如何選擇并運用電容器來(lái)確保電動(dòng)汽車(chē)充電器的高效性、可靠性和可持續性

發(fā)布時(shí)間:2023-3-30 10:36    發(fā)布者:eechina
來(lái)源:Digi-Key
作者:Jeff Shepard

電動(dòng)汽車(chē) (EV) 充電器盡管電壓和功率水平不盡相同,但都依靠電容器來(lái)執行直流輸入濾波、直流鏈接、交流諧波過(guò)濾、直流輸出濾波等功能,在一些設計中,超級電容器要結合電池儲能和太陽(yáng)能逆變器一起使用。由于電動(dòng)汽車(chē)充電器通常位于戶(hù)外或其他惡劣環(huán)境中,設計人員面臨的挑戰首先是確定電容器的性能特征,然后是選擇適當的電容器類(lèi)型以滿(mǎn)足苛刻的可靠性要求。

設計人員需要確保電容器在物理上是堅固的,具有較寬的工作溫度等級和較長(cháng)的工作壽命。電容器需要很緊湊,且能夠處理大的紋波電流而不會(huì )過(guò)熱或遭受性能下降,同時(shí)需要滿(mǎn)足 AEC-Q200 的電氣和機械要求,以及國際電工委員會(huì ) (IEC) 61071 的性能要求,有些還需要滿(mǎn)足 ANSI/IEEE 18 標準。

為了滿(mǎn)足這些電路應用的不同需求,設計人員可以使用各種電容器技術(shù)來(lái)應對,如電力薄膜電容器、鋁電解電容器和超級電容器(包括低電感設計)、具有高額定紋波電流、高工作溫度、自愈能力、符合 IEC 61071 要求的 AEC-Q200 級電容器,以及具有低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 的超級電容器。

本文首先界定了各個(gè)充電級別的差異,并按照這些級別分別探討了太陽(yáng)能發(fā)電逆變器中電容器的電路應用。然后介紹了 Cornell Dubilier Electronics 提供的適合各種電動(dòng)汽車(chē)充電器設計的輸入濾波、電力薄膜直流鏈路、交流諧波過(guò)濾和輸出濾波電容器以及超級電容器實(shí)例,以及將這些電容器集成到印刷電路板(PC 板)、連接到母線(xiàn)或直接連接到絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 模塊的封裝選擇,以確保設計的成功。

電動(dòng)汽車(chē)充電級別和要求

電動(dòng)汽車(chē)充電級別有三個(gè):1 級適用住宅充電,提供 120 VAC 交流充電能力;2 級同時(shí)適用住宅和公共充電,提供 208/240 VAC 的充電能力;3 級適用商業(yè)和公共充電樁,提供 400 至 900 伏 (VDC) 直流快速充電和超級充電能力。一些 1 級和 2 級充電器基于太陽(yáng)能逆變器和電池儲能。

越來(lái)越常見(jiàn)的是,在太陽(yáng)能 1 級和 2 級充電器會(huì )包括一個(gè)直流轉直流 (DC-DC) 轉換器和一個(gè)直流轉交流 (DC-AC) 逆變器。他們需要各種高性能的電容器,這些電容器是為在惡劣的電氣條件下使用而設計的,符合 AEC-Q200 和 IEC 61071 標準,包括圖 1 所示類(lèi)型。

· 直流輸入濾波器和直流鏈路電容器:這些充電器需要低電感的直流輸入濾波器和直流鏈路電容器,已針對中等功率應用進(jìn)行了優(yōu)化。使用容量值高達 1 法拉 (F) 或更高的電容器和低等效串聯(lián)電阻 (ESR) 可提升充電器性能,并最大限度地減少了內部發(fā)熱。
· 交流輸出濾波電容器:基于 IGBT 的開(kāi)關(guān)模式電力逆變器會(huì )產(chǎn)生高的諧波含量和總諧波失真 (THD),必須使用交流輸出濾波電容器進(jìn)行過(guò)濾。如果沒(méi)有充分的濾波,諧波就會(huì )使輸出的交流波形失真。
· 超級電容器:添加超級電容器對 1 級和 2 級太陽(yáng)能充電器特別有利,可以幫助系統減少日照變化的影響,因為云層阻礙了相對較小的太陽(yáng)能電池板,會(huì )導致輸出功率變化過(guò)大。在這些系統中,峰值功率和平均功率之間的比率可以媲美純電池系統。超級電容器和電池的結合可以產(chǎn)生一個(gè)具有更高功率密度的系統。


圖 1:太陽(yáng)能逆變器電動(dòng)汽車(chē)充電器需要各種電容器和超級電容器。(圖片來(lái)源:Cornell Dubilier Electronics)

電容器在使用交直流電源轉換的 3 級直流快速充電器的設計中也很重要。與 1 級和 2 級充電器一樣,直流快速充電器需要直流鏈路電容器。直流快速充電器中的直流鏈路電容器是更高功率的設備,通常具有更高的額定電壓。此外,3 級充電器需要交流輸入濾波電容器和直流輸出濾波電容器(圖 2)。

· 交流輸入濾波電容器:為了支持更高的功率水平,與低功率設計器件相比,這些電容器通常采用不同封裝。例如,1 級和 2 級充電器中的低功率濾波電容器可以采用卡入式端子,以快速連接到 PC 板或可焊引腳上,而 3 級直流快速充電器中使用的電容器通常有螺紋端子,直接連接到大功率母線(xiàn)上。3 級充電器的輸入電容器可要求滿(mǎn)足 ANSI/IEEE 18 標準。
· 直流輸出濾波電容器:這些電容器的功能與 1 級和 2 級太陽(yáng)能充電器的交流諧波過(guò)濾電容器類(lèi)似。它們吸收瞬變,并過(guò)濾由充電器的 DC-DC IGBT 開(kāi)關(guān)級產(chǎn)生的諧波電流,使輸出電壓更加平滑。這些電容器需要結合低 ESR 和高紋波電流能力。


圖 2:電網(wǎng)供電的 3 級直流充電器需要能夠處理高電流和高電壓的元件。(圖片來(lái)源:Cornell Dubilier Electronics)

用于 1 級和 2 級光伏電動(dòng)汽車(chē)充電器的電容器

直流輸入濾波器:Cornell Dubilier 為設計人員提供了幾種鋁電解電容器選擇,用于 1 級和 2 級電動(dòng)汽車(chē)充電器的直流輸入濾波,包括 DCMC 螺紋端子電容器,以及 380LX/382LX +85°C 和 381LX/383LX +105°C 卡入式電容器(圖 3)。DCMC 電容器的范圍從 110 μF 到 2.7 F,電壓高達 550 伏,工作溫度范圍為 -40°C 到 +85°C,并能處理高水平的紋波電流。380LX 型電容器在 +85°C 下滿(mǎn)載負載壽命為 3000 小時(shí),而 381XL 型電容器在 +105°C 下滿(mǎn)載負載壽命為 3000 小時(shí)。380LX/382LX 和 381LX/383LX 電容器有 2、4 和 5 針樣式,支持在 PC 板上精確、可靠的安裝。


圖 3:381LX 和相關(guān)的電容器采用卡入式 PC 板連接。(圖片來(lái)源:Cornell Dubilier Electronics)

直流鏈接:為實(shí)現直流鏈接,設計人員可以選擇 550C 型鋁電解質(zhì),如 550C562T400DP2B,和 947D 系列金屬化薄膜電容器,如 947D601K901DCRSN。550C 系列在典型應用中的工作壽命超過(guò) 100,000 小時(shí),在 +85°C 工作條件下壽命可達 20,000 小時(shí)。550C 電容器的 ESR 低至 7 毫歐 (mΩ),采用螺紋端子,可連接到 PC 板或母線(xiàn),并能處理高紋波電流。

947D 系列結合了逆變器設計所需的高電容和非常高的紋波電流能力。這些電容器的額定電壓為 900 至 1,300 VDC。它們在 +85°C 下的額定工作時(shí)間為 7000 小時(shí),在 +60°C 核心溫度和全額定電壓下的預期壽命為 350,000 小時(shí)。

交流輸出諧波過(guò)濾:為了在惡劣的環(huán)境中提供交流輸出諧波過(guò)濾,設計人員可以使用通過(guò) AEC-Q200 認證的 ALH 系列交流濾波電容器。根據加速式 85/85 溫度-濕度-偏置 (THB) 測試,這些電容器與標準電容器相比,壽命提升了 50%。它們具有較高的均方根 (RMS) 電流額定值,因此適合處理高頻 IGBT 型逆變器中的高階諧波。電容范圍從 0.22 到 50 微法拉 (μF),電壓為 160 到 450 VAC,頻率為 50/60 赫茲 (Hz)。這些自愈式金屬化聚丙烯薄膜電容器采用堅固的板裝封裝(圖 4),工作溫度范圍為 -40℃ 至 +105℃。ALH 系列電容器在額定電壓下的預期壽命為 100,000 小時(shí),熱點(diǎn)溫度為 +70℃。


圖 4:ALH 系列交流濾波電容器能夠在惡劣的環(huán)境中提供交流諧波輸出濾波,具有自愈功能,旨在通過(guò)通孔安裝在 PC 板上。(圖片來(lái)源:Cornell Dubilier Electronics)

超級電容器:針對需要超級電容器所能提供的瞬時(shí)爆發(fā)力的設計,Cornell Dubilier 推出了 DGH 系列和 DSF 系列。DGH 系列包括 21 種不同的數值/電壓組合,電容范圍從 0.5 到 600 F,額定工作工流電壓從 2.7 到 5.5 伏 (WVDC)。DSF 超級電容器單元件可提供較高的 3.0 WVDC,雙元件則可提供 6.0 WVDC(圖 5)。這種較高電壓規格使得能量密度提高了 24%。DSF 系列包括 17 種不同的值/電壓組合,電容范圍從 1.5 F 到 600 F。這兩個(gè)系列額定充放電次數均達 500,000 次。它們可以選擇通孔引線(xiàn)或卡入式引線(xiàn),方便集成到 PC 板中。


圖 5:DSF 超級電容器提供單元件和雙元件配置選擇。(圖片來(lái)源:Cornell Dubilier Electronics)

3 級充電器電容器

交流輸入和諧波過(guò)濾:為了實(shí)現 3 級直流充電器支持的高功率水平,設計人員可以使用 PFCH 系列三相串聯(lián)電容器,如 PFCHX48D20S108T,其額定值為 76.8 μF 和 480 VAC,設計用于交流輸入諧波過(guò)濾。這些電容器由三個(gè)自愈式金屬化聚丙烯纏繞而成,它們以三角結構連接,并被封閉在一個(gè)圓柱形的鋁殼中。其額定工作壽命為 60,000 小時(shí),存活率為 94%,等級失效時(shí)間 (FIT) ≤300 X 109 元件小時(shí)。它們包括一個(gè)壓力中斷器,在電容器報廢或過(guò)載的情況下讓所有三相電源脫開(kāi)。它們符合 ANSI/IEEE 18 標準,按照 UL 810,其最大短路電流等級為 10 千安培 (kA)。

直流鏈接:直流鏈接電容器的選擇包括為 PC 板安裝而設計的 BLH 直流鏈路電容器(經(jīng)測試在 +85℃ 溫度/ 85% 相對濕度下施加額定電壓的連續工作壽命為 1500 小時(shí))以及像 0.47 μF、1.2 千伏直流 (kVDC) 的 474PMB122KSP2 的 474 系列薄膜電容器,后者設計成直接安裝在 IGBT 模塊上提供直流鏈接和濾波。

BLH 電容器的額定工作溫度為 -40°C 至 +105°C,在 +85°C 以上時(shí)額定電壓每 °C 降低 1.35%,它們符合 IEC 61071 和 AEC-Q200 要求。474PMB122KSP2 所屬的 474 系列電容器的額定工作溫度為 -40℃ 至 +100℃,超過(guò) +85℃ 時(shí),直流電壓下降 1.5%,交流電壓下降 2.5%。

直流輸出濾波:944U 系列大電流薄膜電容器提供 800、1000、1200 和 1400 VDC 額定電壓選擇,額定電容為 33 µF 至 220 µF,+55°C 時(shí)額定 RMS 電流高達 75 A。高紋波能力是因為這些金屬化聚丙烯電容器的低電感內部結構所產(chǎn)生的結果。它們封裝在一個(gè)低矮的 UL94V0 阻燃級外殼中,直徑為 84.5 毫米 (mm),底部有安裝法蘭和 M8 螺紋螺柱端子(圖 6)。根據額定值的不同,外殼高度有 40 mm、51 mm 或 64 mm。


圖 6:944U 薄膜電容器的螺紋連接可用于 PC 板或母線(xiàn)連接。(圖片來(lái)源:Cornell Dubilier Electronics)

結語(yǔ)

綜上所述,電動(dòng)汽車(chē)充電器需要各種類(lèi)型的電容器,才能確?煽亢透咝У倪\行。Cornell Dubilier 提供了廣泛的電容器類(lèi)型和安裝方式選擇,可支持 1、2 和 3 級高性能充電器的設計和制造。
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