Kondensaattorien oikea valinta ja käyttö mahdollistaa tehokkaat, luotettavat ja kestävät EV-laturit

Sähköajoneuvojen (EV) latureita on saatavilla eri jännite- ja tehotasoilla, mutta niissä kaikissa käytetään kondensaattoreita DC-tulosuodatukseen, DC-linkitykseen, vaihtovirran yliaaltosuodatukseen ja DC-lähtösuodatukseen. Joissakin malleissa käytetään superkondensaattoreita yhdessä energianvarastointiakkujen ja aurinkosähköinvertterien kanssa. Koska EV-laturit sijaitsevat usein ulkona tai muissa vaativissa ympäristöissä, suunnittelun ensimmäisenä haasteena on kondensaattorin suorituskykyprofiilin määrittäminen, minkä jälkeen on valittava sopiva kondensaattorityyppi, jolla on tarvittavat vaativat luotettavuusominaisuudet.

Suunnittelijoiden on varmistettava, että kondensaattori on fyysisesti lujatekoinen, sitä voidaan käyttää laajalla lämpötila-alueella ja sillä on pitkä käyttöikä. Kondensaattorien on oltava kompakteja, ja niiden on siedettävä suuria rippelivirtoja ilman ylikuumenemista tai suorituskyvyn heikkenemistä. Niiden on myös täytettävä AEC-Q200-standardin sähköiset ja mekaaniset vaatimukset sekä IEC 61071 -standardin suorituskykyvaatimukset, minkä lisäksi joidenkin kondensaattorien pitää täyttää myös ANSI/IEEE-standardin 18 vaatimukset.

Tällaisten virtapiirisovellusten moninaiset tarpeet voidaan täyttää käyttämällä erilaisia kondensaattoriteknologioita, kuten tehokalvokondensaattoreita, alumiinielektrolyyttikondensaattoreita ja superkondensaattoreita, mukaan lukien matalainduktanssiset mallit. Voidaan käyttää myös kondensaattoreita, joilla on korkea rippelivirtaluokitus, korkea käyttölämpötila, itsepalautuvuuskyky ja IEC 61071 -standardin täyttävät AEC-Q200-hyväksynnät, sekä superkondensaattoreita, joilla on alhainen vastaava sarjaresistanssi (ESR).

Tässä artikkelissa määritellään eri lataustasot ja käydään läpi aurinkosähköinvertterien kondensaattorien virtapiirisovelluksia näiden tasojen perusteella. Sen jälkeen esitellään esimerkkejä Cornell Dubilier Electronicsin tulosuodatus-, tehokalvo-DC-link-, vaihtovirran yliaaltosuodatus- ja lähtösuodatuskondensaattoreista, superkondensaattoreista, jotka soveltuvat lukuisiin EV-laturimalleihin, sekä kotelointivaihtoehtoja, joilla nämä kondensaattorit voidaan integroida piirilevyihin, kiinnittää virtakiskoihin tai liittää suoraan IGBT-moduuliin onnistuneen lopputuloksen varmistamiseksi.

EV-lataustasot ja vaatimukset

EV-lataustasoja on kolme: tason 1 kotilataus tarjoaa 120 voltin vaihtovirran (V_AC), tason 2 koti- ja julkinen lataus tarjoaa 208/240 V_AC:n virran, ja tason 3 kaupalliset ja julkiset laturit tarjoavat 400–900 voltin tasavirtatehon (V_DC) pikalatausta ja superlatausta varten. Jotkin tason 1 ja 2 laturit perustuvat aurinkosähköinverttereihin ja energian varastointiin akkuihin.

Aurinkovoimaa käyttävät tason 1 ja 2 laturit ovat yleistymässä, ja niissä on DC-DC-muunnin ja DC-AC-invertteri. Niissä tarvitaan erilaisia suorituskykyisiä kondensaattoreita, jotka on suunniteltu käytettäväksi vaativissa sähköolosuhteissa, ja jotka täyttävät AEC-Q200- ja IEC 61071 ‑standardit, mukaan lukien kuvassa 1 esitetyt tyypit:

• DC-tulosuodatus- ja DC-linkkikondensaattorit: näihin latureihin tarvitaan matalainduktanssisia DC-tulosuodatus- ja DC-linkkikondensaattoreita, jotka on optimoitu keskitehosovelluksiin. Niissä voi olla hyödyllistä käyttää kondensaattoreita, joiden kapasitanssi on jopa 1 F tai enemmän ja joilla on alhainen vastaava sarjaresistanssi (ESR) sisäisen lämpenemisen minimoimiseksi.
• AC-lähtösuodatuskondensaattorit: IGBT-hakkuriteholähteet voivat tuottaa korkeaa yliaaltosisältöä ja harmonista kokonaissäröä (THD), jotka on suodatettava pois AC-lähtösuodatuskondensaattoreilla. Jos suodatus ei ole riittävää, yliaallot voivat aiheuttaa vääristymiä lähdön AC-aaltomuotoon.
• Superkondensaattorit: superkondensaattorien käyttö voi olla erityisen hyödyllistä tason 1 ja 2 aurinkovoimaa käyttävissä latureissa ja auttaa järjestelmää mukautumaan tulosäteilyn voimakkuuden vaihteluihin pilvien varjostaessa suhteellisen pieniä aurinkopaneeleita, mistä aiheutuu lähtötehoon piikkejä ja notkahduksia. Näissä järjestelmissä huipputehon ja keskimääräisen tehon välinen suhde voi aiheuttaa haasteen pelkkiin akkuihin perustuville järjestelmille. Superkondensaattorien ja akkujen yhdistelmällä voidaan saada aikaan järjestelmä, jonka tehotiheys on korkeampi.

Kuva 1: Aurinkovoimaa käyttäviin EV-invertterilatureihin tarvitaan erilaisia kondensaattoreita ja superkondensaattoreita. (Kuvan lähde: Cornell Dubilier Electronics)

Kondensaattorit ovat tärkeitä myös AC-DC-tehomuunnosta käyttävien tason 3 DC-pikalatureiden suunnittelussa. Kuten tason 1 ja 2 latureissa, myös DC-pikalatureissa tarvitaan DC-linkkikondensaattoreita. DC-pikalatureiden DC-linkkikondensaattorit toimivat suuremmalla teholla, ja niiden nimellisjännitteet ovat yleensä korkeammat. Lisäksi tason 3 latureissa tarvitaan AC-tulosuodatuskondensaattoreita ja DC-lähtösuodatuskondensaattoreita (kuva 2):

• AC-tulosuodatuskondensaattorit: korkeamman tehotason vuoksi nämä kondensaattorit on usein koteloitu eri tavalla kuin alhaisempaa tehoa käsittelemään suunnitellut laitteet. Vaikka esimerkiksi tason 1 ja 2 latureiden matalamman tehon suodatuskondensaattoreissa voi olla juotettavat jalat tai pikaliittimet nopeaa piirilevyihin kiinnittämistä varten, tason 3 DC-pikalatureissa käytetyissä kondensaattoreissa on usein ruuviliittimet, joilla se kiinnitetään suoraan korkeatehoiseen virtakiskoon. Tason 3 latureiden tulokondensaattoreilta voidaan edellyttää ANSI-/IEEE-standardin 18 vaatimusten täyttämistä.
• DC-lähtösuodatuskondensaattorit: näillä kondensaattoreilla on samanlainen käyttötarkoitus kuin tason 1 ja 2 aurinkovoimaa käyttävien latureiden AC-yliaaltosuodatuskondensaattoreilla. Ne absorboivat transientteja ja suodattavat laturin DC-DC IGBT ‑kytkentävaiheessa tuottamat yliaallot tasoittaen lähtöjännitteen. Näiden kondensaattorien on yhdistettävä matala ESR-arvo ja suuri rippelivirran kesto.

Kuva 2: Sähköverkkoon kytketyissä tason 3 DC-latureissa tarvitaan komponentteja, jotka kestävät korkeita virta- ja jännitetasoja. (Kuvan lähde: Cornell Dubilier Electronics)

Kondensaattorit tason 1 ja 2 aurinkovoimaa käyttäville EV-latureille

DC-tulosuodatus: Cornell Dubilier tarjoaa useita eri alumiinielektrolyyttikondensaattoreita DC-tulosuodatukseen tason 1 ja 2 EV-latureissa, mukaan lukien ruuviliittimillä varustetut DCMC-kondensaattorit sekä pikaliittimillä varustetut 380LX/382LX +85 °C- ja 381LX/383LX +105 °C -kondensaattorit (kuva 3). DCMC-kondensaattorien kapasitanssit vaihtelevat 110 mikrofaradista jopa 2,7 faradiin, ne tukevat jopa 550 voltin jännitteitä, niiden käyttölämpötila-alue on −40 ... +85 °C ja ne kestävät korkeita rippelivirtoja. Tyypin 380LX kondensaattorien käyttöikä on 3 000 tuntia täyskuormituksella lämpötilassa +85 °C, ja 381XL-kondensaattorien käyttöikä on 3 000 tuntia täydellä kuormituksella lämpötilassa +105 °C. 380LX/382LX- ja 381LX/383LX-kondensaattoreita on saatavilla 2-, 4- ja 5-nastaisina versioina tukevaa ja tarkkaa piirilevyyn kiinnitystä varten.

Kuva 3: 381LX ja muut saman tuoteperheen kondensaattorit käyttävät pikaliittimiä piirilevyyn kiinnittämistä varten. (Kuvan lähde: Cornell Dubilier Electronics)

DC-linkitys: DC-linkitykseen voidaan käyttää tyypin 550C alumiinielektrolyyttikondensaattoreita, kuten 550C562T400DP2B, ja 947D-sarjan metallikalvokondensaattoreita, kuten 947D601K901DCRSN. 550C-sarjan käyttöikä on yli 100 000 tuntia tyypillisissä käyttösovelluksissa ja jopa 20 000 tuntia käyttölämpötilassa +85 °C. 550C-kondensaattorien ESR on matala, vain 7 milliohmia (mΩ), ja niissä on ruuviliittimet piirilevyyn tai virtakiskoon kiinnittämistä varten. Ne kestävät myös suuria rippelivirtoja.

947D-sarjassa yhdistyvät korkea kapasitanssi ja erittäin korkea rippelivirtojen kesto, joita tarvitaan invertteriratkaisuissa. Näitä kondensaattoreita on saatavilla nimellisjännitteillä 900 – 1 300 V_DC. Niille luvataan 7 000 tunnin käyttö lämpötilassa +85 °C, ja niiden käyttöikä on 350 000 tuntia ytimen lämpötilassa +60 °C ja täydellä nimellisjännitteellä.

AC-lähdön yliaaltosuodatus: AC-lähdön yliaaltosuodatukseen vaativissa ympäristöissä voidaan käyttää AEC-Q200-hyväksynnän saaneen ALH-sarjan AC-suodatuskondensaattoreita. Vakiomallisiin kondensaattoreihin verrattuna näiden kondensaattorien käyttöikä on 50 % pidempi kiihdytetyn 85/85-THB-testauksen perusteella. Niillä on korkeat tehollisvirta-arvot, minkä ansiosta ne kestävät korkeamman tason yliaaltoja korkeataajuisissa IGBT-pohjaisissa inverttereissä. Niiden kapasitanssi on 0,22–50 mikrofaradia (μF), jännite 160–450 V_AC ja taajuus 50/60 Hz. Nämä itsekorjautuvat kondensaattorit metalloidulla polypropeenikalvolla käyttävät tukevaa piirilevylle kiinnitettävää koteloa (kuva 4), ja niiden käyttölämpötila-alue on −40 ... +105 °C. ALH-sarjan kondensaattorien käyttöikä on 100 000 tuntia nimellisjännitteellä ja kuumapistelämpötilassa +70 °C.

Kuva 4: ALH-sarjan AC-suodatuskondensaattorit tarjoavat AC-lähdön yliaaltosuodatuksen vaativissa ympäristöissä, ne ovat itsekorjautuvia ja ne on suunniteltu läpiasennettaviksi piirilevyille. (Kuvan lähde: Cornell Dubilier Electronics)

Superkondensaattorit: Kun tarvitaan superkondensaattorien mahdollistamia välittömiä tehopiikkejä, voidaan käyttää Cornell Dubilierin DGH-sarjan ja DSF-sarjan superkondensaattoreita. DGH-sarja sisältää 21 erilaista arvo/jänniteyhdistelmää, joiden kapasitanssit ovat 0,5–600 F ja jänniteluokitus 2,7–5,5 DC (käyttöjännite, WV_DC). DSF-superkondensaattorit tarjoavat korkeamman käyttöjännitteen, 3,0 WV_DC yhdessä komponentissa ja 6,0 WV_DC kaksoiskomponentissa (kuva 5). Tämän korkeamman jännitemitoituksen ansiosta energiatiheys on 24 % suurempi. DSF-sarja sisältää 17 erilaista arvo/jänniteyhdistelmää, joiden kapasitanssit ovat 1,5–600 F. Molemmille sarjoille luvataan 500 000 lataussykliä. Niitä on saatavilla sekä läpiasennus- että pikaliitinversioina piirilevyihin integrointia varten.

Kuva 5: DSF-superkondensaattoreita on saatavilla sekä yksittäisinä että kaksoiskomponentteina. (Kuvan lähde: Cornell Dubilier Electronics)

Kondensaattorit tason 3 latureille

AC-tulon ja yliaaltojen suodatus: Tason 3 DC-latureiden tukemia korkeita tehotasoja varten voidaan käyttää PFCH-sarjan kolmivaiheisia sarjakondensaattoreita, kuten PFCHX48D20S108T, jonka mitoitusarvot ovat 76,8 μF ja 480 V_AC, ja joka on suunniteltu AC-tulon yliaaltojen suodatukseen. Nämä kondensaattorit koostuvat kolmesta itsekorjautuvasta metalloidusta polypropeenikäämityksestä, jotka on kolmiokytketty ja koteloitu sylinterimäiseen alumiinikuoreen. Niiden käyttöiäksi luvataan 60 000 tuntia kestotodennäköisyydellä 94 % ja niiden vikaantumisen FIT-arvo on ≤300 x 10⁹ komponentin käyttötuntia. Niissä on painekatkaisin, joka irrottaa kaikki kolme vaihetta kondensaattorin käyttöiän päättyessä tai sen ylikuormittuessa. Ne täyttävät ANSI/IEEE-standardin 18 vaatimukset, ja niiden oikosulkuvirran enimmäisarvo on 10 kiloampeeria (kA) UL 810 -standardin mukaisesti.

DC-linkitys: DC-linkitykseen sopivia kondensaattoreita ovat BLH DC Link ‑kondensaattorit, jotka on suunniteltu kiinnitettäväksi piirilevyyn ja joita on testattu 1 500 tunnin ajan lämpötilassa +85 °C ja suhteellisessa ilmankosteudessa 85 % nimellisjännitteellä, ja 474-sarja, kuten 0,47 μF:n ja 1,2 kV_DC:n 474PMB122KSP2-kalvokondensaattori, joka on suunniteltu suoraan asennettavaksi IGBT-moduuleihin DC-linkitystä ja suodatusta varten.

BLH-kondensaattorit on suunniteltu käytettäviksi lämpötilassa −40 ... +105 °C. Niiden nimellisjännite laskee yli +85 °C:n lämpötiloissa 1,35 %/°C, ja ne täyttävät IEC 61071- ja AEC-Q200-standardin vaatimukset. 474-sarjan kondensaattorit, kuten 474PMB122KSP2, on suunniteltu käytettäviksi lämpötiloissa −40 ... +100 °C. DC-jännite laskee 1,5 % ja AC-jännite 2,5 % per °C lämpötilan ollessa yli +85 °C.

DC-lähtösuodatus: 944U-sarjan korkeille sähkövirroille tarkoitetut kalvokondensaattorit sisältävät komponentteja jänniteluokituksella 800, 1 000, 1 200 ja 1 400 V_DC. Niiden kapasitanssi on 33–220 μF ja virran tehollisarvo jopa 75 A lämpötilassa +55 °C. Korkea rippelivirran kestokyky on tulosta näiden metalloitujen polypropeenikondensaattoreiden sisäisen rakenteen mahdollistamasta matalasta induktanssista. Ne on koteloitu matalaprofiiliseen palamista hidastavaan UL94V0-koteloon, jonka halkaisija on 84,5 mm. Sen pohjassa on kiinnityslaipat ja päällä M8-kierteiset liitintapit (kuva 6). Nimellisarvoista riippuen kotelon korkeus on 40 mm, 51 mm tai 64 mm.

Kuva 6: 944U-kalvokondensaattoreiden ruuviliitäntöjä voidaan käyttää sen kytkemiseen piirilevyyn tai virtakiskoon. (Kuvan lähde: Cornell Dubilier Electronics)

Yhteenveto

Kuten yllä on esitetty, EV-laturit tarvitsevat laajan valikoiman kondensaattorityyppejä luotettavan ja tehokkaan toiminnan varmistamiseksi. Cornell Dubilier tarjoaa laajan valikoiman kondensaattorityyppejä ja kiinnitystyylejä, jotka tukevat suorituskykyisten latureiden suunnittelua ja rakentamista tason 1, 2 ja 3 käyttökohteisiin.