Kondenzátorok kiválasztása és alkalmazása hatékony, megbízható és fenntartható elektromos járműtöltő berendezésekhez

Az elektromos járművek töltőberendezései különböző feszültség- és teljesítményszintű változatokban készülnek, de a bemeneti és kimeneti egyenáram szűrését, az egyenáramú csatolást és a váltakozó áram felharmonikusainak szűrését illetően mindegyikük kondenzátorokra támaszkodik, ezen kívül egyes konstrukciókban az akkumulátoros energia tárolására szuperkondenzátorokat használnak, kombinálva napelemes inverterekkel. Mivel az elektromos járművek töltőit gyakran kültéren vagy más durva környezetekben helyezik el, a tervezőknek először egy megfelelő működési profilú, majd ezután egy megfelelő típusú kondenzátort kell választaniuk, hogy a konstrukció megfeleljen az igényes megbízhatósági követelményeknek.

A tervezőknek biztosaknak kell lenniük abban, hogy a kiválasztott kondenzátor fizikailag kellően robusztus, és hogy széles üzemi hőmérsékleti tartományban használható, hosszú működési élettartammal. A kondenzátoroknak továbbá kompaktnak kell lenniük, és képeseknek a nagy áramingadozások tűrésére túlmelegedés vagy a működési teljesítmény romlása nélkül. Ezenkívül meg kell felelniük az autóipari AEC-Q200 szabvány elektromos és mechanikai követelményeinek, valamint a Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság (IEC) 61071 szabványában leírt működésbeli követelményeknek, néhányuknak pedig az ANSI/IEEE 18 szabványnak.

Az ilyen áramköri alkalmazási esetek változatos igényeinek kielégítésére a tervezők különféle kondenzátor-technológiákhoz, például teljesítményelektronikai fóliakondenzátorokhoz, alumínium elektrolit kondenzátorokhoz és szuperkondenzátorokhoz fordulhatnak, beleértve az alacsony induktivitású konstrukciókat, az áramingadozásokat jól tűrő, a magas üzemi hőmérsékletű, az öngyógyuló és az IEC 61071 szabványnak megfelelő AEC-Q200 minősítésű típusokat, valamint az alacsony egyenértékű soros ellenállású (ESR) szuperkondenzátorokat.

Ez a cikk a különböző töltési szinteket mutatja be, és ezen szintek alapján áttekinti a kondenzátorok használatát a napelem-inverteres áramkörökben. Ezután a Cornell Dubilier Electronics alkatrészein keresztül bemutat néhány bemeneti szűrő kondenzátort, teljesítmény áramkörökben felhasználandó egyenáramú csatoló fóliakondenzátort, felharmonikus szűrő kondenzátort, kimeneti szűrő kondenzátort és szuperkondenzátort, amelyek különböző elektromos járműtöltő állomások megépítésekor használhatók. Továbbá ismerteti a különböző tokozásokat, amelyek meghatározzák, hogy e kondenzátorok hogyan szerelhetők rá nyomtatott áramköri lapokra (NyÁK), hogyan rögzíthetők gyűjtősínekhez, illetve hogyan csatlakoztathatók közvetlenül a szigetelt kapus bipoláris tranzisztoros (IGBT) modulokhoz sikeres konstrukciók létrehozásához.

Elektromos járművek töltési szintjei és követelményeik

Az elektromos járművek töltését illetően három töltési szint létezik: az 1. szintű lakossági töltők 120 voltos feszültségű (V_AC) váltakozó áramot biztosítanak; a 2. szintű lakossági és nyilvános töltők 208/240 V_AC feszültségű áramot; a 3. szintű kereskedelmi és nyilvános töltők pedig 400-900 V-os feszültségű egyenáramot (V_DC) egyenáramú gyorstöltéshez és szupertöltéshez. Az 1. és 2. szintű töltők némelyike napelemes inverterek és akkumulátoros energiatárolók használatán alapul.

Az egyre elterjedtebb napelemes 1. és 2. szintű töltők egy egyenáram-átalakítót (DC-DC) és egy egyenáram-váltóáram (DC-AC) irányú invertert tartalmaznak. Ezen töltőknél az AEC-Q200 és IEC 61071 szabványoknak megfelelő, mostoha elektromos körülményekben történő használatra tervezett, különféle nagy teljesítményű kondenzátorokra van szükség, beleértve az 1. ábrán látható típusokat is:

• Egyenáramú bemeneti szűrő és egyenáramú csatoló kondenzátorok: Ezek a töltők kis induktivitású egyenáramú bemeneti szűrőt és egyenáramú csatoló kondenzátorokat igényelnek, amelyeket közepes áramerősségekhez optimalizáltak. Előnyös lehet az akár 1 F vagy annál nagyobb értékű kondenzátorok használata, melyek ESR-értékének (egyenértékű soros ellenállásuknak) alacsonynak kell lennie, hogy a belső felmelegedés minimális legyen.
• Váltóáramú kimeneti szűrőkondenzátorok: Az IGBT-alapú kapcsolóüzemű áramátalakítóknál a jelek felharmonikus-tartalma igen magas lehet valamint teljes harmonikus torzítást (THD) is produkálhatnak, amit kimeneti szűrőkondenzátorokkal szűrni kell. Nem megfelelő szűrés esetén a felharmonikusok miatt a kimeneti váltakozó áramú jel eltrozulhat.
• Szuperkondenzátorok: Az 1. és 2. szintű napelemes töltőknél szuperkondenzátorok hozzáadása különösen előnyös lehet, mert segítenek a rendszernek alkalmazkodni a napfénybesugárzás változásaihoz. A felhővonulás ugyanis akadályozza a napfénynek a viszonylag kisméretű napelemekhez történő eljutását, ami kimeneti teljesítménycsúcsokat és völgyeket eredményez. Ezekben a rendszerekben a csúcsteljesítmény és az átlagos teljesítmény aránya problémákat okozhat a csak akkumulátoros rendszerek számára. Szuperkondenzátorok és akkumulátorok kombinált használatával nagyobb teljesítménysűrűségű rendszerek alakíthatók ki.

1. ábra: Az elektromos járművek napelemes inverter alapú töltőinél különféle kondenzátorokra és szuperkondenzátorokra van szükség (kép: Cornell Dubilier Electronics)

A kondenzátorok a váltóáram-egyenáram konverteres 3. szintű egyenáramú gyorstöltőknél is fontosak. Az 1. és 2. szintű töltőkhöz hasonlóan az egyenáramú gyorstöltőknél is csatoló kondenzátorok alkalmazására van szükség. Az egyenáramú gyorstöltők egyenáramú csatoló kondenzátorai nagyobb teljesítményű, és általában nagyobb névleges feszültségű eszközök. A 3. szintű töltőknél ezenkívül a bemeneti váltakozó feszültség felharmonikus-tartalmát szűrő kondenzátorokra és egyenáramú kimeneti szűrőkondenzátorokra is szükség van (2. ábra):

• Váltóáramú bemeneti szűrőkondenzátorok: A nagyobb teljesítményszintek támogatásához ezeknek a kondenzátoroknak a tokozása gyakran eltér a kisebb névleges teljesítményű eszközökénél. Míg például az 1. és 2. szintű töltőkben lévő kisebb teljesítményű szűrőkondenzátorok a nyomtatott áramköri lapokra való gyors rászerelhetőséghez vagy forrasztólábakra való gyors forrasztáshoz rápattintható érintkezőkkel rendelkeznek, a 3. szintű egyenáramú gyorstöltőkben használt kondenzátorok gyakran a nagyáramú gyűjtősínekhez közvetlenül csatlakoztatható csavaros érintkezős kialakításúak. A 3. szintű töltőknél a bemeneti kondenzátoroknak meg kell felelniük az ANSI/IEEE 18. szabványnak.
• Egyenáramú kimeneti szűrőkondenzátorok: Ezek a kondenzátorok az 1. és 2. szintű napelemes töltőknél a váltóáram felharmonikus-tartalmát szűrő kondenzátoraihoz hasonló funkciót töltenek be. Elnyelik a tranzienseket és kiszűrik a töltő DC-DC IGBT kapcsolófokozata által generált felharmonikusokat, simítva a kimeneti feszültséget. Ezeknek a kondenzátoroknak alacsony ESR értékkel kell rendelkezniük, jó áramingadozás-tűrési képességgel.

2. ábra: A hálózatról táplált 3. szintű egyenáramú töltőkhöz a nagy áramerősségeket és feszültségeket elbíró alkatrészek kellenek (kép: Cornell Dubilier Electronics)

1. és 2. szintű napelemes töltőállomásokhoz való kondenzátorok

Bemeneti egyenáram szűrése: A Cornell Dubilier többféle alumínium elektrolit kondenzátort kínál a tervezőknek az 1. és 2. szintű járműtöltők egyenáramú bemenetének szűrésére, beleértve a csavaros kivezetéses DCMC kondenzátorokat, valamint a 380LX/382LX típusú +85 °C névleges hőmérsékletű és a 381LX/383LX típusú +105 °C-os pattintható kondenzátorokat (3. ábra). A DCMC kondenzátorok 110 µF és 2,7 F közötti kapacitásúak, névleges feszültségük 550 voltig terjed, üzemi hőmérséklet-tartományuk -40 °C és +85 °C között van, és nagy áramingadozások tűrésére képesek. A 380LX típusú kondenzátorok élettartama teljes terhelésen 3000 óra +85 °C-on, míg a 381XL típusoké teljes terhelésen 3000 óra +105 °C-on. A 380LX/382LX és 381LX/383LX kondenzátorok 2, 4 és 5 tűs kivitelben kaphatók, a nyomtatott áramköri kártyákra való biztonságos és pontos rászerelhetőséghez.

3. ábra: A 381LX és a hasonló típusú kondenzátorok NyÁK-ba pattintható kivezetésekkel rendelkeznek (kép: Cornell Dubilier Electronics)

Egyenáramú csatolás: Az egyenáramú csatoláshoz a tervezők az 550C típusú alumínium elektrolit (például az 550C562T400DP2B) és a 947D sorozatú fémbevonaú fóliakondenzátorok (például a 947D601K901DCRSN) közül választhatnak. Az 550C sorozat élettartama tipikus használat esetén több mint 100 000 óra, +85 °C-on történő működés esetén pedig akár 20 000 óra is lehet. Az 550C kondenzátorok ESR értéke 7 mΩ, csavaros kivezetésekkel rendelkeznek NyÁK-ra vagy gyűjtősínre való rögzítéshez, és nagy áramingadozások elviselésére képesek.

A 947D sorozat a nagy kapacitásértéket egyesíti a nagyon nagy áramingadozás-tűrési képességgel, amire az inverterteres konstrukcióknál van szükség. Ezek a kondenzátorok 900 és 1300 V_DC közötti névleges feszültségű változatokban kaphatók. Névleges üzemidejük +85 °C-on 7000 óra, és 350 000 órás élettartamot várnak el tőlük +60 °C-os maghőmérsékleten teljes névleges feszültséggel.

Váltóáramú kimeneti felharmonikus szűrés: A váltóáramú kimeneten jelentkező felharmonikus-tartalom szűréséhez a tervezők az AEC-Q200 minősítésű ALH sorozatú szűrőkondenzátorokat használhatják. A szabványos kondenzátorokhoz képest ezek a kondenzátorok a gyorsított 85/85-ös nedvesmeleg-állósági (THB) vizsgálatok alapján 50%-kal hosszabb élettartammal rendelkeznek. Névleges effektív áramerősségük nagy, ami alkalmassá teszi őket a nagyfrekvenciás IGBT-alapú invertereknél a magasabb rendű felharmonikusok szűrésére. A névleges kapacitásuk 0,22 és 50 µF közötti, 160 és 450 V_AC közötti feszültséggel 50/60 Hz-en. Ezek az öngyógyuló, fémbevonatú polipropilén fóliakondenzátorok robusztus, kártyára szerelhető tokozásúak (4. ábra) -40 °C és +105 °C közötti üzemi hőmérséklettartománnyal. Az ALH sorozatú kondenzátorok várható élettartama névleges feszültségen és +70 °C forróponti hőmérsékleten 100 000 óra.

4. ábra: Az ALH sorozatú szűrőkondenzátorok a váltóáram nagyfrekvenciás kapcsolása során keletkező felharmonikus-tartalom szűrését biztosítják a kimeneten, öngyógyulóak, és nyomtatott áramköri lapokra furatszerelt technológiával szerelhetők (kép: Cornell Dubilier Electronics)

Szuperkondenzátorok: Azon konstrukciókhoz, amelyeknél időnként azonnali energiakinyerésre van szükség, a Cornell Dubilier a DGH és a DSF sorozatú szuperkondenzátorokat kínálja. A DGH sorozat 21 különböző érték/feszültség kombinációs változatot tartalmaz, 0,5 F és 600 F közötti kapacitásértékekkel, valamint 2,7 és 5,5 V közötti üzemi egyenfeszültséggel (WV_DC). A DSF szuperkondenzátorok magasabb, 3,0 WV_DC-os értéket kínálnak az egy kondenzátoros szimpla komponensek esetében, és 6,0 WV_DC-os értéket a kettős eszközök esetében (5. ábra). Ezek a magasabb névleges feszültségek 24%-kal nagyobb energiasűrűséget tesznek lehetővé. A DSF sorozat 17 különböző érték/feszültség kombinációs változatot tartalmaz, 1,5 F és 600 F között változó kapacitásrtékekkel. Mindkét sorozat tagjait névlegesen 500 000 ciklusra tervezték. Választhatóak furatszerelt technológiás vagy bepattintható kivezetésekkel a nyomtatott áramköri lapokra történő szereléshez.

5. ábra: A DSF szuperkondenzátorok kettős és egykondenzátoros változatban is kaphatók (kép: Cornell Dubilier Electronics)

3. szintű töltőkhöz való kondenzátorok

Váltóáramú bemenet és felharmonikus szűrés: A 3. szintű egyenáramú töltők által támogatott nagy teljesítményszintekhez a tervezők a PFCH sorozatú háromfázisú sorba kapcsolt kondenzátorait használjhatják, például a PFCHX48D20S108T-t, amely 76,8 µF névleges értékű, 480 V_AC névleges feszültségű, és a bemeneti váltakozó áram felharmonikus-tartalmának szűrésére tervezték. Ezek a kondenzátorok delta kapcsolásba kapcsolt, három öngyógyuló fémbevonatú polipropilén tekercsből állnak, egy hengeres alumínium házban. Névleges élettartamuk 60 000 óra, 94%-os túlélési aránnyal és 300 x 10⁹-en aluli kiesési valószínűséggel (FIT-rátával). Tartalmaznak egy nyomásmegszakítót, amely mindhárom fázist kikapcsolja a kondenzátor élettartamának lejárta vagy túlterhelés esetén. Megfelelnek az ANSI/IEEE 18 szabványnak, és maximális rövidzárlati áramuk 10 kA az UL 810 szabvány szerint.

Egyenáramú csatolás: Az egyenáramú csatoló kondenzátorok között megtalálhatóak a NyÁK-ra történő szerelésre tervezett BLH típusú egyenáramú csatoló kondenzátorok, amelyeket névleges feszültség alkalmazásával 1500 órán át teszteltek +85 °C-on, 85% relatív páratartalom mellett, valamint a 474-es sorozat, például a 0,47 µF-os, 1,2 kV_DC-os 474PMB122KSP2 fóliakondenzátor, amelyet IGBT modulokra történő közvetlen szerelésre terveztek egyenáramú csatolás és szűrés céljából.

A BLH kondenzátorok -40 °C és +105 °C névleges üzemi hőmérsékletűek, +85 °C felett a névleges feszültség fokonkénti 1,35%-os csökkenésével, és megfelelnek az IEC 61071 és az AEC- Q200 követelményeinek. A 474-es sorozatú kondenzátorok, mint például a 474PMB122KSP2, -40 °C és +100 °C közötti működésre vannak tervezve, +85 °C felett a névleges egyenfeszültség fokonként 1,5%-os, a váltakozó feszültség esetében pedig 2,5%-os csökkenésével.

Egyenáramú kimenet szűrése: A 944U sorozat nagyáramú fóliakondenzátorai 800, 1000, 1200 és 1400 _V névleges egyenfeszültségű eszközöket tartalmaznak, 33 µF és 220 µF közötti kapacitásértékekkel és 75 A-ig terjedő effektív áramerősséggel +55 °C-on. Ezen fémbeonvatú polipropilén kondenzátorok nagy áramingadozás-tűrési képessége az alacsony induktivitású belső felépítésüknek köszönhető. Egy szerelőkarimákkal rendelkező, 84,5 mm átmérőjű, alacsony profilú, UL94V0 fokozatú lángálló tokba vannak szerelve, és M8-as menetes csavaros kivezetéses kialakításúak (6. ábra). A névleges értékektől függően a tok magassága 40 mm, 51 mm vagy 64 mm lehet.

6. ábra: A 944U fóliakondenzátorok a csavaros kivezetéseiknek köszönhetően nyomtatott áramköri lapokhoz vagy gyűjtősínekhez csatlakoztathatók (kép: Cornell Dubilier Electronics)

Összegzés

Amint bemutattuk, az elektromos járművek töltőberendezéseiben különböző típusú kondenzátorok használatára van szükség ahhoz, hogy azok megbízhatóan és hatékonyan el tudják látni feladatukat. A Cornell Dubilier széles választékot kínál különböző típusú és szerelési módú kondenzátorokból, amelyek 1., 2. és 3. szintű töltőberendezések tervezésére és megépítésére használhatók.