Hur man väljer och använder kondensatorer för att säkerställa effektiva, tillförlitliga och hållbara laddare för elfordon

Laddare för elfordon finns med olika spännings- och effektnivåer, men alla förlitar sig på kondensatorer för att utföra funktioner såsom filtrering av DC-inspänning, filtrering av harmoniska övertoner, filtrering av DC-utspänning samt DC-länkning, och i vissa konstruktioner används superkondensatorer i kombination med batterilagring och växelriktare för solceller. Eftersom laddare för elfordon ofta placeras utomhus eller i andra tuffa miljöer måste konstruktörerna först fastställa kondensatorns egenskaper avseende prestanda och därefter välja lämplig kondensator för att uppfylla krävande tillförlitlighetsegenskaper.

Konstruktörerna måste se till att kondensatorn är fysiskt robust, har en bred driftstemperatur och lång livslängd. Kondensatorerna måste vara kompakta och kunna hantera mycket rippel utan överhettning eller försämrad prestanda, och de måste uppfylla de elektriska och mekaniska kraven i enlighet med AEC-Q200, liksom prestandakraven i IEC 61071 (International Electrotechnical Commission) och vissa måste uppfylla ANSI/IEEE Standard 18.

För att uppfylla de olika behoven i kretstillämpningarna kan konstruktörer använda sig av en mängd olika tekniker, t.ex. filmkondensatorer för hög effekt, elektrolytkondensatorer av aluminium och superkondensatorer, inklusive konstruktioner med låg induktans, kondensatorer med en hög klassificering för rippel, höga driftstemperaturer, självläkande egenskaper, godkännande enligt AEC-Q200 som uppfyller standarden IEC 61071 och superkondensatorer med låg ekvivalent serieresistans (ESR).

Artikeln definierar de olika nivåerna för laddning och går igenom kretstillämpningar för kondensatorer i växelriktare för solceller som bygger på dessa nivåer. Därefter presenteras exempel på ingångsfiltering, DC-länk, filtrering av harmoniska övertoner, kondensatorer med filtrering av utspänning och superkondensatorer från Cornell Dubilier Electronics som lämpar sig för olika typer av elfordonsladdare tillsammans med lösningar för att integrera dessa kondensatorer på kretskort, fästa dem på kopplingsskenor eller ansluta dem direkt till IGBT-moduler (isolated gate bipolar transistor) för att säkerställa en bra konstruktion.

Nivåer och krav för laddning av elfordon

Det finns tre nivåer för laddning av elfordon: Nivå 1 för hushållsladdning som ger 120 V_AC, nivå 2 för hushållsladdning och offentlig laddning som ger 208/240 V_AC, och nivå 3 för kommersiella och offentliga laddare som ger 400-900 V_DC för snabbladdning med likström och superladdning. Några av laddarna på nivå 1 och 2 är baserade på växelriktare för solceller och batterilagring.

De allt vanligare solcellsdrivna laddarna på nivå 1 och 2 innehåller en omvandlare från likström till likström (DC-DC) och en växelriktare från likström till växelström (DC-AC). De behöver en mängd olika högeffektiva kondensatorer som har tillverkats för användning i tuffa elektriska förhållanden och som uppfyller standarderna AEC-Q200 och IEC 61071, inklusive de modeller som visas i figur 1:

• Filterkondensatorer för DC-inspänning och kondensatorer för DC-länk: Laddarna behöver filterkondensatorer för DC-inspänning med låg induktans och kondensatorer för DC-länk som har optimerats för tillämpningar på medelhög effekt. De kan dra nytta av att använda kondensatorer med värden på upp till 1 Farad (F) eller mer och med låg ekvivalent serieresistans (ESR) för att minimera intern uppvärmning.
• Filterkondensatorer för AC-utspänning: Växelriktare som är baserade på IGBT kan ge upphov till höga övertoner och THD (total harmonisk distortion) som måste filtreras med hjälp av filterkondensatorer för AC-utspänning. Om de inte filtreras på ett lämpligt sätt kan övertonerna förvränga den AC-utspänningens vågform.
• Superkondensatorer: Inkluderingen av superkondensatorer kan vara särskilt fördelaktig i solcellsdrivna laddare på nivå 1 och 2 för att hjälpa systemet att anpassa sig till förändringar i solinstrålningen när moln blockerar de relativt små solpanelerna, vilket resulterar i toppar och dalar i uteffekten. I dessa system kan förhållandet mellan topp- och genomsnittseffekt utmana system som endast använder batterier. Kombinationen av superkondensatorer och batterier kan leda till ett system med högre effekttäthet.

Figur 1: En mängd olika kondensatorer och superkondensatorer behövs för solcellsdrivna växelriktare för elfordonsladdare. (Bildkälla: Cornell Dubilier Electronics)

Kondensatorer är också viktiga vid konstruktionen av DC-snabbladdare på nivå 3 som använder effektomvandling mellan växelström och likström. Liksom laddare på nivå 1 och 2 behöver DC-snabbladdare använda DC-länkkondensatorer. DC-länkkondensatorer i DC-snabbladdare är enheter med högre effekt och har vanligtvis högre spänningsnivåer. Dessutom behöver laddare på nivå 3 filterkondensatorer för AC-inspänning och filterkondensatorer för DC-utspänning (figur 2):

• Filterkondensatorer för AC-inspänning: För att klara högre effekt har dessa kondensatorer ofta andra typer av kapslingar jämfört med enheter som är utformade för lägre effekthantering. Medan filterkondensatorer med lägre effekt i laddare på nivå 1 och 2 kan ha snäppfästen för snabb montering på kretskort, eller lödbara stift, har kondensatorer som används i DC-snabbladdare på nivå 3 ofta skruvanslutningar som fästs direkt på samlingsskenor för hög effekt. Inspänningskondensatorer för laddare på nivå 3 kan behöva uppfylla ANSI/IEEE Standard 18.
• Filterkondensatorer för DC-utspänning: Dessa kondensatorer har en liknande funktion som filterkondensatorerna för harmoniska övertoner i solcellsdrivna laddare på nivå 1 och 2. De absorberar transienter och filtrerar strömmar som genereras av laddarens DC-DC IGBT-switchningssteg och jämnar ut utspänningen. Kondensatorerna måste kombinera låg ESR med hög kapacitet för rippel.

Figur 2: Nätanslutna DC-laddare, nivå 3, kräver komponenter som kan hantera hög ström och spänning. (Bildkälla: Cornell Dubilier Electronics)

Kondensatorer för PV-/EV-laddare på nivå 1 och 2

Filtrering av DC-inspänning: Cornell Dubilier tillhandahåller flera alternativ för elektrolytkondensatorer av aluminium till konstruktörer för filtrering av DC-inspänning i elfordonsladdare på nivå 1 och nivå 2 inklusive DCMC-kondensatorer med skruvanslutning och 380LX/382LX +85°C och 381LX/383LX +105°C kondensatorer med snäppfästen (figur 3). DCMC-kondensatorer har ett intervall från 110 µF till 2,7 F, spänning på upp till 550 V, ett drifttemperaturintervall från -40 °C till +85 °C och kan hantera höga nivåer av rippel. Kondensatorer av typen 380LX har en livslängd på 3 000 timmar med full belastning vid +85 °C, medan 381XL-kondensatorer har en livslängd på 3 000 timmar med full belastning vid +105 °C. Kondensatorerna 380LX/382LX och 381LX/383LX finns med 2, 4 och 5 stift för säker och noggrann montering på kretskort.

Figur 3: 381LX och liknande kondensatorer har snäppfästen för kretskortsanslutningar. (Bildkälla: Cornell Dubilier Electronics)

DC-länk: För DC-länk kan konstruktörer välja mellan elektrolytkondensatorer av aluminium av typen 550C, t.ex. 550C562T400DP2B, och metallfilmskondensatorer i 947D-serien, t.ex. 947D601K901DCRSN. 550C-serien har en livslängd på över 100 000 timmar i typiska tillämpningar och upp till 20 000 timmar vid en driftstemperatur på +85 °C. 550C-kondensatorer har ESR ned till 7 mΩ och har skruvanslutningar för att fästas på ett kretskort eller en samlingsskena och kan hantera högt rippel.

947D-serien kombinerar den höga kapacitans och mycket höga rippelkapacitet som krävs i konstruktioner för växelriktare. Kondensatorerna finns med spänningar från 900 till 1 300 V_DC. De är dimensionerade för 7 000 timmars drift vid +85 °C och har en förväntad livslängd på 350 000 timmar vid en kärntemperatur på +60 °C och full nominell spänning.

Filtrering av harmoniska övertoner: För att tillhandahålla filtrering av harmoniska övertoner i tuffa miljöer kan konstruktörer använda sig av AEC-Q200-godkända AC-filterkondensatorer i ALH-serien. Jämfört med standardkondensatorer har dessa kondensatorer 50 % längre livslängd baserat på accelererad 85/85 THB-testning (temperature-humidity-bias). De har höga RMS-märkströmmar (root-mean-square) som gör dem lämpliga för att hantera övertoner av högre ordning i högfrekventa IGBT-baserade växelriktare. Kapacitansområdet sträcker sig från 0,22 till 50 µF vid 160 till 450 V_AC, 50/60 Hz. Dessa självläkande, metallfilmskondensatorer av polypropen levereras i en robust kapsling för kretskortsmontering (figur 4) och har ett driftstemperaturområde på -40 °C till +105 °C. Kondensatorer i ALH-serien har en förväntad livslängd på 100 000 timmar vid nominell spänning och en temperatur på +70 °C.

Figur 4: ALH-seriens AC-filterkondensatorer filtrerar harmoniska övertoner i tuffa miljöer, är självläkande och utformade för hålmontering på kretskort. (Bildkälla: Cornell Dubilier Electronics)

Superkondensatorer: För konstruktioner som behöver den omedelbara kraft som superkondensatorer kan ge erbjuder Cornell Dubilier DGH-serien och DSF-serien. DGH-serien omfattar 21 olika kombinationer av värde/spänning, med en kapacitans från 0,5 till 600 F och en arbetsspänning från 2,7 till 5,5 VDC (WV_DC). Superkondensatorer ur DSF-serien ger 3 WV_DC högre för en enskild komponent och 6,0 WV_DC för en dubbel enhet (figur 5). Denna högre spänningsspecifikation ger 24 % högre energitäthet. DSF-serien innehåller 17 olika kombinationer av värde/spänning, med en kapacitans från 1,5 till 600 F. Båda serierna är dimensionerade för 500 000 cykler. Det finns varianter med komponentben för hålmontering eller snäppfästen för montering på kretskort.

Figur 5: DSF superkondensatorer finns som dubbla och enkla enheter. (Bildkälla: Cornell Dubilier Electronics)

Kondensatorer för laddare på nivå 3

AC-inspänning och filtrering av övertoner: För de höga effektnivåer som stöds av likströmsladdare på nivå 3 kan konstruktörerna använda sig av PFCH-serien med seriekondensatorer för trefas, som t.ex. PFCHXX48D20S108T, som är dimensionerad för 76,8 µF och 480 V_AC och är utformad för filtrering av övertoner på växelströmsingångar. Kondensatorerna består av tre självläkande metalliserade polypropenlindningar som är anslutna i en deltakonfiguration och inneslutna i ett cylindriskt aluminiumhölje. De har en livslängd på 60 000 timmar med en överlevnadsfrekvens på 94 % och en FIT-klassning (failure-in-time) på ≤300 X 10⁹ komponenttimmar. De har en trycksäkring som kopplar bort alla tre faserna i händelse av att kondensatorn har slutat att fungera eller om den överbelastas. De uppfyller ANSI/IEEE Standard 18 och har en maximal kortslutningsström på 10 kA enligt UL 810.

DC-länk: Valet av DC-länkkondensatorer innefattar Länkkondensatorer från BLH som är avsedda för montering på kretskort och som testats i 1 500 timmar vid +85 °C/85 % relativ luftfuktighet, med nominell spänning, och 474-serien, som t.ex. filmkondensatorn 474PMB122KSP2 med 0,47 µF, 1,2 kV_DC, som är avsedd för direktmontering på IGBT-moduler för att tillhandahålla DC-länkning och -filtrering.

BLH-kondensatorer är avsedda för drift från -40 °C till +105 °C med en nominell spänning som minskas med 1,35 % per °C vid temperatur överstigande +85 °C, och de uppfyller kraven i IEC 61071 och AEC- Q200. Kondensatorer i 474-serien, som t.ex. 474PMB122KSP2, är avsedda för drift från -40 °C till +100 °C, där likspänningen minskas med 1,5 % och växelspänningen med 2,5 % per °C överstigande +85 °C.

Filtrering av DC-utspänning: 944U-serien av filmkondensatorer för hög ström omfattar enheter som är dimensionerade för 800, 1000, 1200 och 1400 V_DC, med kapacitansvärden från 33 till 220 µF och RMS-strömvärden på upp till 75 A vid +55 °C. Den höga rippelkapaciteten är ett resultat av den interna konstruktionen med låg induktans hos dessa metallfilmskondensatorer av polypropen. De är monterade i en flamskyddad ULV94V0-låda med låg profil som har en diameter på 84,5 mm, med monteringsflänsar i sockeln och stiftkontakter med M8-gänga (Figur 6). Beroende på klassning är höjden på höljet 40, 51 eller 64 mm.

Figur 6: Skruvanslutningarna på 944U-filmkondensatorer kan användas för anslutning till kretskort eller samlingsskenor. (Bildkälla: Cornell Dubilier Electronics)

Sammanfattning

Som framgått kräver laddare för elfordon ett brett utbud av olika typer av kondensatorer för att säkerställa en tillförlitlig och effektiv drift. Cornell Dubilier erbjuder ett brett urval av olika kondensatorer och monteringssätt för att stödja design och konstruktion av högeffektiva laddare för tillämpningar på nivå 1, 2 och 3.