Jó hatásfokú, megbízható és a fenntarthatóságot segítő elektromos járműtöltők létrehozása

Fontos a megfelelő kondenzátorok kiválasztása és használata

Az elektromos járművek (EV, electric vehicle) töltői különböző feszültség- és teljesítményszintekhez készülnek, de mindegyikükben kondenzátorok szolgálnak az olyan funkciók ellátására, mint a bemeneti egyenáramszűrés, az egyenáram simítása, a váltakozó áramú fel­harmonikusok szűrése, a kimeneti egyenáramszűrés. Ezenkívül egyes berendezésekben szuperkondenzátorokat használnak az akkumulátoros energiatárolással és napeleminverterekkel kombinálva. Mivel a EV töltőket gyakran kültéren vagy más zord környezetben helyezik el, a tervezőknek először meg kell határozniuk a kondenzátor teljesítményprofilját, majd ki kell választaniuk a magas követelményeket támasztó megbízhatósági jellemzők teljesítéséhez megfelelő kon­denzá­tor­típust.

A tervezőknek ügyelniük kell arra, hogy a kondenzátor fizikailag tűrőképes legyen, nagy névleges üzemi hőmérséklet-tartománnyal és hosszú működési élettartammal. A kondenzátoroknak kis méretűeknek kell lenniük, és túlmelegedés vagy teljesítményromlás nélkül kell simítaniuk a nagy búgóáramokat, továbbá meg kell felelniük az AEC-Q200 szabvány villamos és mechanikai követelményeinek, valamint a Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság (IEC, International Electrotechnical Commission) IEC 61071 szabványában a teljesítményre előírt követelményeknek, néhány kondenzátornak pedig teljesítenie kell az ANSI/IEEE 18 szabvány előírásait is.
Az ilyen áramkörökben való felhasználás változatos követelményeinek kielégítésére a tervezők különféle típusú kondenzátorokat használhatnak, például teljesítmény-rétegkondenzátorokat, alumínium-elektrolitkondenzátorokat vagy szuperkondenzátorokat, köztük kis induktivitású konstrukciókat, nagy névleges búgóáram-simító képességű, magas üzemi hőmérsékletű, öngyógyító képességű, az IEC 61071 szabványnak megfelelő, AEC-Q200 minősítésű kondenzátorokat, valamint kis egyenértékű soros ellenállású (ESR, equivalent series resistance) szuperkondenzátorokat is.
Ez a cikk ismerteti a különböző töltési szinteket, és áttekinti a kondenzátorok napeleminverterekben való áramköri használati módjait ezen szintek alapján. Ezután példákat mutat a Cornell Dubilier Electronics különféle elektromos járműtöltők létrehozására alkalmas bemeneti szűrőkondenzátoraira, nagy teljesítményű simító rétegkondenzátoraira, váltakozó áramú felharmonikusszűrő kondenzátoraira, valamint kimeneti szűrőkondenzátoraira és szuperkondenzátoraira. Bemutat továbbá néhány tokozási vátozatot, amely a sikeres készülékkialakítás érdekében ezen kondenzátorok nyomtatott áramköri lapokra szerelésére, gyűjtősínekre rögzítésére vagy közvetlenül a szigetelt kapus bipoláris tranzisztorokat (IGBT, insulated gate bipolar transistor) tartalmazó modulokhoz csatlakoztatására használható.

Az elektromos járműtöltési szintek és követelmények

Három elektromos járműtöltési szint létezik: az 1. szint 120 V váltakozó feszültséget (VAC) kínál lakossági felhasználók általi töltésre, a 2. szint a lakossági és nyilvános töltéshez szolgáltat 208–240 V váltakozó feszültséget, a 3. szint pedig a kereskedelmi és nyilvános töltők számára biztosít 400–900 V egyenfeszültséget egyenáramú gyorstöltéshez és szupertöltéshez. Egyes 1. és 2. szintű töltők napeleminvertereken és akkumulátoros energiatárolókon alapulnak.
Az egyre elterjedtebb 1. és 2. szintű napelemes töltők egyenáram-átalakítókat (DC–DC átalakító) és egyenáramot váltakozó árammá (DC–AC) alakító invertereket tartalmaznak. Ezekben különféle nagy teljesítményű kondenzátorokra van szükség, amelyeket villamos szempontból zord körülmények közötti használatra terveztek, és amelyek megfelelnek az AEC-Q200 és az IEC 61071 szabványnak. Ide tartoznak az 1. ábrán látható típusok is:

• Bemeneti egyenáramszűrő kondenzátorok és simítókondenzátorok: ezekbe a töltőkbe kis induktivitású bemeneti egyenáramszűrő kondenzátorokra és közepes teljesítményű készülékekhez optimalizált simítókondenzátorokra van szükség. Előnyös lehet e célokra akár 1 F vagy annál nagyobb értékű, valamint a belső felmelegedés minimálisra csökkentése érdekében kis egyenértékű soros ellenállású (ESR) kondenzátorok használata.
• Kimeneti váltakozóáram-szűrő kondenzátorok: az IGBT-alapú kapcsolt üzemmódú, nagy teljesítményű inverterek nagy felharmonikustartalmat és nagy teljes harmonikus torzítást (THD, total harmonic distortion) mutathatnak, amelyeket kimeneti váltakozóáram-szűrő kondenzátorokkal kell szűrni. Ha nem szűrjük őket megfelelően, a felharmonikusok torzíthatják a kimenő váltakozó áram hullámformáját.
• Szuperkondenzátorok: a szuperkondenzátorok használata különösen az 1. és 2. szintű napelemes töltőknél lehet előnyös, mert segítenek a rendszernek alkalmazkodni a napsugárzás változásaihoz, amikor felhők takarják el a viszonylag kis napelemeket, ami csúcsokat és hullámvölgyeket eredményez a leadott teljesítményben. Ezekben a rendszerekben az energia tárolására kizárólag akkumulátorokat használó rendszerek számára problémát jelenthet a csúcsteljesítmény és az átlagteljesítmény közötti arány. A szuperkondenzátorok és akkumulátorok kombinációja nagyobb teljesítménysűrűségű rendszert eredményezhet.

1. ábra A napenergiával működő inverteres elektromos járműtöltőkhöz különféle kondenzátorokra és szuperkondenzátorokra van szükség (Kép: Cornell Dubilier Electronics)

A kondenzátorok a 3. szintű, váltakozó áram – egyenáram-átalakítást használó egyenáramú gyorstöltők tervezésénél is fontosak. Az 1. és 2. szintű töltőkhöz hasonlóan az egyenáramú gyorstöltőkben is szükség van simítókondenzátorokra. Az egyenáramú gyorstöltők simítókondenzátorai nagyobb teljesítményű eszközök, és általában nagyobb a névleges feszültségük. Ezenkívül a 3. szintű töltőkben bemeneti váltakozóáram-szűrő kondenzátorokra és kimeneti egyenáramszűrő kondenzátorokra van szükség (2. ábra):

• Bemeneti váltakozóáram-szűrő kondenzátorok: a nagyobb teljesítményszintek támogatása érdekében ezeket a kondenzátorokat gyakran másképp tokozzák, mint a kisebb teljesítmény kezelésére tervezett eszközöket. Például míg az 1. és 2. szintű töltőkben lévő kisebb teljesítményű szűrőkondenzátoroknak forrasztható lábai vagy a nyomtatott áramköri lapokhoz való gyors csatlakoztatás érdekében pattintható csatlakozói vannak, a 3. szintű egyenáramú gyorstöltőkben használt kondenzátorok gyakran csavaros csatlakozókkal vannak ellátva, amelyek közvetlenül a nagy teljesítményű gyűjtősínekhez csatlakoztathatók. A 3. szintű töltők bemeneti kondenzátorainak meg kell felelniük az ANSI/IEEE 18 szabványnak.
• Kimeneti egyenáramszűrő kondenzátorok: ezek a kondenzátorok az 1. és 2. szintű napelemes töltők váltakozó áramú felharmonikusszűrő kondenzátoraihoz hasonló funkciót töltenek be. Elnyelik az áramlökéseket, és kiszűrik a töltő egyenáram-átalakítójának IGBT kapcsolófokozata által keltett áramfel­harmonikusokat, kisimítva a kimenőfeszültséget. Ezeknek
  a kondenzátoroknak egyszerre kell kis egyenértékű soros ellenállásúaknak és nagy búgóáram-simító képességűeknek lenniük.

2. ábra A hálózatról táplált 3. szintű egyenáramú töltőkben olyan alkatrészekre van szükség, amelyek képesek nagy áramerősséget és feszültséget kezelni (Kép: Cornell Dubilier Electronics)

1. és 2. szintű napelemes villanyjárműtöltőkhöz való kondenzátorok

Bemeneti egyenáramszűrés: A Cornell Dubilier többféle alumínium-elektrolitkondenzátort kínál a tervezőknek az 1. és 2. szintű elektromos járműtöltők bemenő egyenáramának szűrésére, beleértve a csavaros csatlakozójú DCMC kondenzátorokat, valamint a 85 °C-ig használható 380LX/382LX és a 105 °C-ig használható 381LX/383LX pattintható csatlakozójú kondenzátorokat (3. ábra). A DCMC kondenzátorok kapacitása 110 µF-tól 2,7 F-ig, feszültségük 550 V-ig terjed, üzemi hőmérséklet-tartományuk –40 °C és +85 °C közötti, és nagy búgóáramok simítására képesek. A 380LX típusú kondenzátorok élettartama teljes terhelésen, 85 °C-on használva 3000 óra, míg a 381LX típusú kondenzátoroké teljes terhelésen, 105 °C-on használva szintén 3000 óra. A 380LX/382LX és a 381LX/383LX típusú kondenzátorok 2, 4 és 5 lábú kivitelben kaphatóak, hogy segítsék a nyomtatott áramköri lapokra való biztonságos és pontos felszerelést.

3. ábra A 381LX és a hozzá hasonló kondenzátorok a nyomtatott áramköri lapra pattintható csatlakozókkal vannak ellátva (Kép: Cornell Dubilier Electronics)

Az egyenáram simítása: az egyenáram simításához a tervezők választhatnak az 550C sorozatú alumínium-elektrolitkondenzátorok közül, amilyen például az 550C562T400DP2B, illetve a 947D sorozatú fémbevonatos rétegkondenzátorok közül, amilyen például a 947D601K901DCRSN. Az 550C sorozat élettartama a jellegzetes felhasználási módokban több mint 100 000 óra, 85 °C-on használva pedig akár 20 000 óra is lehet. Az 550C kondenzátorok egyenértékű soros ellenállása akár mindössze 7 mΩ is lehet, csavaros csatlakozókkal vannak ellátva a nyomtatott áramköri lapra vagy gyűjtősínre szereléshez, és nagy búgóáramok simítására képesek.
A 947D sorozat egyesíti a nagy kapacitást és a nagyon jó búgóáram-simító képességet, amire az invertereknél szükség van. Ezek a kondenzátorok 900 V és 1300 V közötti üzemi egyenfeszültséggel kaphatóak. A névleges üzemidejük 85 °C-on használva 7000 óra, 60 °C-os maghőmérsékleten és teljes névleges feszültségen használva pedig 350 000 órás élettartam várható tőlük.

Kimeneti váltakozó áram felharmonikusszűrése: a kimenő váltakozó áram felharmonikusainak szűrésére a tervezők használhatják az AEC-Q200 minősítésű ALH sorozatú váltakozó áramú szűrőkondenzátorokat. Ezeknek a kondenzátoroknak a gyorsított 85/85-ös (85 °C hőmérsékleten, 85% páratartalom mellett, névleges üzemi feszültségen végzett) THB-tesztjei (temperature-humidity-bias, hőmérséklet–páratartalom–előfeszítés) alapján 50%-kal hosszabb az élettartamuk, mint a normál kondenzátoroknak. Nagy a névleges hatásos (RMS) áramerősségük, ami alkalmassá teszi őket a nagyfrekvenciás IGBT-alapú inverterek magasabb rendű felharmonikusainak kezelésére. A kapacitástartományuk 160 V és 450 V közötti 50/60 Hz-es váltakozó feszültség ráadása esetén 0,22 µF és 50 µF között van. Ezek az öngyógyító, fémbevonatos polipropilén rétegkondenzátorok nagy tűrőképességű, nyomtatott áramköri lapra szerelhető tokban kaphatóak (4. ábra), és –40 °C és +105 °C közötti az üzemi hőmérséklet-tartományuk. Az ALH sorozatú kondenzátorok várható élettartama névleges feszültségen használva 100 000 óra, a forrópontjuk hőmérséklete pedig +70 °C.

4. ábra Az ALH sorozatú váltakozó áramú szűrőkondenzátorok a kimenő váltakozó áram felharmonikusainak szűrésére szolgálnak zord környezetben, öngyógyítóak és furatszerelt kialakításúak (Kép: Cornell Dubilier Electronics)

Szuperkondenzátorok: a Cornell Dubilier a szuperkondenzátorok által lehetővé tett azonnali energialöketek előállítására a DGH és a DSF sorozatú szuperkondenzátorokat kínálja. A DGH sorozatot 21 különböző érték–feszültség kombinációjú kondenzátor alkotja, 0,5 F és 600 F közötti kapacitással és 2,7 V–5,5 V közötti üzemi egyenfeszültséggel (WVDC). A DSF szuperkondenzátorok magasabb, 3,0 WVDC üzemi egyenfeszültséget kínálnak egyszeres (szimpla) és 6,0 WVDC értéket kettős (dupla) kialakítás esetén (5. ábra). Ez a magasabb feszültségérték 24%-kal nagyobb energiasűrűséget eredményez. A DSF sorozatot 17 különböző érték–feszültség kombinációjú kondenzátor alkotja 1,5 F és 600 F közötti kapacitással. Mindkét sorozat 500 000 töltés-kisütési ciklusra van méretezve. A nyomtatott áramköri lapra szereléshez kaphatóak furatszerelt és bepattintható lábbal.

5. ábra A DSF szuperkondenzátorok egyszeres és kettős kialakítású eszközként is kaphatóak (Kép: Cornell Dubilier Electronics)

3. szintű töltőkhöz való kondenzátorok

Bemeneti váltakozó áram felharmonikusszűrése: a 3. szintű egyenáramú töltők által lehetővé tett nagy teljesítményszintekhez a tervezők használhatják a PFCH sorozatú háromfázisú soros kondenzátorokat, amilyen például a PFCHX48D20S108T, amelynek 76,8 µF a névleges kapacitása és 480 V váltakozó feszültség a névleges feszültsége, és bemeneti váltakozóáram- és felharmoni­kus­­­szűrésre tervezték. Ezek a kondenzátorok három öngyógyító, fémbevonatos polipropiléntekercset tartalmaznak, amelyek deltakapcsolásban vannak összekötve, és az egész egy hengeres alumíniumházba van zárva. Tervezett élettartamuk 60 000 óra, 94%-os túlélési aránnyal és 10⁹ üzemóra alatt ≤ 300 alkatrész-meghibásodással (FIT, failures in time – 1 milliárd üzemórára vetített várható alkatrész-meghibásodási szám). Tartalmaznak egy nyomásmegszakítót is, amely a kondenzátor élettartamának lejárta vagy túlterhelés esetén mindhárom fázist lekapcsolja. Megfelelnek az ANSI/IEEE 18 szabványnak, és 10 kA a legnagyobb elviselt rövidzárlati áramerősségük, ami megfelel az UL 810 szabvány előírásainak.

Az egyenáram simítása: a simítókondenzátorok közé tartoznak a BLH simítókondenzátorok, amelyeket nyomtatott áramköri lapra szerelésre terveztek, és amelyeket 85 °C hőmérsékleten, 85% relatív páratartalom mellett, névleges feszültségen használva 1500 órán át teszteltek, valamint a 474-es sorozat tagjai, például a 0,47 µF kapacitású, 1,2 kV üzemi egyenfeszültségű (kVDC ) 474PMB122KSP2 rétegkondenzátor, amelyet közvetlenül az IGBT-modulokra szerelésre terveztek, hogy egyenáram-simítást és -szűrést lehessen velük megvalósítani.
A BLH kondenzátorok megfelelnek az IEC 61071 és az AEC-Q200 szabvány követelményeinek, névleges üzemi hőmérséklet-tartományuk –40 °C…+105 °C, a névleges üzemi feszültségük pedig 85 °C felett 1 °C-onként 1,35%-kal csökken. A 474-es sorozatú kondenzátorok – például a 474PMB122KSP2 – névleges üzemi hőmérséklet-tartománya –40 °C… +100 °C, és 85 °C felett a névleges üzemi egyenfeszültségük 1,5%-kal, névleges váltakozó feszültségük pedig 2,5%-kal csökken.

Kimeneti egyenáramszűrés: a 944U sorozatú nagyáramú rétegkondenzátorok névleges egyenfeszültsége 800 V, 1000 V, 1200 V vagy 1400 V, névleges kapacitásuk 33 µF és 220 µF közötti, a hatásos áramerősségük pedig 55 °C-on maximum 75 A lehet. A nagy búgóáram-simító képesség annak köszönhető, hogy ezeknek a fémbevonatos polipropilén rétegkondenzátoroknak a belső felépítésük következtében kicsi az induktivitásuk. 84,5 mm átmérőjű, kis magasságú UL94V0 égésgátló tokban kaphatóak, amelynek alján szerelőperemek és M8-as menetes csavaros csatlakozók találhatók (6. ábra). A tok magassága a kondenzátor névleges értékeitől függően 40 mm, 51 mm vagy 64 mm.

6. ábra A 944U rétegkondenzátorok csavaros csatlakozói a nyomtatott áramköri lapra vagy a gyűjtősínre csatlakoztatáshoz használhatók (Kép: Cornell Dubilier Electronics)

Összegzés

Mint látható, az elektromos járműtöltők esetében sokféle kondenzátorra van szükség a megbízható és jó hatásfokú működés biztosításához. A Cornell Dubilier a kondenzátorfajták és beépítési módok széles választékát kínálja a nagy teljesítményű 1., 2. és 3. szintű töltők tervezésének és kivitelezésének támogatására.

Ajánlott olvasnivaló

• Use Bidirectional Power Converters and PFC to Improve HEV, BEV, and Electric Grid Efficiency (A hibrid gépjárművek (HEV), az akkumulátoros elektromos járművek (BEV) és a villamos hálózat hatásfokának javítása kétirányú áramátalakítókkal és teljesítménytényező-javítással)
• How to Simplify Motor Drive and Inverter Designs Using IGBT Modules (A villanymotor-vezérlés és az inverterek egyszerűsítése IGBT-mo­dulokkal)
• Reduce EV Range Anxiety and Improve Safety Using Integrated FOC Motor Control and Advanced Sensors (Az elektromos járművek hatótávolságával kapcsolatos aggodalmak enyhítése és a biztonság növelése beépített térirányvezérléses villanymotor-vezérléssel és korszerű érzékelőkkel)
• Use CCS Connectors to Simplify the Implementation of Safe EV Fast Charging Systems (CCS-csatlakozók használata a biztonságos elektromos járműgyorstöltő rendszerek megvalósításának egyszerűsítésére)
• How to Ensure Circuit Protection, High Speed Data, and Power Conver­sion for eMobility Platforms (Az áramkörvédelem, a nagy sebességű adatforgalom és az áramátalakítás megvalósítása elektromos járművek számára)

Szerző: Rolf Horn – Alkalmazástechnikai mérnök, Digi-Key Electronics

Digi-Key Electronics
www.digikey.hu
Angol/német nyelvű kapcsolat
Rolf Horn
Application Engineer
Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +49 89 2444 8 x 16817
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.