Cum se selectează și se aplică condensatoare pentru a asigura încărcătoare VE eficiente, fiabile și durabile

Încărcătoarele pentru vehicule electrice (VE) sunt disponibile la diferite niveluri de tensiune și putere, dar toate se bazează pe condensatoare pentru a îndeplini funcții precum filtrarea intrării de curent continuu, legarea curentului continuu, filtrarea armonicilor de curent alternativ, filtrarea ieșirii de curent continuu, iar în unele modele, supercondensatoarele se folosesc în combinație cu stocarea energiei din baterii și invertoare solare. Deoarece încărcătoarele de vehicule electrice sunt adesea amplasate în aer liber sau în alte medii dificile, proiectanții au sarcina dificilă de a determina mai întâi profilul de performanță al condensatorului și apoi să selecteze tipul de condensator adecvat pentru a îndeplini caracteristicile de fiabilitate exigente.

Proiectanții trebuie să se asigure că condensatorul este robust din punct de vedere fizic, cu temperaturi de funcționare extinse și durate de viață operațională lungi. Condensatoarele trebuie să fie compacte și capabile să facă față curenților de ondulație mari, fără a se supraîncălzi sau a suferi o degradare a performanțelor și trebuie să îndeplinească cerințele electrice și mecanice ale AEC-Q200, precum și cerințele de performanță ale Comisiei Electrotehnice Internaționale (IEC) 61071, iar unele trebuie să îndeplinească standardul ANSI/IEEE 18.

Pentru a satisface diversele nevoi ale acestor aplicații de circuit, proiectanții pot utiliza o varietate de tehnologii de condensatoare, cum ar fi condensatoarele cu peliculă de alimentare, condensatoarele electrolitice din aluminiu și supercondensatoarele, inclusiv modele cu inductanță redusă, condensatoare cu valori nominale ridicate ale curentului de ondulație, temperaturi de funcționare ridicate, capacități de auto-reparare, calificări AEC-Q200 care respectă IEC 61071 și supercondensatoare cu rezistență echivalentă în serie (ESR) redusă.

Acest articol definește diferitele niveluri de încărcare și analizează aplicațiile de circuit pentru condensatoare în invertoarele de energie solară, în funcție de aceste niveluri. Apoi, prezintă exemple de condensatoare și supercondensatoare de filtrare a intrărilor, de legătură pentru c.c. cu peliculă de alimentare, de filtrare a armonicilor c.a. și de filtrare a ieșirii de la Cornell Dubilier Electronics, potrivite pentru o varietate de proiecte de încărcătoare de vehicule electrice, împreună cu opțiuni de capsule pentru integrarea acestor condensatoare în plăci de circuite imprimate (PCB), atașarea lor la bare colectoare sau conectarea directă la modulele de tranzistoare bipolare cu poartă izolată (IGBT) pentru a asigura un proiect de succes.

Nivelurile și cerințele de încărcare a vehiculelor electrice

Există trei niveluri de încărcare a vehiculelor electrice: nivelul 1 de încărcare rezidențială oferă 120 de volți de curent alternativ (V_c.a.); nivelul 2 de încărcare rezidențială și publică oferă 208/240 V_c.a.; iar nivelul 3 de încărcare comercială și publică oferă între 400 și 900 de volți de curent continuu (V_c.c.) pentru încărcare rapidă și supraîncărcare în curent continuu. Unele încărcătoare de nivelul 1 și de nivelul 2 se bazează pe invertoare solare și pe stocarea energiei în baterii.

Încărcătoarele de nivelul 1 și de nivelul 2 alimentate cu energie solară, utilizate tot mai frecvent, includ un convertor de curent continuu în curent continuu (c.c. - c.c.) și un invertor de curent continuu în curent alternativ (c.c. - c.a.). Acestea au nevoie de o varietate de condensatoare de înaltă performanță care au fost proiectate pentru utilizare în condiții electrice dificile și care îndeplinesc standardele AEC-Q200 și IEC 61071, inclusiv tipurile prezentate în Figura 1:

• Filtru de intrare c.c. și condensatoare de legătură c.c.: aceste încărcătoare au nevoie de un filtru de intrare c.c. cu inductanță redusă și de condensatoare de legătură c.c. care au fost optimizate pentru aplicații de putere medie. Acestea pot beneficia de utilizarea condensatoarelor cu valori de până la 1 Farad (F) sau mai mult și de o rezistență echivalentă în serie (ESR) redusă, pentru a minimiza încălzirea internă.
• Condensatoare de filtrare a ieșirii c.a.: invertoarele de putere în comutație pe bază de IGBT pot produce un conținut ridicat de armonice și o distorsiune armonică totală (THD) care trebuie filtrate cu ajutorul condensatoarelor de filtrare a ieșirii c.a. Dacă nu sunt filtrate în mod adecvat, armonicele pot distorsiona forma de undă c.a. de ieșire.
• Supercondensatoare: adăugarea de supercondensatoare poate fi deosebit de benefică în cazul încărcătoarelor solare de nivelul 1 și 2, pentru a ajuta sistemul să se adapteze la schimbările de insolație, deoarece norii blochează panourile solare relativ mici, ceea ce duce la vârfuri și văi în ceea ce privește puterea de ieșire. În cadrul acestor sisteme, raportul dintre puterea de vârf și puterea medie poate reprezenta o provocare pentru sistemele care funcționează numai cu baterii. Combinația dintre supercondensatoare și baterii poate duce la un sistem cu o densitate de putere mai mare.

Figura 1: este nevoie de o varietate de condensatoare și supercondensatoare pentru încărcătoarele de vehicule electrice cu invertor alimentate cu energie solară. (Sursa imaginii: Cornell Dubilier Electronics)

De asemenea, condensatoarele sunt importante și în proiectarea încărcătoarelor rapide de curent continuu de nivelul 3, care utilizează conversia de energie c.a. - c.c. La fel ca încărcătoarele de nivelul 1 și 2, încărcătoarele rapide c.c. au nevoie de condensatoare de legătură c.c. Condensatoarele de legătură c.c. din încărcătoarele rapide de curent continuu sunt dispozitive de putere mai mare și au, de obicei, tensiuni nominale mai mari. În plus, încărcătoarele de nivelul 3 au nevoie de condensatoare de filtrare a intrării c.a. și de condensatoare de filtrare a ieșirii c.c. (Figura 2):

• Condensatoare de filtrare a intrării c.a.: pentru a suporta niveluri de putere mai mari, aceste condensatoare sunt adesea ambalate diferit în comparație cu dispozitivele concepute pentru o putere mai mică. De exemplu, în timp ce condensatoarele de filtrare de putere mai mică din încărcătoarele de nivelul 1 și 2 pot avea terminații de tip „snap-in” pentru o fixare rapidă pe plăcile de circuite imprimate sau pe pinii de lipit, condensatoarele utilizate în încărcătoarele rapide c.c. de nivelul 3 au adesea terminale cu șuruburi care se atașează direct la barele colectoare de mare putere. Se pot solicita condensatoare de intrare pentru încărcătoarele de nivelul 3 pentru a respecta standardul ANSI/IEEE 18.
• Condensatoare de filtrare a ieșirii c.c.: aceste condensatoare au o funcție similară cu cea a condensatoarelor de filtrare a armonicilor c.a. din încărcătoarele solare de nivelul 1 și 2. Acestea absorb curenții tranzitorii și filtrează curenții armonici generați de etapa de comutare IGBT c.c. - c.c. a încărcătorului, netezind tensiunea de ieșire. Aceste condensatoare trebuie să combine un ESR scăzut cu o capacitate mare de curent de ondulație.

Figura 2: încărcătoarele c.c. de nivelul 3 alimentate de la rețea necesită componente care pot suporta curenți și tensiuni ridicate. (Sursa imaginii: Cornell Dubilier Electronics)

Condensatoare pentru încărcătoare fotovoltaice VE de nivelul 1 și 2

Filtrarea intrării c.c.: Cornell Dubilier oferă proiectanților mai multe opțiuni de condensatoare electrolitice din aluminiu pentru filtrarea intrării c.c. la încărcătoare VE de nivelul 1 și 2, inclusiv condensatoarele cu terminale cu șurub DCMC, precum și condensatoarele de tip snap-in 380LX/382LX +85 °C și 381LX/383LX +105 °C (Figura 3). Condensatoarele DCMC variază de la 110 µF la 2,7 F, tensiuni de până la 550 volți, o gamă de temperaturi de funcționare de la -40 °C la +85 °C și pot suporta niveluri ridicate de curent de ondulație. Condensatoarele de tip 380LX au o durată de viață de 3.000 de ore (h) la sarcină maximă la +85 °C, în timp ce condensatoarele 381XL au o durată de viață de 3.000 de ore la sarcină maximă la +105 °C. Condensatoarele 380LX/382LX și 381LX/383LX sunt disponibile în stiluri cu 2, 4 și 5 pini pentru a permite montarea sigură și precisă pe plăcile de circuite imprimate.

Figura 3: condensatoarele 381LX și cele aferente au conexiuni de tip snap-in pe placa de circuite imprimate. (Sursa imaginii: Cornell Dubilier Electronics)

Legătura c.c.: Pentru legarea c.c., proiectanții pot alege din electroliticele din aluminiu de tip 550C, cum ar fi 550C562T400DP2B și condensatoarele cu peliculă metalizată din seria 947D, cum ar fi 947D601K901DCRSN. Seria 550C are o durată de viață de peste 100.000 de ore în aplicații tipice și până la 20.000 de ore la o funcționare la +85 °C. Condensatoarele 550C au ESR-uri de până la 7 miliohmi (mΩ) și sunt prevăzute cu terminale cu șurub pentru atașare la o placă de circuite imprimate sau la o bară colectoare și pot suporta curenți de ondulație mari.

Seria 947D combină capacitatea mare și capacitatea de curent de ondulație foarte mare necesare pentru proiectele de invertoare. Aceste condensatoare sunt disponibile cu tensiuni nominale de la 900 la 1.300 V_c.c. Acestea au o durată de funcționare de 7.000 de ore la +85 °C și o speranță de viață de 350.000 de ore la o temperatură de bază de +60 °C și o tensiune nominală maximă.

Filtrarea armonicelor de ieșire c.a.: pentru a asigura filtrarea armonicelor la ieșirea c.a. în medii dificile, proiectanții pot utiliza condensatoarele de filtrare c.a. din seria ALH, calificate AEC-Q200. În comparație cu condensatoarele standard, aceste condensatoare au o durată de viață cu 50% mai mare, pe baza testelor accelerate 85/85 de temperatură-umiditate-polarizare (THB). Au valori nominale ridicate ale curentului RMS (rădăcină medie pătratică), ceea ce le face potrivite pentru gestionarea armonicelor de ordin superior în invertoarele de înaltă frecvență bazate pe IGBT. Intervalele de capacitate sunt cuprinse între 0,22 și 50 microfarazi (µF) la 160 și 450 V_c.a., 50/60 Hertz (Hz). Aceste condensatoare cu peliculă de polipropilenă metalizată, cu autoreparare, sunt livrate într-o capsulă robustă pentru montare pe placă (Figura 4) și au o temperatură de funcționare cuprinsă între -40 °C și +105 °C. Condensatoarele din seria ALH au o durată de viață de 100.000 de ore la tensiunea nominală și o temperatură a punctului fierbinte de +70 °C.

Figura 4: condensatoarele de filtrare c.a. din seria ALH asigură filtrarea ieșirilor de armonice c.a. în medii dure, se auto-repară și sunt proiectate pentru montarea prin orificii pe plăcile cu circuite electronice. (Sursa imaginii: Cornell Dubilier Electronics)

Supercondensatoare: pentru proiectele care au nevoie de rafalele instantanee de energie pe care le pot furniza supercondensatoarele, Cornell Dubilier oferă seriile DGH și DSF. Seria DGH include 21 de combinații diferite de valoare/tensiune, cu capacități cuprinse între 0,5 și 600 F, cu tensiuni nominale de la 2,7 la 5,5 volți de lucru c.c. (WV_c.c.). Supercondensatoarele DSF oferă o tensiune mai mare de 3,0 WV_c.c. pentru o singură componentă și de 6,0 WV_c.c. pentru un dispozitiv dublu (Figura 5). Această specificație de tensiune mai mare rezultă într-o densitate energetică cu 24% mai mare. Seria DSF include 17 combinații diferite de valoare/tensiune, cu capacități cuprinse între 1,5 F și 600 F. Ambele serii au o rezistență nominală de 500.000 de cicluri. Acestea sunt disponibile cu posibilitatea de a alege între cabluri de trecere prin orificii sau cabluri de tip „snap-in” pentru integrarea în plăcile de circuite imprimate.

Figura 5: supercondensatoarele DSF sunt disponibile ca dispozitive duble și simple. (Sursa imaginii: Cornell Dubilier Electronics)

Condensatoare pentru încărcătoare de nivelul 3

Filtrarea intrării c.a. și a armonicelor: pentru nivelurile ridicate de putere suportate de încărcătoarele c.c. de nivelul 3, proiectanții pot apela la seria PFCH de condensatoare trifazate în serie, cum ar fi PFCHX48D20S108T, care are o capacitate nominală de 76,8 µF și 480 V_c.a. și este proiectat pentru filtrarea armonicelor de intrare c.a. Aceste condensatoare au trei înfășurări din polipropilenă metalizată cu auto-reparare, conectate în configurație delta și închise într-o carcasă cilindrică din aluminiu. Au o durată de viață de 60.000 de ore, cu o rată de supraviețuire de 94% și o rată de defectare în timp (FIT) de ≤300 X 10⁹ ore de funcționare a componentelor. Acestea includ un întrerupător de presiune care dezactivează toate cele trei faze în cazul în care condensatorul își termină durata de viață sau este suprasolicitat. Acestea respectă standardul ANSI/IEEE 18 și au o valoare nominală maximă a curentului de scurtcircuit de 10 kiloamperi (kA) în conformitate cu UL 810.

Legătura c.c.: condensatoarele de legătură c.c. includ condensatoarele BLH DC Link concepute pentru montarea pe plăci de circuite imprimate, care sunt testate pentru 1.500 de ore la +85 °C/85% umiditate relativă cu tensiunea nominală aplicată, și seria 474, cum ar fi condensatorul cu peliculă 474PMB122KSP2 de 0,47 µF, 1,2 kilovolți c.c. (kV_c.c.), conceput pentru montarea directă pe modulele IGBT pentru a asigura legătura și filtrarea c.c.

Condensatoarele BLH sunt proiectate pentru funcționare de la -40 °C la +105 °C, cu tensiunea nominală redusă peste +85 °C cu 1,35% per °C, și îndeplinesc cerințele IEC 61071 și AEC-Q200. Condensatoarele din seria 474, cum ar fi 474PMB122KSP2, sunt proiectate să funcționeze de la -40 °C la +100 °C, cu o scădere a tensiunii c.c. cu 1,5% și a tensiunii c.a. cu 2,5% la fiecare °C peste +85 °C.

Filtrarea ieșirii c.c.: seria 944U de condensatoare cu peliculă de curent ridicat include dispozitive cu valori nominale de 800, 1000, 1200 și 1400 V_c.c., cu capacități nominale de la 33 µF la 220 µF și valori nominale de curent RMS de până la 75 A la +55 °C. Capacitatea mare de ondulație este un rezultat al construcției interne cu inductanță redusă a acestor condensatoare din polipropilenă metalizată. Acestea sunt ambalate într-o carcasă ignifugată UL94V0 cu profil redus, cu un diametru de 84,5 milimetri (mm), cu flanșe de montare la bază și terminale cu știfturi filetate M8 (Figura 6). În funcție de clasificare, înălțimea carcasei este de 40 mm, 51 mm sau 64 mm.

Figura 6: conexiunile cu șurub ale condensatoarelor cu peliculă 944U pot fi utilizate pentru conexiuni la placa de circuite imprimate sau la bara colectoare. (Sursa imaginii: Cornell Dubilier Electronics)

Concluzie

După cum s-a arătat, încărcătoarele pentru vehicule electrice necesită o gamă largă de tipuri de condensatoare pentru a asigura o funcționare fiabilă și eficientă. Cornell Dubilier oferă o selecție largă de tipuri de condensatoare și de stiluri de montare pentru a sprijini proiectarea și construcția de încărcătoare de înaltă performanță pentru aplicații de nivelul 1, 2 și 3.