Dobór i stosowanie kondensatorów w ładowarkach pojazdów elektrycznych

Ładowarki do pojazdów elektrycznych (EV) są dostępne z różnymi poziomami napięcia i mocy, ale wszystkie opierają się na kondensatorach w celu realizacji takich funkcji, jak filtrowanie wejścia prądu stałego, łącza prądu stałego, filtrowanie harmonicznych prądu zmiennego, filtrowanie wyjść prądu stałego, a w niektórych konstrukcjach superkondensatory są używane w połączeniu z bateryjnym magazynem energii i falownikami solarnymi. Ponieważ ładowarki do pojazdów elektrycznych często znajdują się na zewnątrz lub w innych trudnych warunkach, projektanci stają przed wyzwaniem, aby najpierw określić profil parametrów działania kondensatora, a następnie dobrać odpowiedni jego typ, zapewniając wymaganą charakterystykę niezawodności.

Aby sprostać różnorodnym potrzebom wspomnianych obwodów, projektanci mogą sięgnąć po kondensatory wykonane w różnych technologiach, np. foliowe kondensatory mocy, kondensatory aluminiowe elektrolityczne i superkondensatory, w tym modele o niskiej indukcyjności, wysokiej wytrzymałości na prądy tętniące, wysokich temperaturach pracy, z funkcją samonaprawy, z kwalifikacją AEC-Q200, takie które spełniają normę IEC 61071 i superkondensatory o niskiej równoważnej rezystancji szeregowej (ESR).

W niniejszym artykule zdefiniowano różne poziomy ładowania, a w oparciu o nie dokonano przeglądu zastosowań obwodów dla kondensatorów w falownikach solarnych. Następnie przedstawiono przykłady kondensatorów i superkondensatorów filtrów wejściowych, foliowych kondensatorów i superkondensatorów łączy prądu stałego, kondensatorów i superkondensatorów harmonicznych prądu zmiennego oraz kondensatorów i superkondensatorów filtrów wyjściowych firmy Cornell Dubilier Electronics nadających się do różnych ładowarek do pojazdów elektrycznych, wraz z różnymi wariantami obudów pozwalającymi na ich integrację z płytką drukowaną, połączenie z szyną zbiorczą lub bezpośrednie połączenie z modułem tranzystora IGBT, a w rezultacie osiągnięcie udanego projektu.

Poziomy i wymagania dotyczące ładowania pojazdów elektrycznych

Istnieją trzy poziomy urządzeń do ładowania pojazdów elektrycznych: ładowarki poziomu 1 instalowane w budynkach mieszkalnych są zasilane prądem zmiennym (V~) o napięciu 120V; ładowarki poziomu 2 instalowane w budynkach mieszkalnych i publicznych są zasilane prądem zmiennym o napięciu 208/240V~ oraz ładowarki poziomu 3 instalowane w budynkach komercyjnych i publicznych są zasilane prądem stałym (V=) o napięciu od 400 do 900V umożliwiając szybkie ładowanie prądem stałym oraz doładowywanie. Niektóre ładowarki poziomu 1 i poziomu 2 oparte są na falownikach solarnych i bateryjnych magazynach energii.

Coraz częściej spotykane ładowarki poziomu 1 i 2 zasilane energią słoneczną zawierają przetwornice prądu stałego oraz przemienniki prądu stałego na prąd zmienny. Potrzebują one różnych wysokowydajnych kondensatorów, które zostały zaprojektowane do pracy w trudnych warunkach elektrycznych i które spełniają normy AEC-Q200 i IEC 61071, na przykład typów przedstawionych na ilustracji 1:

• Kondensatory filtrów wejściowych prądu stałego i kondensatory łączy prądu stałego: ładowarki te wymagają kondensatorów filtrów wejściowych prądu stałego i kondensatorów łączy prądu stałego o niskiej indukcyjności, zoptymalizowanych dla zastosowań o średniej mocy. Ich wewnętrzne nagrzewanie można zminimalizować poprzez zastosowanie kondensatorów o pojemności do 1F lub większych oraz niskiej równoważnej rezystancji szeregowej (ESR).
• Kondensatory filtrów wyjściowych prądu zmiennego: przemienniki mocy z zasilaczami impulsowymi oparte na tranzystorach IGBT mogą wytwarzać wysokie harmoniczne i całkowite zniekształcenia harmoniczne (THD) wymagające filtrowania za pomocą kondensatorów filtrów wyjściowych prądu zmiennego. W przypadku braku odpowiedniego filtrowania harmoniczne mogą zniekształcić przebieg prądu zmiennego na wyjściu.
• Superkondensatory: dodanie superkondensatorów może być szczególnie korzystne w ładowarkach poziomu 1 i poziomu 2 zasilanych energią słoneczną, aby pomóc układowi dostosować się do zmian nasłonecznienia, gdy nad stosunkowo małymi panelami słonecznymi pojawia się zachmurzenie, co powoduje szczyty i doliny w mocy wyjściowej. W tego typu układach, zasilanych wyłącznie bateryjnie, stosunek mocy szczytowej do mocy średniej może stanowić wyzwanie. Dzięki połączeniu superkondensatorów i baterii można uzyskać układ o większej gęstości mocy.

Ilustracja 1: Do zasilanych energią słoneczną ładowarek falownikowych do pojazdów elektrycznych potrzebne są różne kondensatory i superkondensatory. (Źródło ilustracji: Cornell Dubilier Electronics)

Kondensatory są również ważne w konstrukcji szybkich ładowarek prądu stałego poziomu 3, które wykorzystują konwersję prądu zmiennego na stały. Podobnie jak ładowarki poziomu 1 i poziomu 2, szybkie ładowarki prądu stałego wymagają kondensatorów łączy prądu stałego. Kondensatory łączy prądu stałego w szybkich ładowarkach prądu stałego są urządzeniami o większej mocy i zwykle mają wyższe napięcia znamionowe. Ponadto ładowarki poziomu 3 wymagają kondensatorów filtrów wejściowych prądu zmiennego i kondensatorów filtrów wyjściowych prądu zmiennego (ilustracja 2):

• Kondensatory filtrów wejściowych prądu zmiennego: z myślą o obsłudze wyższych poziomów mocy kondensatory te są często dostępne w obudowach innych niż urządzenia zaprojektowane do obsługi niższych mocy. Na przykład: kondensatory filtrujące o niższej mocy w ładowarkach poziomu 1 i 2 mogą mieć końcówki zatrzaskowe do szybkiego zamocowania na płytkach drukowanych lub wtykach lutowniczych, natomiast kondensatory stosowane w szybkich ładowarkach prądu stałego poziomu 3 często mają zaciski śrubowe przeznaczone do łączenia bezpośrednio do szyn zbiorczych dużej mocy. Kondensatory wejściowe do ładowarek poziomu 3 mogą wymagać spełnienia normy 18 ANSI/IEEE.
• Kondensatory filtrów wyjściowych prądu stałego: kondensatory te pełnią podobną funkcję jak kondensatory filtrów harmonicznych prądu zmiennego w ładowarkach zasilanych energią słoneczną poziomu 1 i 2. Pochłaniają one stany nieustalone i filtrują prądy harmoniczne generowane przez stopień przełączający IGBT prądu stałego ładowarki, wygładzając napięcie wyjściowe. Omawiane kondensatory muszą łączyć w sobie niską równoważną rezystancję szeregową (ESR) z wysoką wytrzymałością na prądy tętniące.

Ilustracja 2: Zasilane z sieci energetycznej ładowarki prądu stałego poziomu 3 wymagają komponentów, które będą w stanie obsługiwać wysokie napięcia i natężenia prądu. (Źródło ilustracji: Cornell Dubilier Electronics)