Slik velger og bruker du kondensatorer for å sikre effektive, pålitelige og bærekraftige elbiladere

Ladere for elektriske kjøretøy (EV) kommer i ulike spennings- og effektnivåer, men alle er avhengige av kondensatorer for å utføre funksjoner som DC-inngangsfiltrering, DC-linking, AC-oversvingningsfiltrering, DC-utgangsfiltrering og i noen konstruksjoner brukes superkondensatorer i kombinasjon med batterienergilagring og solenergiomformere. Siden ladere for elektriske kjøretøy ofte er plassert utendørs eller i andre krevende miljøer, utfordres konstruktører til å først bestemme kondensatorens ytelsesprofil og deretter velge riktig kondensatortype for å møte krevende krav til pålitelighetsegenskaper.

Konstruktører må sørge for at kondensatoren er fysisk robust med brede driftstemperaturer og lang levetid. Kondensatorene må være kompakte og i stand til å håndtere stor rippelstrøm uten overoppheting eller forringelse av ytelsen, og de må oppfylle de elektriske og mekaniske kravene til AEC-Q200, samt ytelseskravene til IEC 61071 (IEC – International Electrotechnical Commission – den internasjonale elektrotekniske kommisjonen), og noen må oppfylle ANSI/IEEE Standard 18.

For å møte de ulike behovene til disse kretskonstruksjonene, kan konstruktører bruke en rekke kondensatorteknologier som strømskiktkondensatorer (power film capacitors), aluminium-elektrolyttkondensatorer og superkondensatorer, inkludert konstruksjoner med lav induktans, kondensatorer med høy rippelstrøm, høye driftstemperaturer, selvhelbredende egenskaper, AEC-Q200-kvalifikasjoner som oppfyller IEC 61071 og superkondensatorer med lav effektiv tapsmotstand (ESR – equivalent series resistance).

Denne artikkelen definerer de ulike ladenivåene og gjennomgår kretskonstruksjoner for kondensatorer i solenergiomformere basert på disse nivåene. Deretter presenterer den eksempler på inngangsfiltrering, strømskikt-DC-link (power film DC link), AC-oversvingningsfiltrering og utgangsfiltreringskondensatorer og superkondensatorer fra Cornell Dubilier Electronics som er egnet for en rekke konstruksjoner for elbillading, samt kapslingsalternativer for å integrere disse kondensatorene på trykte kretskort (PCB – printed circuit board), feste dem til samleskinner eller direkte koble dem til isolerte topolede transistormoduler (IGBT – insulated gate bipolar transistor) for å sikre en vellykket konstruksjon.

Nivåer og krav for elbillading

Det er tre ladenivåer for elektriske kjøretøy: Nivå 1 for boliglading gir 120 volt vekselstrøm (V_AC). Nivå 2 for boliglading og offentlig lading gir 208/240 V_AC. Nivå 3 for kommersielle og offentlige ladere gir 400 til 900 volt likestrøm (V_DC) for rask DC-lading og superlading. Noen nivå 1- og nivå 2-ladere er basert på solenergiomformere og batterienergilagring.

Solcelledrevne nivå 1- og nivå 2-ladere blir stadig mer vanlige, og de inkluderer en likestrøm-til-likestrøm-omformer (DC–DC-omformer) og en likestrøm-til-vekselstrøm-omformer (DC–AC-omformer). De trenger en rekke kondensatorer med høy ytelse som er konstruert for bruk under tøffe elektriske forhold som oppfyller AEC-Q200- og IEC 61071-standardene, inkludert typene som er vist i figur 1:

• DC-inngangsfilter og DC-link-kondensatorer: Disse laderne trenger DC-inngangsfilter med lav induktans og DC-link-kondensatorer som er optimalisert for strømforsyninger med medium effektklassifisering. De kan dra nytte av å bruke kondensatorer med verdier på opptil 1 farad (F) eller mer, og lav effektiv tapsmotstand (ESR) for å minimere intern oppvarming.
• AC-utgangsfilterkondensatorer: IGBT-baserte strømomformere i vekslingsmodus (switched-mode power inverter) kan produsere høyt harmonisk svingningsinnhold og oversvingning (THD – total harmonic distortion) som må filtreres ved hjelp av AC-utgangsfilterkondensatorer. Hvis disse ikke er tilstrekkelig filtrert, kan oversvingningene forvrenge AC-utgangsbølgeformen.
• Superkondensatorer: Superkondensatorer kan være spesielt gunstige i solcelledrevne nivå 1- og 2-ladere for å hjelpe systemet justere for endringer i isolasjon når skyer blokkerer de relativt små solcellepanelene, noe som resulterer i spisser og daler i utgangseffekten. I disse systemene kan forholdet mellom spisseffekt og gjennomsnittlig effekt utfordre systemer som kun drives av batterier. Kombinasjonen av superkondensatorer og batterier kan resultere i et system med høyere effekttetthet.

Figur 1: En rekke kondensatorer og superkondensatorer er nødvendige for solcelledrevne elbilladere med omformere. (Bildekilde: Cornell Dubilier Electronics)

Kondensatorer er også viktige i utviklingen av nivå 3 DC-hurtigladere som bruker AC–DC-strømomforming. I likhet med nivå 1- og nivå 2-ladere, trenger DC-hurtigladere DC-link-kondensatorer. DC-link-kondensatorene i DC-hurtigladere er enheter med høyere strøm, som vanligvis har høyere spenningsklassifiseringer. I tillegg trenger nivå 3-ladere AC-inngangsfilterkondensatorer og DC-utgangsfilterkondensatorer (figur 2):

• AC-inngangsfilterkondensatorer: For å støtte høyere effektnivåer, er disse kondensatorene ofte innkapslet annerledes enn enheter som er konstruert for å håndtere lavere effektnivåer. For eksempel, selv om lavere effektfiltreringskondensatorer i nivå 1- og 2-ladere kan ha klikkfesteterminaler for rask festing til kretskort eller loddbare pinner, har kondensatorer som brukes i nivå 3 DC-hurtigladere ofte skruterminaler som festes direkte til samleskinner for høy effekt. Inngangskondensatorene for nivå 3-ladere kan være påkrevd for å oppfylle ANSI/IEEE Standard 18.
• DC-utgangsfilterkondensatorer: Disse kondensatorene dekker en lignende funksjon som filterkondensatorene for AC-oversvingninger i solcelledrevne nivå 1- og nivå 2-ladere. De absorberer transienter og filtrerer oversvingningsstrømmen som genereres av DC–DC IGBT-vekslingstrinnet til laderen, og jevner ut utgangsspenningen. Disse kondensatorene må kombinere lav ESR med høy rippelstrømkapasitet.

Figur 2: Nivå 3 DC-ladere som drives på nettnivå krever komponenter som kan håndtere høye strømmer og spenninger. (Bildekilde: Cornell Dubilier Electronics)

Kondensatorer for nivå 1 og nivå 2 PV-elbilladere

DC-inngangsfiltrering: Cornell Dubilier tilbyr flere aluminium-elektrolyttkondensatorer for DC-inngangsfiltrering for nivå 1- og nivå 2-elbilladere, inkludert DCMC-skruterminalkondensatorer og 380LX/382LX +85 °C og 381LX/383LX +105 °C klikkfestekondensatorer (figur 3). DCMC-kondensatorer varierer fra 110 µF til 2,7 F, spenninger på opptil 550 volt, driftstemperaturområde på –40 til +85 °C og kan håndtere høye rippelstrømnivåer. Type 380LX-kondensatorer har en lastlevetid på 3000 timer ved full belastning og +85 °C, mens 381XL-kondensatorer har en driftslevetid på 3000 timer ved full belastning og +105 °C. 380LX/382LX- og 381LX/383LX-kondensatorene er tilgjengelige med 2, 4 og 5 pinner for å støtte sikker og nøyaktig montering på kretskort.

Figur 3: 381LX og relaterte kondensatorer har klikkfester for kretskortforbindelser. (Bildekilde: Cornell Dubilier Electronics)

DC-linking: For DC-linking kan konstruktører velge mellom type 550C-aluminiumelektrolytikk som 550C562T400DP2B og 947D-serien av metalliserte filmkondensatorer som 947D601K901DCRSN. 550C-serien har en levetid på over 100 000 timer i typiske konstruksjoner og opptil 20 000 timer ved +85 °C. 550C-kondensatorer har ESR-er ned til 7 milliohm (mΩ) og har skruterminaler for festing til kretskort eller samleskinne, og kan håndtere høy rippelstrøm.

947D-serien kombinerer høy kapasitans og svært høy rippelstrømkapasitet, som er nødvendig for omformerkonstruksjon. Disse kondensatorene er tilgjengelige med spenningsklassifiseringer fra 900 til 1300 V_DC. De er klassifisert for 7000 driftstimer ved +85 °C og har en forventet levetid på 350 000 timer ved +60 °C kjernetemperatur og full nominell spenning.

Oversvingningsfiltrering for AC-utgang: For å gi oversvingningsfiltrering på AC-utganger i tøffe miljøer, kan konstruktører bruke AC-filterkondensatorer i ALH-serien som er AEC-Q200-kvalifisert. Sammenlignet med standardkondensatorer, har disse kondensatorene 50 % lengre levetid basert på akselerert 85/85 temperatur-fuktighet-bias (THB – temperature-humidity-bias). De har høye RMS-strømklassifiseringer som gjør dem egnet for håndtering av oversvingninger av høyere orden i høyfrekvente IGBT-baserte omformere. Kapasitansområdene er fra 0,22 til 50 mikrofarad (µF) ved 160 til 450 V_AC, 50/60 Hertz (Hz). Disse selvhelbredende, metalliserte skiktkondensatorene av polypropylen kommer i en robust kapsling for kortmontering (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 nominell spenning og en varmpunktstemperatur (hot spot temperature) på +70 °C.

Figur 4: AC-filterkondensatorene i ALH-serien gir AC-oversvingningsfiltrering på utgangen i tøffe miljøer, er selvhelbredende og er konstruert for hullmontering på kretskort. (Bildekilde: Cornell Dubilier Electronics)

Superkondensatorer: For konstruksjoner som trenger de momentane utbruddene av strøm som superkondensatorer kan levere, tilbyr Cornell Dubilier DGH-serien og DSF-serien. DGH-serien inkluderer 21 forskjellige verdi-/spenningskombinasjoner, som varierer i kapasitans fra 0,5 til 600 F, med spenningsklassifiseringer fra 2,7 til 5,5 volt arbeidsspenning DC (WV_DC). DSF-superkondensatorer tilbyr en høyere 3,0 WV_DC for én enkelt komponent og en 6,0 WV_DC for en dobbel enhet (figur 5). Denne høyere spenningsspesifikasjonen resulterer i en 24 % høyere energitetthet. DSF-serien kommer i 17 verdi-/spenningskombinasjoner, som varierer i kapasitans fra 1,5 F til 600 F. Begge seriene er klassifisert for 500 000 sykluser. De er tilgjengelige med et utvalg av hullmonterte ledere eller klikkfesteledere for integrering i kretskort.

Figur 5: DSF-superkondensatorene er tilgjengelige som doble og enkle enheter. (Bildekilde: Cornell Dubilier Electronics)

Kondensatorer for nivå 3-ladere

AC-inngang og oversvingningsfiltrering: For de høye effektnivåene som støttes av DC-ladere på nivå 3, kan konstruktører bruke PFCH-serien med trefasede kondensatorer, for eksempel PFCHX48D20S108T som er klassifisert for 76,8 µF og 480 V_AC og er konstruert for AC-oversvingningsfiltrering på inngangen. Disse kondensatorene består av tre selvhelbredende metalliserte polypropylenviklinger som er forbundet i en delta-konfigurasjon og innelukket i en sylindrisk aluminiumskapsling. De har en levetid på 60 000 timer med en overlevelsesrate på 94 % og en FIT-klassifisering (FIT – failure-in-time) på ≤300 X 10⁹ komponenttimer. De inkluderer en trykkstrømbryter som kobler fra alle tre faser hvis kondensatorens levetid er over eller ved overbelastning. De oppfyller ANSI/IEEE Standard 18 og har en maksimal kortslutningsstrøm på 10 kiloampere (kA) i henhold til UL 810.

DC-linking: Utvalget av DC-link-kondensatorer omfatter BLH DC Link-kondensatorer utviklet for kretskortmontering, som testes i 1500 timer ved +85 °C og 85 % relativ fuktighet med påført nominell spenning, og 474-serien, slik som 474PMB122KSP2-skiktkondensatoren på 0,47 uF, 1,2 kilovolt DC (kV_DC) som er utviklet for direkte montering på IGBT-moduler for å gi DC-linking og filtrering.

BLH-kondensatorer er klassifisert for drift fra –40 °C til +105 °C, der den nominelle spenningen reduseres med 1,35 % per °C over +85 °C, og de oppfyller kravene i IEC 61071 og AEC-Q200. Kondensatorer i 474-serien, for eksempel 474PMB122KSP2, er klassifisert for drift fra –40 °C til +100 °C, der likespenningen reduseres med 1,5 % og vekselspenningen reduseres med 2,5 % per °C over +85 °C.

DC-utgangsfiltrering: 944U-serien med filmkondensatorer for høy strøm inkluderer enheter som er klassifisert for 800, 1000, 1200 og 1400 V_DC, med kapasitansverdier fra 33 µF til 220 µF og RMS-strømverdier på opptil 75 A ved +55 °C. Den høye rippelkapasiteten til disse metalliserte polypropylenkondensatorene er et resultat av den indre konstruksjonen med lav induktans. De kommer i en flammehemmende UL94V0-kapsling med lav profil som er 84,5 millimeter (mm) i diameter, med monteringsflenser på bunnflaten og M8-terminaler med gjenget tapp (figur 6). Avhengig av klassifiseringene, er kapslingshøydene 40 mm, 51 mm eller 64 mm.

Figur 6: Skruforbindelsene til 944U-skiktkondensatorer kan brukes for kretskort- eller samleskinnetilkoblinger. (Bildekilde: Cornell Dubilier Electronics)

Konklusjon

Som vist, krever elbilladere et bredt utvalg av kondensatortyper for å sikre pålitelig og effektiv drift. Cornell Dubilier tilbyr et bredt utvalg av kondensator- og monteringstyper for å støtte utvikling og konstruksjon av ladere med høy ytelse for konstruksjoner klassifisert som nivå 1, 2 og 3.