afbeeding 1 getoonde typen:

• DC-ingangsfilter en DC-schakelcondensators: Deze laders hebben DC-ingangsfilter en DC-schakelcondensators met lage inductie nodig die geoptimaliseerd zijn voor toepassingen met een gemiddeld vermogen. Zij kunnen profiteren van het gebruik van condensatoren met waarden tot 1 Farad (F) of meer, en een lage equivalente serieweerstand (ESR) om de interne verwarming tot een minimum te beperken.
• AC-uitgangsfiltercondensators: Op IGBT gebaseerde geschakelde vermogensinverters kunnen een hoge harmonische inhoud en totale harmonische vervorming (THD) produceren, die moeten worden gefilterd met AC-uitgangsfiltercondensators. Indien niet voldoende gefilterd, kunnen de harmonischen de AC-uitgangsgolfvorm vervormen.
• Supercondensators: De toevoeging van supercondensators kan bijzonder nuttig zijn in niveau 1- en niveau 2-laders op zonne-energie om het systeem te helpen zich aan te passen aan veranderingen in de zonnestraling wanneer wolken de relatief kleine zonnepanelen belemmeren, wat resulteert in pieken en dalen in het uitgangsvermogen. In deze systemen kan de verhouding tussen piekvermogen en gemiddeld vermogen een uitdaging vormen voor systemen die alleen op batterijen werken. De combinatie van supercondensators en batterijen kan resulteren in een systeem met een hogere vermogensdichtheid.

Afbeelding 1: Een verscheidenheid aan condensators en supercondensators is nodig voor inverter EV-laders op zonne-energie. (Bron afbeelding: Cornell Dubilier Electronics)

Condensatoren zijn ook belangrijk bij het ontwerp van gelijkstroom-snelladers van niveau 3 die AC-DC-stroomconversie gebruiken. Net als niveau 1- en niveau 2-laders hebben DC-snelladers tussenkringcondensators nodig. De tussenkringcondensators in gelijkstroom-snelladers zijn apparaten met een hoger vermogen en hebben gewoonlijk een hogere spanning. Bovendien hebben laders van niveau 3 AC-ingangsfiltercondensators en DC-uitgangsfiltercondensators nodig (Afbeelding 2):

• AC-ingangsfiltercondensators: Om hogere vermogens te ondersteunen, zijn deze condensators vaak anders verpakt dan apparaten die zijn ontworpen voor een lager vermogen. Bijvoorbeeld, terwijl filtercondensators met een lager vermogen in laders van niveau 1 en 2 snap-in-aansluitingen kunnen hebben voor snelle bevestiging op printplaten of soldeerbare pennen, hebben condensatoren die worden gebruikt in DC-snelladers van niveau 3 vaak schroefaansluitingen die rechtstreeks op krachtige busbars worden bevestigd. Van de ingangscondensators voor laders van niveau 3 kan worden verlangd dat zij voldoen aan ANSI/IEEE-norm 18.
• DC-uitgangsfiltercondensators: Deze condensators hebben een soortgelijke functie als de AC harmonische filtercondensators in zonne-energie laders van niveau 1 en 2. Zij absorberen transiënten en filteren de harmonische stromen die door de DC-DC IGBT-schakelfase van het laadapparaat worden gegenereerd, waardoor de uitgangsspanning wordt afgevlakt. Deze condensators moeten een lage ESR combineren met een hoge rimpelstroom.

Afbeelding 2: Netaangedreven gelijkstroomladers van niveau 3 vereisen componenten die hoge stromen en spanningen aankunnen. (Bron afbeelding: Cornell Dubilier Electronics)

Condensators voor PV EV-laders van niveau 1 en 2

DC-ingangsfiltering: Cornell Dubilier biedt ontwerpers verschillende opties voor aluminium elektrolytische condensators voor DC-ingangsfiltering op EV-laders van niveau 1 en niveau 2, waaronder de DCMC-schroefcondensators en de 380LX/382LX +85 °C en de 381LX/383LX +105 °C snap-in condensators (Afbeelding 3). DCMC-condensators variëren van 110 µF tot 2,7 F, spanningen tot 550 volt, een bedrijfstemperatuurbereik van -40 °C tot +85 °C, en kunnen hoge niveaus van rimpelstroom aan. Type 380LX-condensators hebben een levensduur van 3000 uur bij volle belasting bij +85 °C, terwijl 381XL-condensators een levensduur hebben van 3000 uur bij volle belasting bij +105 °C. De 380LX/382LX- en 381LX/383LX-condensators zijn verkrijgbaar met 2, 4 en 5-pins stijlen voor een veilige en nauwkeurige montage op printplaten.

Afbeeelding 3: De 381LX en bijbehorende condensators hebben snap-in printplaatverbindingen. (Bron afbeelding: Cornell Dubilier Electronics))

DC-koppeling: Voor DC-koppeling kunnen ontwerpers kiezen uit aluminium elco's van het type 550C zoals de 550C562T400DP2B en gemetalliseerde filmcondensators van de 947D-serie zoals de 947D601K901DCRSN. De 550C-serie heeft een levensduur van meer dan 100.000 uur in typische toepassingen en tot 20.000 uur bij +85 °C. 550C-condensators hebben ESR's tot 7 milliohms (mΩ) en zijn voorzien van schroefklemmen voor bevestiging op een printplaat of busbar, en kunnen hoge rimpelstromen aan.

De 947D-serie combineert een hoge capaciteit met een zeer hoge rimpelstroom die nodig is voor inverterontwerpen. Deze condensators zijn verkrijgbaar met spanningswaarden van 900 tot 1300 V_DC. Ze zijn berekend op 7.000 bedrijfsuren bij +85 °C en hebben een levensduur van 350.000 uur bij +60 °C kerntemperatuur en volledige nominale spanning.

AC uitgangsharmonische filtering: Om AC uitgangsharmonische filtering in ruwe milieu's te verstrekken, kunnen de ontwerpers zich tot AEC-Q200 gekwalificeerde type ALH-serie AC-filtercondensators wenden. Vergeleken met standaardcondensators hebben deze condensators een 50% langere levensduur, gebaseerd op versnelde 85/85 temperatuur-vochtigheids-bias (THB) tests. Ze hebben hoge RMS-stroomwaarden, waardoor ze geschikt zijn voor de verwerking van harmonischen van hogere orde in hoogfrequente IGBT-inverters. Het capaciteitsbereik loopt van 0,22 tot 50 microfarads (µF) bij 160 tot 450 V_AC, 50/60 Hertz (Hz). Deze zelfherstellende, gemetalliseerde polypropyleenfilmcondensators worden geleverd in een robuuste printplaatverpakking (Afbeelding 4) en hebben een bedrijfstemperatuurbereik van -40 °C tot +105 °C. De condensatoren van de ALH-serie hebben een levensduur van 100.000 uur bij nominale spanning en een hotspottemperatuur van +70 °C.

Afbeelding 4: De AC-filtercondensators van de ALH-serie zorgen voor AC-harmonische uitgangsfiltering in ruwe omgevingen, zijn zelfherstellend, en zijn ontworpen voor gaatjesmontage op printplaten. (Bron afbeelding: Cornell Dubilier Electronics))

Supercondensators: Voor ontwerpen die onmiddellijke energie-uitbarstingen nodig hebben die supercondensators kunnen leveren, biedt Cornell Dubilier de DGH-serie en de DSF-serie. De DGH-serie omvat 21 verschillende waarde/spanning combinaties, variërend in capaciteit van 0,5 F tot 600 F, met spanningswaarden van 2,7 tot 5,5 volt DC (_WVDC). DSF-supercondensators bieden een hogere 3,0 _WVDC voor een enkele component en een 6,0 _WVDC voor een dubbele component (Afbeelding 5). Deze hogere spanningsspecificatie resulteert in een 24% hogere energiedichtheid. De DSF-serie omvat 17 verschillende waarde/spanning combinaties, variërend in capaciteit van 1,5 F tot 600 F. Beide series zijn berekend op 500.000 cycli. Ze zijn verkrijgbaar met een keuze uit doorvoerkabels of snap-in kabels voor integratie in printplaten.

Afbeelding 5: De DSF-supercondensators zijn verkrijgbaar als dubbele en enkele apparaten. (Bron afbeelding: Cornell Dubilier Electronics))

Condensators voor laders van niveau 3

AC-ingang en harmonische filtering: Voor de hoge vermogensniveaus die door DC-laders van niveau 3 worden ondersteund, kunnen ontwerpers zich wenden tot de PFCH-serie driefasige seriecondensators, zoals de PFCHX48D20S108T, die een nominale waarde heeft van 76,8 µF en 480 _VAC en ontworpen is voor het filteren van AC-ingangsharmonischen. Deze condensators bestaan uit drie zelfherstellende gemetalliseerde polypropyleenwikkelingen die in een delta-configuratie zijn aangesloten en in een cilindrische aluminium behuizing zijn opgesloten. Ze hebben een levensduur van 60.000 uur met een overlevingspercentage van 94% en een FIT-waarde (failure-in-time) van ≤300 X 10⁹ componenturen. Ze bevatten een drukonderbreker die alle drie de fasen uitschakelt in geval van het einde van de levensduur van de condensator of overbelasting. Ze voldoen aan ANSI/IEEE Standard 18 en hebben een maximale kortsluitstroom van 10 kiloamperes (kA) volgens UL 810.

DC-koppeling: Tot de DC-koppelingscondensators behoren de BLH DC Link-condensators voor printplaatmontage die 1500 uur getest zijn bij +85 °C / 85% relatieve vochtigheid met toegepaste nominale spanning, en de 474-serie, zoals de 0,47 µF, 1,2 kilovolt DC (_kVDC) 474PMB122KSP2-filmcondensator die ontworpen is voor directe montage op IGBT-modules voor DC linking en filtering.

BLH-condensators zijn geschikt voor gebruik bij temperaturen van -40 °C tot +105 °C, waarbij de nominale spanning boven +85 °C met 1,35% per °C wordt verlaagd, en ze voldoen aan de eisen van IEC 61071 en AEC- Q200. 474-serie condensators zoals de 474PMB122KSP2 zijn berekend op een bedrijfstemperatuur van -40 °C tot +100 °C, waarbij de gelijkspanning met 1,5% en de wisselspanning met 2,5% per °C boven +85 °C wordt verlaagd.

DC-uitgangsfiltering: De 944U-serie hoge-stroom filmcondensators omvat apparaten voor 800, 1000, 1200 en 1400 V_DC, met capaciteitswaarden van 33 µF tot 220 µF en RMS-stroomwaarden tot 75 A bij +55 °C. Het hoge rimpelingsvermogen is een gevolg van de interne constructie met lage inductie van deze gemetalliseerde polypropyleencondensators. Ze zijn verpakt in een laagprofiel UL94V0 brandvertragende behuizing met een diameter van 84,5 millimeter (mm), met montageflenzen aan de basis en M8-draadeinden (Afbeelding 6). Afhankelijk van de rating is de kasthoogte 40 mm, 51 mm of 64 mm.

Afbeelding 6: De schroefverbindingen van 944U-filmcondensators kunnen worden gebruikt voor printplaat- of busbarverbindingen. (Bron afbeelding: Cornell Dubilier Electronics))

Conclusie

Zoals blijkt, vereisen EV-laders een brede waaier van condensatortypes voor een betrouwbare en efficiënte werking. Cornell Dubilier biedt een brede selectie van condensatortypes en montagestijlen ter ondersteuning van het ontwerp en de bouw van krachtige laders voor niveau 1, 2 en 3 toepassingen.