Dobór i stosowanie kondensatorów w celu zapewnienia sprawnych, niezawodnych i trwałych ładowarek do pojazdów elektrycznych

Ładowarki do pojazdów elektrycznych (EV) są dostępne z różnymi poziomami napięcia i mocy, ale wszystkie opierają się na kondensatorach w celu realizacji takich funkcji, jak filtrowanie wejścia prądu stałego, łącza prądu stałego, filtrowanie harmonicznych prądu zmiennego, filtrowanie wyjść prądu stałego, a w niektórych konstrukcjach superkondensatory są używane w połączeniu z bateryjnym magazynem energii i falownikami solarnymi. Ponieważ ładowarki do pojazdów elektrycznych często znajdują się na zewnątrz lub w innych trudnych warunkach, projektanci stają przed wyzwaniem, aby najpierw określić profil parametrów działania kondensatora, a następnie dobrać odpowiedni jego typ, zapewniając wymaganą charakterystykę niezawodności.

Projektanci muszą zadbać o to, aby kondensator był fizycznie wytrzymały i posiadał szeroki zakres temperatur roboczych oraz charakteryzował się długim okresem użytkowania. Kondensatory muszą być kompaktowe i zdolne do obsługi dużych prądów tętniących bez przegrzewania się lub obniżania parametrów działania, a także muszą spełniać wymagania elektryczne i mechaniczne normy AEC-Q200, jak również wymagania wydajnościowe normy IEC 61071 Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej, a niektóre muszą spełniać normę 18 ANSI/IEEE.

Aby sprostać różnorodnym potrzebom wspomnianych obwodów, projektanci mogą sięgnąć po kondensatory wykonane w różnych technologiach, np. foliowe kondensatory mocy, kondensatory aluminiowe elektrolityczne i superkondensatory, w tym modele o niskiej indukcyjności, wysokiej wytrzymałości na prądy tętniące, wysokich temperaturach pracy, z funkcją samonaprawy, z kwalifikacją AEC-Q200, takie które spełniają normę IEC 61071 i superkondensatory o niskiej równoważnej rezystancji szeregowej (ESR).

W niniejszym artykule zdefiniowano różne poziomy ładowania, a w oparciu o nie dokonano przeglądu zastosowań obwodów dla kondensatorów w falownikach solarnych. Następnie przedstawiono przykłady kondensatorów i superkondensatorów filtrów wejściowych, foliowych kondensatorów i superkondensatorów łączy prądu stałego, kondensatorów i superkondensatorów harmonicznych prądu zmiennego oraz kondensatorów i superkondensatorów filtrów wyjściowych firmy Cornell Dubilier Electronics nadających się do różnych ładowarek do pojazdów elektrycznych, wraz z różnymi wariantami obudów pozwalającymi na ich integrację z płytką drukowaną, połączenie z szyną zbiorczą lub bezpośrednie połączenie z modułem tranzystora IGBT, a w rezultacie osiągnięcie udanego projektu.

Poziomy i wymagania dotyczące ładowania pojazdów elektrycznych

Istnieją trzy poziomy urządzeń do ładowania pojazdów elektrycznych: ładowarki poziomu 1 instalowane w budynkach mieszkalnych są zasilane prądem zmiennym (V_~) o napięciu 120V; ładowarki poziomu 2 instalowane w budynkach mieszkalnych i publicznych są zasilane prądem zmiennym o napięciu 208/240V_~ oraz ładowarki poziomu 3 instalowane w budynkach komercyjnych i publicznych są zasilane prądem stałym (V₌) o napięciu od 400 do 900V umożliwiając szybkie ładowanie prądem stałym oraz doładowywanie. Niektóre ładowarki poziomu 1 i poziomu 2 oparte są na falownikach solarnych i bateryjnych magazynach energii.

Coraz częściej spotykane ładowarki poziomu 1 i 2 zasilane energią słoneczną zawierają przetwornice prądu stałego oraz przemienniki prądu stałego na prąd zmienny. Potrzebują one różnych wysokowydajnych kondensatorów, które zostały zaprojektowane do pracy w trudnych warunkach elektrycznych i które spełniają normy AEC-Q200 i IEC 61071, na przykład typów przedstawionych na ilustracji 1:

• Kondensatory filtrów wejściowych prądu stałego i kondensatory łączy prądu stałego: ładowarki te wymagają kondensatorów filtrów wejściowych prądu stałego i kondensatorów łączy prądu stałego o niskiej indukcyjności, zoptymalizowanych dla zastosowań o średniej mocy. Ich wewnętrzne nagrzewanie można zminimalizować poprzez zastosowanie kondensatorów o pojemności do 1F lub większych oraz niskiej równoważnej rezystancji szeregowej (ESR).
• Kondensatory filtrów wyjściowych prądu zmiennego: przemienniki mocy z zasilaczami impulsowymi oparte na tranzystorach IGBT mogą wytwarzać wysokie harmoniczne i całkowite zniekształcenia harmoniczne (THD) wymagające filtrowania za pomocą kondensatorów filtrów wyjściowych prądu zmiennego. W przypadku braku odpowiedniego filtrowania harmoniczne mogą zniekształcić przebieg prądu zmiennego na wyjściu.
• Superkondensatory: dodanie superkondensatorów może być szczególnie korzystne w ładowarkach poziomu 1 i poziomu 2 zasilanych energią słoneczną, aby pomóc układowi dostosować się do zmian nasłonecznienia, gdy nad stosunkowo małymi panelami słonecznymi pojawia się zachmurzenie, co powoduje szczyty i doliny w mocy wyjściowej. W tego typu układach, zasilanych wyłącznie bateryjnie, stosunek mocy szczytowej do mocy średniej może stanowić wyzwanie. Dzięki połączeniu superkondensatorów i baterii można uzyskać układ o większej gęstości mocy.

Ilustracja 1: do zasilanych energią słoneczną ładowarek falownikowych do pojazdów elektrycznych potrzebne są różne kondensatory i superkondensatory. (Źródło ilustracji: Cornell Dubilier Electronics)

Kondensatory są również ważne w konstrukcji szybkich ładowarek prądu stałego poziomu 3, które wykorzystują konwersję prądu zmiennego na stały. Podobnie jak ładowarki poziomu 1 i poziomu 2, szybkie ładowarki prądu stałego wymagają kondensatorów łączy prądu stałego. Kondensatory łączy prądu stałego w szybkich ładowarkach prądu stałego są urządzeniami o większej mocy i zwykle mają wyższe napięcia znamionowe. Ponadto ładowarki poziomu 3 wymagają kondensatorów filtrów wejściowych prądu zmiennego i kondensatorów filtrów wyjściowych prądu zmiennego (ilustracja 2):

• Kondensatory filtrów wejściowych prądu zmiennego: z myślą o obsłudze wyższych poziomów mocy kondensatory te są często dostępne w obudowach innych niż urządzenia zaprojektowane do obsługi niższych mocy. Na przykład: kondensatory filtrujące o niższej mocy w ładowarkach poziomu 1 i 2 mogą mieć końcówki zatrzaskowe do szybkiego zamocowania na płytkach drukowanych lub wtykach lutowniczych, natomiast kondensatory stosowane w szybkich ładowarkach prądu stałego poziomu 3 często mają zaciski śrubowe przeznaczone do łączenia bezpośrednio do szyn zbiorczych dużej mocy. Kondensatory wejściowe do ładowarek poziomu 3 mogą wymagać spełnienia normy 18 ANSI/IEEE.
• Kondensatory filtrów wyjściowych prądu stałego: kondensatory te pełnią podobną funkcję jak kondensatory filtrów harmonicznych prądu zmiennego w ładowarkach zasilanych energią słoneczną poziomu 1 i 2. Pochłaniają one stany nieustalone i filtrują prądy harmoniczne generowane przez stopień przełączający IGBT prądu stałego ładowarki, wygładzając napięcie wyjściowe. Omawiane kondensatory muszą łączyć w sobie niską równoważną rezystancję szeregową (ESR) z wysoką wytrzymałością na prądy tętniące.

Ilustracja 2: zasilane z sieci energetycznej ładowarki prądu stałego poziomu 3 wymagają komponentów, które będą w stanie obsługiwać wysokie napięcia i natężenia prądu. (Źródło ilustracji: Cornell Dubilier Electronics)

Kondensatory do ładowarek do pojazdów elektrycznych poziomu 1 i 2

Filtrowanie wejścia prądu stałego: firma Cornell Dubilier oferuje projektantom kilka wersji kondensatorów aluminiowych elektrolitycznych do filtrowania wejścia prądu stałego do ładowarek poziomu 1 i poziomu 2 do pojazdów elektrycznych, m.in. kondensatory z zaciskami śrubowymi DCMC i kondensatory zatrzaskowe +85°C 380LX/382LX oraz +105°C 381LX/383LX (ilustracja 3). Kondensatory DCMC mają pojemność od 110µF do 2,7F, napięcie do 550V, zakres temperatur pracy od -40°C do +85°C i mogą obsługiwać duże poziomy prądów tętniących. Kondensatory typu 380LX mają żywotność 3000 godzin przy pełnym obciążeniu w temperaturze +85°C, natomiast kondensatory 381XL mają żywotność 3000 godzin przy pełnym obciążeniu w temperaturze +105°C. Kondensatory 380LX/382LX i 381LX/383LX są dostępne w wersjach 2, 4 i 5-wtykowych, co umożliwia ich bezpieczny i dokładny montaż na płytkach drukowanych.

Ilustracja 3: kondensatory 381LX i im podobne mają zatrzaskowe mocowanie na płytkach drukowanych. (Źródło ilustracji: Cornell Dubilier Electronics)

Łącza prądu stałego: w celu realizacji łączy prądu stałego projektanci mogą wybrać kondensatory aluminiowe elektrolityczne typu 550C, np. 550C562T400DP2B lub kondensatory foliowe metalizowane serii 947D np. 947D601K901DCRSN. Kondensatory z serii 550C charakteryzują się okresem użytkowania ponad 100 tys. godzin w typowych warunkach i do 20 tys. godzin przy pracy w temperaturze +85°C. Kondensatory 550C mają równoważną rezystancję szeregową (ESR) do 7mΩ i posiadają zaciski śrubowe do mocowania na płytce drukowanej lub szynie oraz posiadają wysoką wytrzymałość na prądy tętniące.

Kondensatory z serii 947D łączą w sobie dużą pojemność i bardzo dużą wytrzymałość na prądy tętniące, potrzebne falownikach. Kondensatory te są dostępne na napięcia znamionowe w zakresie od 900 do 1300V₌. Ich trwałość wynosi 7000 godzin pracy w temperaturze +85°C, a przewidywany okres eksploatacji wynosi 350 tys. godzin przy temperaturze rdzenia +60°C i pełnym napięciu znamionowym.

Filtrowanie harmonicznych na wyjściu prądu zmiennego: aby zapewnić filtrowanie harmonicznych na wyjściu prądu zmiennego w trudnych warunkach, projektanci mogą sięgnąć po kondensatory filtrujące prądu zmiennego z serii ALH posiadające kwalifikację AEC-Q200. W porównaniu do standardowych kondensatorów, omawiane kondensatory mają o 50% dłuższy okres eksploatacji w oparciu o przyspieszone testy temperatury wilgotności i polaryzacji (THB) 85/85. Posiadają one wysokie wartości znamionowe prądu skutecznego (RMS), dzięki czemu nadają się do obsługi harmonicznych wyższego rzędu w falownikach wysokiej częstotliwości opartych na tranzystorach IGBT. Ich zakres pojemności wynosi od 0,22 do 50µF przy napięciu od 160 do 450V_~, 50/60Hz. Te samonaprawiające się, metalizowane polipropylenowe kondensatory foliowe są dostarczane w solidnej obudowie do montażu na płytce (ilustracja 4) a ich zakres temperatur roboczych wynosi od -40°C do +105°C. Kondensatory z serii ALH mają przewidywane okresy użytkowania 100 tys. godzin przy napięciu znamionowym i temperaturze punktu gorącego +70°C.

Ilustracja 4: kondensatory filtrów prądu zmiennego z serii ALH zapewniają filtrowanie harmonicznych prądu zmiennego w trudnych warunkach, są samonaprawiające i przeznaczone do montażu przewlekanego na płytkach drukowanych. (Źródło ilustracji: Cornell Dubilier Electronics)

Superkondensatory: do instalacji wymagających natychmiastowego doładowania dużą mocą, które zapewnić mogą superkondensatory, firma Cornell Dubilier proponuje serię DGH oraz DSF. Seria DGH obejmuje 21 różnych kombinacji wartości i napięcia oraz charakteryzuje się pojemnościami od 0,5 do 600F i napięciami znamionowymi od 2,7 do 5,5V WV₌. Superkondensatory DSF oferują wyższą wartość 3,0WV₌ dla komponentu pojedynczego i 6,0WV₌ dla urządzenia podwójnego (ilustracja 5). Ta wyższa specyfikacja napięcia skutkuje wyższą o 24% gęstością energii. Seria DSF obejmuje 17 różnych kombinacji wartości i napięcia oraz charakteryzuje się pojemnościami od 1,5F do 600F. Przewidywana trwałość obu serii to 500 tys. cykli. Są one dostępne z odprowadzeniami do montażu przelotowego lub zatrzaskowego na płytce drukowanej.

Ilustracja 5: superkondensatory DSF są dostępne jako urządzenia podwójne i pojedyncze. (Źródło ilustracji: Cornell Dubilier Electronics)

Kondensatory do ładowarek poziomu 3

Filtrowanie wejścia prądu zmiennego i harmonicznych: w przypadku wysokich poziomów mocy obsługiwanych przez ładowarki prądu stałego poziomu 3, projektanci mogą sięgnąć po kondensatory trójfazowe PFCH, np. PFCHX48D20S108T, które mają pojemność znamionową 76,8µF i napięcie znamionowe 480V_~ i są przeznaczone do filtrowania harmonicznych na wejściu prądu zmiennego. Wspomniane kondensatory składają się z trzech samonaprawiających się metalizowanych zwojów polipropylenowych, które są połączone w konfiguracji trójkąta i zamknięte w cylindrycznej aluminiowej obudowie. Ich znamionowy okres użytkowania wynosi 60 tys. godzin przy wskaźniku przetrwania wynoszącym 94% oraz wskaźniku niezawodności (FIT) wynoszącym ≤300 X 10⁹ godzin pracy komponentu. Są one wyposażone w przerywacz ciśnieniowy, który odłącza wszystkie trzy fazy w przypadku zakończenia okresu eksploatacji lub przeciążenia kondensatora. Spełniają one normę ANSI/IEEE 18 a ich maksymalny znamionowy prąd zwarciowy wynosi 10kA według normy UL 810.

Łącza prądu stałego: wśród kondensatorów łączy prądu stałego znajdują się kondensatory BLH DC Link zaprojektowane do montażu na płytce drukowanej, które poddawane są testom przez 1500 godz. Przy temperaturze +85°C / wilgotności względnej 85% przy zastosowanym napięciu znamionowym, oraz kondensatory serii 474, np. kondensatory foliowe 474PMB122KSP2 o pojemności 0,47µF, napięciu znamionowym 1,2(kV₌) zaprojektowane do bezpośredniego montażu w modułach tranzystorów IGBT w celu realizacji łącza prądu stałego oraz filtracji.

Kondensatory BLH są przeznaczone do pracy w zakresie temperatur od -40°C do +105°C z obniżonym napięciem znamionowym przy temperaturze powyżej +85°C o 1,35% na 1°C, i spełniają wymagania norm IEC 61071 oraz AEC- Q200. Kondensatory z serii 474, np. 474PMB122KSP2, są przeznaczone do pracy w zakresie temperatur od -40°C do +100°C, z obniżeniem napięcia prądu stałego o 1,5% oraz prądu stałego o 2,5% na 1°C przy temperaturach powyżej +85°C.

Filtrowanie wyjścia prądu stałego: seria 944U wysokoprądowych kondensatorów foliowych obejmuje urządzenia o napięciu znamionowym 800, 1000, 1200 oraz 1400V₌, pojemnościach znamionowych od 33µF do 220µF i znamionowych prądach skutecznych (RMS) do 75A przy temperaturze +55°C. Wysoka wytrzymałość na prądy tętniące jest rezultatem wewnętrznej konstrukcji metalizowanych kondensatorów propylenowych. zapewniającej niskie indukcyjności. Zostały one umieszczone w niskoprofilowej obudowie ogniotrwałej UL94V0 o średnicy 84,5mm z kołnierzami mocującymi u podstawy i gwintowanymi bolcami gwintowanymi M8 (ilustracja 6). W zależności od parametrów znamionowych wysokość obudowy wynosi 40mm, 51mm lub 64mm.

Ilustracja 6: połączenia śrubowe kondensatorów foliowych 944U można wykorzystać do montażu na płytce drukowanej lub szynie zbiorczej. (Źródło ilustracji: Cornell Dubilier Electronics)

Podsumowanie

Zapewnienie niezawodnego i skutecznego działania ładowarek do pojazdów elektrycznych może wymagać bardzo różnych typów kondensatorów. Firma Cornell Dubilier oferuje szeroki wybór typów kondensatorów z różnymi stylami mocowania ułatwiających projektowanie i konstruowanie wysokowydajnych ładowarek poziomu 1, 2 i 3.