Auswahl und Verwendung von Kondensatoren
Vom DC-Eingangsfilter bis zum Batteriespeicher
Zum Bau von EV-Ladegeräten ist eine breite Palette von Kondensatortypen notwendig, um einen zuverlässigen und effizienten Betrieb zu gewährleisten. Cornell Dubilier bietet hier eine große Auswahl an Kondensatortypen und Montagearten für die Konstruktion und den Bau von Hochleistungs-Ladegeräten an.
Ladegeräte für Elektrofahrzeuge (EVs) gibt es in verschiedenen Spannungs- und Leistungsstufen, aber alle sind auf Kondensatoren angewiesen, um Funktionen wie DC-Eingangsfilterung, DC-Kopplung, AC-Oberschwingungsfilterung und DC-Ausgangsfilterung zu erfüllen, und in einigen Designs werden Superkondensatoren in Kombination mit Batteriespeichern und Solarwechselrichtern verwendet. Da EV-Ladegeräte oft im Freien oder in anderen rauen Umgebungen aufgestellt werden, müssen die Entwickler zunächst das Leistungsprofil des Kondensators bestimmen und dann den geeigneten Kondensatortyp auswählen, um die anspruchsvollen Zuverlässigkeitseigenschaften zu erfüllen.
Aufgabe der Entwickler ist es, sicherzustellen, dass der Kondensator physisch robust ist und einen großen Betriebstemperaturbereich und eine lange Lebensdauer aufweist. Zudem sollten die Kondensatoren kompakt sein und große Brummströme verarbeiten können, ohne zu überhitzen oder Leistungseinbußen zu erleiden, und sie müssen die elektrischen und mechanischen Anforderungen der AEC-Q200 sowie die Leistungsanforderungen der IEC 61071 der Internationalen Elektrotechnischen Kommission erfüllen, und einige müssen der ANSI/IEEE-Norm 18 entsprechen.
Um die vielfältigen Anforderungen dieser Schaltungsanwendungen zu erfüllen, können Entwickler auf eine Vielzahl von Kondensatortechnologien wie Folienleistungskondensatoren, Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren und Superkondensatoren zurückgreifen. Dazu gehören Designs mit niedriger Induktivität, Kondensatoren mit hohen Brummstromnennwerten, hohen Betriebstemperaturen, Selbstheilungsfähigkeiten, AEC-Q200-Qualifikationen, die der IEC 61071 entsprechen, und Superkondensatoren mit niedrigem äquivalentem Serienwiderstand (ESR).
In diesem Artikel werden die verschiedenen Ladestufen definiert und die Schaltungsanwendungen für Kondensatoren in Solarwechselrichtern auf der Grundlage dieser Stufen erläutert. Anschließend werden Beispiele für Kondensatoren und Superkondensatoren von Cornell Dubilier Electronics zur Eingangsfilterung, Leistungsfolienkondensatoren für die DC-Kopplung, AC-Oberschwingungsfilterung und Ausgangsfilterung vorgestellt, die für eine Vielzahl von EV-Ladegeräten geeignet sind, sowie Gehäuseoptionen für die Integration dieser Kondensatoren auf Leiterplatten, die Anbringung an Stromschienen oder den direkten Anschluss an IGBT-Module (Insulated Gate Bipolar Transistor), um ein erfolgreiches Design zu gewährleisten.
EV-Ladestufen und Anforderungen
Es gibt drei Ladestufen für Elektrofahrzeuge: Ladegeräte der Stufe 1 für Privathaushalte liefern 120 Volt Wechselspannung (V AC); Ladegeräte der Stufe 2 für Privathaushalte und öffentliche Einrichtungen liefern 208/240 V AC; und Ladegeräte der Stufe 3 für gewerbliche und öffentliche Einrichtungen liefern 400 bis 900 V DC für Gleichstrom-Schnellladung und Supercharging. Einige Ladegeräte der Stufen 1 und 2 basieren auf Solarwechselrichtern und Batteriespeichern.
Am Markt immer gebräuchlicher werden solarbetriebene Ladegeräte der Stufen 1 und 2, umfassen einen DC/DC-Wandler und einen DC/AC-Wandler. Sie benötigen eine Vielzahl von Hochleistungskondensatoren, die für den Einsatz unter rauen elektrischen Bedingungen entwickelt wurden und den Normen AEC-Q200 und IEC 61071 entsprechen, einschließlich der in Bild 1 dargestellten Typen:
- DC-Eingangsfilter und DC-Zwischenkreiskondensatoren: Diese Ladegeräte benötigen DC-Eingangsfilter und Zwischenkreiskondensatoren mit niedriger Induktivität, die für Anwendungen mit mittlerer Leistung optimiert wurden. Sie können von der Verwendung von Kondensatoren mit Werten bis zu 1 F oder mehr und einem niedrigen Serienersatzwiderstand (ESR) profitieren, um die interne Erwärmung zu minimieren.
- AC-Ausgangsfilterkondensatoren: IGBT-Schaltnetzteilwechselrichter können hohe Oberschwingungsanteile und Gesamtoberschwingungsverzerrungen (THD) erzeugen, die mit AC-Ausgangsfilterkondensatoren gefiltert werden müssen. Wenn die Oberschwingungen nicht angemessen gefiltert werden, können sie die AC-Ausgangswellenform verzerren.
- Superkondensatoren: Ein Hinzufügen von Superkondensatoren kann besonders bei solarbetriebenen Ladegeräten der Stufen 1 und 2 von Vorteil sein, da sie dem System helfen, sich an Veränderungen der Sonneneinstrahlung anzupassen, wenn Wolken die relativ kleinen Solarpaneele behindern und zu Spitzen und Tälern in der Ausgangsleistung führen. Bei diesen Systemen kann das Verhältnis zwischen Spitzenleistung und Durchschnittsleistung eine Herausforderung für reine Batteriesysteme darstellen. Die Kombination von Superkondensatoren und Batterien kann zu einem System mit einer höheren Leistungsdichte führen.
Kondensatoren sind auch bei der Konstruktion von DC-Schnellladegeräten der Stufe 3 wichtig, die mit einer AC/DC-Umwandlung arbeiten. Wie Ladegeräte der Stufen 1 und 2 benötigen auch DC-Schnellladegeräte Zwischenkreiskondensatoren. Jedoch sind die Zwischenkreiskondensatoren in DC-Schnellladegeräten leistungsstärker und haben in der Regel höhere Spannungswerte. Darüber hinaus benötigen Ladegeräte der Stufe 3 AC-Eingangsfilterkondensatoren und DC-Ausgangsfilterkondensatoren (Bild 2):
- AC-Eingangsfilterkondensatoren: Um höhere Leistungen zu unterstützen, werden diese Kondensatoren oft anders verpackt als Geräte, die für geringere Leistungen ausgelegt sind. Während beispielsweise Filterkondensatoren mit geringerer Leistung in Ladegeräten der Stufen 1 und 2 Schnappanschlüsse zur schnellen Befestigung auf Leiterplatten oder lötbaren Stiften haben können, verfügen Kondensatoren in DC-Schnellladegeräten der Stufe 3 häufig über Schraubanschlüsse, die direkt an Hochleistungs-Stromschienen befestigt werden. Unter Umständen müssen die Eingangskondensatoren für Ladegeräte der Stufe 3 der ANSI/IEEE-Norm 18 entsprechen.
- DC-Ausgangsfilterkondensatoren: Diese Kondensatoren haben eine ähnliche Funktion wie die AC-Oberschwingungsfilterkondensatoren in solarbetriebenen Ladegeräten der Stufen 1 und 2. Sie absorbieren Transienten und filtern die von der DC/DC-IGBT-Schaltstufe des Ladegeräts erzeugten Oberschwingungsströme und glätten so die Ausgangsspannung. Diese Kondensatoren müssen einen niedrigen ESR-Wert mit einer hohen Brummstromfähigkeit kombinieren.
- Vom DC-Eingangsfilter bis zum Batteriespeicher
- Kondensatoren für PV-EV-Ladegeräte der Stufen 1 und 2