Come selezionare e applicare i condensatori per garantire caricatori EV efficienti, affidabili e sostenibili

I caricatori per veicoli elettrici (EV) sono disponibili con vari livelli di tensione e potenza, ma tutti si affidano ai condensatori per svolgere funzioni come il filtraggio dell'ingresso c.c., il collegamento c.c., il filtraggio delle armoniche c.a., il filtraggio dell'uscita c.c. e, in alcuni progetti, i supercondensatori sono utilizzati in combinazione con l'immagazzinaggio di energia della batteria e gli inverter solari. Poiché i caricatori EV sono spesso collocati all'aperto o in altri ambienti difficili, i progettisti devono innanzitutto determinare il profilo prestazionale del condensatore e quindi selezionare il tipo di condensatore appropriato per soddisfare le caratteristiche di affidabilità richieste.

Devono anche assicurarsi che il condensatore sia fisicamente robusto, con un ampio intervallo di temperature di funzionamento e una lunga vita utile. I condensatori devono essere compatti e in grado di gestire grandi correnti di ripple senza surriscaldarsi o subire un deterioramento delle prestazioni e devono soddisfare i requisiti elettrici e meccanici AEC-Q200, nonché i requisiti prestazionali International Electrotechnical Commission (IEC) 61071 e alcuni devono soddisfare lo standard ANSI/IEEE 18.

Per rispondere alle diverse esigenze di queste applicazioni circuitali, i progettisti possono rivolgersi a una varietà di tecnologie di condensatori, come i condensatori di potenza a film, i condensatori elettrolitici in alluminio e i supercondensatori, tra cui le versioni a bassa induttanza, condensatori con elevati valori di corrente di ripple, alte temperature di funzionamento, capacità autorigenerante, qualifiche AEC-Q200 conformi a IEC 61071 e supercondensatori con bassa resistenza equivalente in serie (ESR).

Questo articolo definisce i vari livelli di carica ed esamina le applicazioni circuitali dei condensatori negli inverter solari basate su questi livelli. Presenta quindi esempi di condensatori e supercondensatori di Cornell Dubilier Electronics per il filtraggio in ingresso, per collegamento in c.c. a film, per il filtraggio delle armoniche c.a. e per il filtraggio in uscita, adatti a una varietà di progetti di caricatori EV, insieme ai vari contenitori per l'integrazione di questi condensatori nelle schede a circuiti stampati, per il fissaggio ai condotti sbarra o per il collegamento diretto ai moduli a transistor bipolare a gate isolato (IGBT).

Livelli e requisiti di ricarica EV

Esistono tre livelli di ricarica EV: il livello 1 di ricarica residenziale fornisce 120 V_c.a.); il livello 2 di ricarica residenziale e pubblica fornisce 208/240 V_c.a.; il livello 3 di ricarica commerciale e pubblica fornisce 400-900 V_c.c. per la ricarica rapida e la supercarica. Alcuni caricatori di livello 1 e 2 si basano su inverter solari e immagazzinaggio di energia a batteria.

I caricatori di livello 1 e 2 a energia solare, sempre più diffusi, includono un convertitore da corrente continua a corrente continua (c.c./c.c.) e un inverter da corrente continua a corrente alternata (c.c./c.a.). Per questo motivo, è necessaria una varietà di condensatori ad alte prestazioni, progettati per l'uso in condizioni elettriche difficili e conformi agli standard AEC-Q200 e IEC 61071, tra cui i tipi illustrati nella Figura 1:

• Filtro di ingresso c.c. e condensatori per collegamento in c.c.: questi caricatori necessitano di filtri di ingresso c.c. e condensatori collegamento in c.c. a bassa induttanza, ottimizzati per applicazioni di media potenza. Possono trarre vantaggio dall'uso di condensatori con valori fino a 1 F o più, e una bassa resistenza equivalente in serie (ESR) per ridurre al minimo il riscaldamento interno.
• Condensatori di filtraggio di uscita c.a.: gli inverter di potenza a commutazione basati su IGBT possono produrre elevate armoniche e un'alta distorsione armonica totale (THD) che deve essere filtrata mediante condensatori di filtraggio di uscita c.a. Se non adeguatamente filtrate, le armoniche possono distorcere la forma d'onda c.a. in uscita.
• Supercondensatori: l'aggiunta di supercondensatori può essere particolarmente vantaggiosa nei caricatori di livello 1 e 2 alimentati a energia solare, per aiutare il sistema a regolarsi in base alle variazioni dell'insolazione, quando le nuvole ostruiscono i pannelli solari relativamente piccoli, provocando picchi e cali di potenza in uscita. In questi sistemi, il rapporto tra potenza di picco e potenza media può mettere a dura prova i sistemi a batteria. La combinazione di supercondensatori e batterie può generare un sistema con una maggiore densità di potenza.

Figura 1: Per i caricatori EV con inverter alimentati a energia solare sono necessari diversi condensatori e supercondensatori. (Immagine per gentile concessione di Cornell Dubilier Electronics)

I condensatori sono importanti anche nella progettazione dei caricatori c.c. rapidi di livello 3 che utilizzano la conversione di potenza c.a./c.c. Come i caricatori di livello 1 e 2, anche i caricatori c.c. rapidi hanno bisogno di condensatori per collegamento in c.c., che sono dispositivi di maggiore potenza e di solito hanno valori di tensione più elevati. Inoltre, i caricatori di livello 3 necessitano di condensatori di filtraggio in ingresso c.a. e di condensatori di filtraggio in uscita c.c. (Figura 2):

• Condensatori di filtraggio di ingresso c.a.: per supportare livelli di potenza più elevati, questi condensatori sono spesso confezionati in modo diverso rispetto ai dispositivi progettati per potenze inferiori. Ad esempio, mentre i condensatori di filtraggio a bassa potenza nei caricatori di livello 1 e 2 possono avere terminazioni inseribili a scatto per un rapido fissaggio alle PCB o ai pin saldabili, i condensatori utilizzati nei caricatori rapidi c.c. di livello 3 hanno spesso terminali a vite che si collegano direttamente ai condotti sbarra ad alta potenza. Condensatori di ingresso per caricatori di livello 3 possono essere necessari per soddisfare lo standard ANSI/IEEE 18.
• Condensatori di filtraggio di uscita c.c.: questi condensatori svolgono una funzione simile a quella dei condensatori di filtraggio delle armoniche c.a. nei caricatori di livello 1 e 2 alimentati a energia solare. Assorbono i transitori e filtrano le correnti armoniche generate dallo stadio di commutazione IGBT c.c./c.c. del caricatori, attenuando la tensione di uscita. Questi condensatori devono combinare una bassa ESR con un'elevata capacità di corrente di ripple.

Figura 2: I caricatori c.c. di livello 3 alimentati dalla rete richiedono componenti in grado di gestire correnti e tensioni elevate. (Immagine per gentile concessione di Cornell Dubilier Electronics)

Condensatori per caricatori EV fotovoltaici di livello 1 e 2

Filtraggio dell'ingresso c.c.: Cornell Dubilier offre diverse opzioni di condensatori elettrolitici in alluminio per il filtraggio dell'ingresso c.c. sui caricatori EV di livello 1 e 2, tra cui i condensatori con terminale a vite DCMC e i condensatori inseribili a scatto 380LX/382LX da +85 °C e 381LX/383LX da +105 °C (Figura 3). I condensatori DCMC vanno da 110 µF a 2,7 F, con tensioni fino a 550 V, una temperatura di funzionamento compresa tra -40 °C e +85 °C e sono in grado di gestire elevati livelli di corrente di ripple. I condensatori di tipo 380LX hanno una durata di 3.000 ore a pieno carico a +85 °C, mentre i condensatori 381XL hanno una durata di 3.000 ore a pieno carico a +105 °C. I condensatori 380LX/382LX e 381LX/383LX sono disponibili a 2, 4 e 5 pin per supportare il montaggio sicuro e accurato sulle schede CS.

Figura 3: 381LX e i relativi condensatori sono dotati di connessioni a scatto su scheda CS. (Immagine per gentile concessione di Cornell Dubilier Electronics)

Collegamento in c.c.: Per il collegamento in c.c., i progettisti possono scegliere tra quelli elettrolitici in alluminio di tipo 550C, come 550C562T400DP2B e quelli a film metallizzato serie 947D, come 947D601K901DCRSN. La serie 550C ha una vita utile di oltre 100.000 ore in applicazioni tipiche e fino a 20.000 ore a +85 °C. I condensatori 550C hanno una ESR fino a 7 mΩ e sono dotati di terminali a vite per il fissaggio a una scheda CS o a un condotto sbarra e sono in grado di gestire correnti di ripple elevate.

La serie 947D combina un'elevata capacità elettrica e una capacità di corrente di ripple molto elevata, necessarie per i progetti di inverter. Questi condensatori sono disponibili con tensioni nominali da 900 a 1.300 V_c.c.. Prevedono 7.000 ore di funzionamento a +85 °C e hanno una vita utile di 350.000 ore a una temperatura interna di +60 °C e alla massima tensione nominale.

Filtraggio delle armoniche di uscita c.a.: per garantire il filtraggio delle armoniche di uscita in corrente alternata in ambienti difficili, i progettisti possono rivolgersi ai condensatori di filtraggio c.a. serie ALH, qualificati AEC-Q200. Rispetto ai condensatori standard, questi hanno una durata superiore del 50% in base a test accelerati di temperatura-umidità-polarizzazione (THB) di 85/85. Hanno elevati valori quadratici medi di corrente che li rendono adatti a gestire le armoniche di ordine superiore negli inverter basati su IGBT ad alta frequenza. La capacità varia da 0,22 a 50 µF a 160-450 V_c.a., 50/60 Hz. Questi condensatori in film di polipropilene metallizzato autorigenerante sono disponibili in un robusto contenitore per il montaggio su scheda (Figura 4) e hanno un intervallo della temperatura di funzionamento compreso tra -40 e +105 °C. I condensatori serie ALH hanno una vita utile di 100.000 ore alla tensione nominale e una temperatura del punto caldo di +70 °C.

Figura 4: I condensatori di filtraggio c.a. serie ALH garantiscono il filtraggio delle armoniche c.a. in uscita in ambienti difficili, sono autorigeneranti e sono progettati per il montaggio a foro passante su schede CS. (Immagine per gentile concessione di Cornell Dubilier Electronics)

Supercondensatori: per i progetti che necessitano di una potenza istantanea come quella che possono fornire i supercondensatori, Cornell Dubilier offre le serie DGH e DSF. La serie DGH include 21 combinazioni di valore/tensione differenti, con una capacità da 0,5 a 600 F, con tensioni nominali da 2,7 a 5,5 WV_c.c.. I supercondensatori DSF offrono 3,0 WV_c.c. per un singolo componente e 6,0 WV_c.c. per un dispositivo doppio (Figura 5). Questa specifica di tensione più elevata si traduce in una densità di energia del 24% superiore. La serie DSF comprende 17 combinazioni di valore/tensione, con capacità comprese tra 1,5 F e 600 F. Entrambe le serie sono classificate per 500.000 cicli. Sono disponibili con una scelta di conduttori a foro passante o inseribili a scatto per l'integrazione in schede CS.

Figura 5: I supercondensatori DSF sono disponibili come dispositivi singoli e doppi. (Immagine per gentile concessione di Cornell Dubilier Electronics)

Condensatori per caricatori di livello 3

Ingresso c.a. e filtraggio delle armoniche: per i livelli di potenza elevati supportati dai caricatori c.c. di livello 3, i progettisti possono rivolgersi alla serie di condensatori trifase PFCH, come PFCHX48D20S108T, con un valore nominale di 76,8 µF e 480 V_c.a. e progettato per il filtraggio delle armoniche in ingresso c.a. Questi condensatori sono costituiti da tre avvolgimenti in polipropilene metallizzato autorigenerante, collegati in configurazione delta e racchiusi in un involucro cilindrico in alluminio. Hanno una durata di 60.000 ore con un tasso di sopravvivenza del 94% e una classificazione di guasti per unità di tempo (FIT) di ≤300 x 10⁹ ore del componente. Includono un interrupt di pressione che disattiva tutte e tre le fasi in caso di fine vita o di sovraccarico del condensatore. Sono conformi allo standard ANSI/IEEE 18 e hanno una corrente nominale a cortocircuito massima di 10 kA secondo UL 810.

Collegamento in c.c.: i condensatori per collegamento c.c. includono i condensatori BLH progettati per il montaggio su scheda CS, testati per 1.500 ore a +85 °C / 85% di umidità relativa con tensione nominale applicata, e la serie 474, come il condensatore a film 474PMB122KSP2 da 0,47 µF, 1,2 kV_c.c., progettato per il montaggio diretto sui moduli IGBT per fornire collegamento e filtraggio c.c.

I condensatori BLH sono adatti al funzionamento da -40 a +105 °C, con una tensione nominale declassata oltre +85 °C dell'1,35% per °C, e soddisfano i requisiti IEC 61071 e AEC- Q200. I condensatori serie 474, come 474PMB122KSP2, sono indicati per il funzionamento da -40 a +100 °C, con una riduzione di tensione c.c. dell'1,5% e di tensione c.a. del 2,5% per ogni °C superiore a +85 °C.

Filtraggio dell'uscita c.c.: la serie 944U di condensatori a film per correnti elevate comprende dispositivi con valori nominali di 800, 1000, 1200 e 1400 V_c.c., con valori di capacità da 33 µF a 220 µF e valori di corrente RMS fino a 75 A a +55 °C. L'elevata capacità di ripple è il risultato della costruzione interna a bassa induttanza di questi condensatori in polipropilene metallizzato. Sono alloggiati in una custodia ignifuga UL94V0 di 84,5 mm di diametro, con flange di montaggio alla base e terminali filettati M8 (Figura 6). A seconda delle classificazioni, l'altezza della custodia è di 40 mm, 51 mm o 64 mm.

Figura 6: I collegamenti a vite dei condensatori a film 944U possono essere utilizzati per schede CS o condotti sbarra. (Immagine per gentile concessione di Cornell Dubilier Electronics)

Conclusione

Come si è visto, i caricatori EV richiedono un'ampia gamma di tipi di condensatori per garantire un funzionamento affidabile ed efficiente. Cornell Dubilier offre una vasta selezione di condensatori e stili di montaggio per supportare la progettazione e la costruzione di caricatori ad alte prestazioni per applicazioni di livello 1, 2 e 3.