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如何选择并运用电容器来确保电动汽车充电器的高效性、可靠性和可持续性

关键词:电容器 电动汽车 充电器

时间:2023-04-21 10:35:24      来源:Digi-Key

电动汽车 (EV) 充电器尽管电压和功率水平不尽相同,但都依靠电容器来执行直流输入滤波、直流链接、交流谐波过滤、直流输出滤波等功能,在一些设计中,超级电容器要结合电池储能和太阳能逆变器一起使用。由于电动汽车充电器通常位于户外或其他恶劣环境中,设计人员面临的挑战首先是确定电容器的性能特征,然后是选择适当的电容器类型以满足苛刻的可靠性要求。

作者:Jeff Shepard

电动汽车 (EV) 充电器尽管电压和功率水平不尽相同,但都依靠电容器来执行直流输入滤波、直流链接、交流谐波过滤、直流输出滤波等功能,在一些设计中,超级电容器要结合电池储能和太阳能逆变器一起使用。由于电动汽车充电器通常位于户外或其他恶劣环境中,设计人员面临的挑战首先是确定电容器的性能特征,然后是选择适当的电容器类型以满足苛刻的可靠性要求。

设计人员需要确保电容器在物理上是坚固的,具有较宽的工作温度等级和较长的工作寿命。电容器需要很紧凑,且能够处理大的纹波电流而不会过热或遭受性能下降,同时需要满足 AEC-Q200 的电气和机械要求,以及国际电工委员会 (IEC) 61071 的性能要求,有些还需要满足 ANSI/IEEE 18 标准。

为了满足这些电路应用的不同需求,设计人员可以使用各种电容器技术来应对,如电力薄膜电容器、铝电解电容器和超级电容器(包括低电感设计)、具有高额定纹波电流、高工作温度、自愈能力、符合 IEC 61071 要求的 AEC-Q200 级电容器,以及具有低等效串联电阻 (ESR) 的超级电容器。

本文首先界定了各个充电级别的差异,并按照这些级别分别探讨了太阳能发电逆变器中电容器的电路应用。然后介绍了 Cornell Dubilier Electronics 提供的适合各种电动汽车充电器设计的输入滤波、电力薄膜直流链路、交流谐波过滤和输出滤波电容器以及超级电容器实例,以及将这些电容器集成到印刷电路板(PC 板)、连接到母线或直接连接到绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 模块的封装选择,以确保设计的成功。

电动汽车充电级别和要求

电动汽车充电级别有三个:1 级适用住宅充电,提供 120 VAC 交流充电能力;2 级同时适用住宅和公共充电,提供 208/240 VAC 的充电能力;3 级适用商业和公共充电桩,提供 400 至 900 伏 (VDC) 直流快速充电和超级充电能力。一些 1 级和 2 级充电器基于太阳能逆变器和电池储能。

越来越常见的是,在太阳能 1 级和 2 级充电器会包括一个直流转直流 (DC-DC) 转换器和一个直流转交流 (DC-AC) 逆变器。他们需要各种高性能的电容器,这些电容器是为在恶劣的电气条件下使用而设计的,符合 AEC-Q200 和 IEC 61071 标准,包括图 1 所示类型。

· 直流输入滤波器和直流链路电容器:这些充电器需要低电感的直流输入滤波器和直流链路电容器,已针对中等功率应用进行了优化。使用容量值高达 1 法拉 (F) 或更高的电容器和低等效串联电阻 (ESR) 可提升充电器性能,并最大限度地减少了内部发热。
· 交流输出滤波电容器:基于 IGBT 的开关模式电力逆变器会产生高的谐波含量和总谐波失真 (THD),必须使用交流输出滤波电容器进行过滤。如果没有充分的滤波,谐波就会使输出的交流波形失真。
· 超级电容器:添加超级电容器对 1 级和 2 级太阳能充电器特别有利,可以帮助系统减少日照变化的影响,因为云层阻碍了相对较小的太阳能电池板,会导致输出功率变化过大。在这些系统中,峰值功率和平均功率之间的比率可以媲美纯电池系统。超级电容器和电池的结合可以产生一个具有更高功率密度的系统。


图 1:太阳能逆变器电动汽车充电器需要各种电容器和超级电容器。(图片来源:Cornell Dubilier Electronics)

电容器在使用交直流电源转换的 3 级直流快速充电器的设计中也很重要。与 1 级和 2 级充电器一样,直流快速充电器需要直流链路电容器。直流快速充电器中的直流链路电容器是更高功率的设备,通常具有更高的额定电压。此外,3 级充电器需要交流输入滤波电容器和直流输出滤波电容器(图 2)。

· 交流输入滤波电容器:为了支持更高的功率水平,与低功率设计器件相比,这些电容器通常采用不同封装。例如,1 级和 2 级充电器中的低功率滤波电容器可以采用卡入式端子,以快速连接到 PC 板或可焊引脚上,而 3 级直流快速充电器中使用的电容器通常有螺纹端子,直接连接到大功率母线上。3 级充电器的输入电容器可要求满足 ANSI/IEEE 18 标准。
· 直流输出滤波电容器:这些电容器的功能与 1 级和 2 级太阳能充电器的交流谐波过滤电容器类似。它们吸收瞬变,并过滤由充电器的 DC-DC IGBT 开关级产生的谐波电流,使输出电压更加平滑。这些电容器需要结合低 ESR 和高纹波电流能力。


图 2:电网供电的 3 级直流充电器需要能够处理高电流和高电压的元件。(图片来源:Cornell Dubilier Electronics)

用于 1 级和 2 级光伏电动汽车充电器的电容器

直流输入滤波器:Cornell Dubilier 为设计人员提供了几种铝电解电容器选择,用于 1 级和 2 级电动汽车充电器的直流输入滤波,包括 DCMC 螺纹端子电容器,以及 380LX/382LX +85°C 和 381LX/383LX +105°C 卡入式电容器(图 3)。DCMC 电容器的范围从 110 μF 到 2.7 F,电压高达 550 伏,工作温度范围为 -40°C 到 +85°C,并能处理高水平的纹波电流。380LX 型电容器在 +85°C 下满载负载寿命为 3000 小时,而 381XL 型电容器在 +105°C 下满载负载寿命为 3000 小时。380LX/382LX 和 381LX/383LX 电容器有 2、4 和 5 针样式,支持在 PC 板上精确、可靠的安装。


图 3:381LX 和相关的电容器采用卡入式 PC 板连接。(图片来源:Cornell Dubilier Electronics)

直流链接:为实现直流链接,设计人员可以选择 550C 型铝电解质,如 550C562T400DP2B,和 947D 系列金属化薄膜电容器,如 947D601K901DCRSN。550C 系列在典型应用中的工作寿命超过 100,000 小时,在 +85°C 工作条件下寿命可达 20,000 小时。550C 电容器的 ESR 低至 7 毫欧 (mΩ),采用螺纹端子,可连接到 PC 板或母线,并能处理高纹波电流。

947D 系列结合了逆变器设计所需的高电容和非常高的纹波电流能力。这些电容器的额定电压为 900 至 1,300 VDC。它们在 +85°C 下的额定工作时间为 7000 小时,在 +60°C 核心温度和全额定电压下的预期寿命为 350,000 小时。

交流输出谐波过滤:为了在恶劣的环境中提供交流输出谐波过滤,设计人员可以使用通过 AEC-Q200 认证的 ALH 系列交流滤波电容器。根据加速式 85/85 温度-湿度-偏置 (THB) 测试,这些电容器与标准电容器相比,寿命提升了 50%。它们具有较高的均方根 (RMS) 电流额定值,因此适合处理高频 IGBT 型逆变器中的高阶谐波。电容范围从 0.22 到 50 微法拉 (μF),电压为 160 到 450 VAC,频率为 50/60 赫兹 (Hz)。这些自愈式金属化聚丙烯薄膜电容器采用坚固的板装封装(图 4),工作温度范围为 -40℃ 至 +105℃。ALH 系列电容器在额定电压下的预期寿命为 100,000 小时,热点温度为 +70℃。


图 4:ALH 系列交流滤波电容器能够在恶劣的环境中提供交流谐波输出滤波,具有自愈功能,旨在通过通孔安装在 PC 板上。(图片来源:Cornell Dubilier Electronics)

超级电容器:针对需要超级电容器所能提供的瞬时爆发力的设计,Cornell Dubilier 推出了 DGH 系列和 DSF 系列。DGH 系列包括 21 种不同的数值/电压组合,电容范围从 0.5 到 600 F,额定工作工流电压从 2.7 到 5.5 伏 (WVDC)。DSF 超级电容器单元件可提供较高的 3.0 WVDC,双元件则可提供 6.0 WVDC(图 5)。这种较高电压规格使得能量密度提高了 24%。DSF 系列包括 17 种不同的值/电压组合,电容范围从 1.5 F 到 600 F。这两个系列额定充放电次数均达 500,000 次。它们可以选择通孔引线或卡入式引线,方便集成到 PC 板中。


图 5:DSF 超级电容器提供单元件和双元件配置选择。(图片来源:Cornell Dubilier Electronics)

3 级充电器电容器

交流输入和谐波过滤:为了实现 3 级直流充电器支持的高功率水平,设计人员可以使用 PFCH 系列三相串联电容器,如 PFCHX48D20S108T,其额定值为 76.8 μF 和 480 VAC,设计用于交流输入谐波过滤。这些电容器由三个自愈式金属化聚丙烯缠绕而成,它们以三角结构连接,并被封闭在一个圆柱形的铝壳中。其额定工作寿命为 60,000 小时,存活率为 94%,等级失效时间 (FIT) ≤300 X 109 元件小时。它们包括一个压力中断器,在电容器报废或过载的情况下让所有三相电源脱开。它们符合 ANSI/IEEE 18 标准,按照 UL 810,其最大短路电流等级为 10 千安培 (kA)。

直流链接:直流链接电容器的选择包括为 PC 板安装而设计的 BLH 直流链路电容器(经测试在 +85℃ 温度/ 85% 相对湿度下施加额定电压的连续工作寿命为 1500 小时)以及像 0.47 μF、1.2 千伏直流 (kVDC) 的 474PMB122KSP2 的 474 系列薄膜电容器,后者设计成直接安装在 IGBT 模块上提供直流链接和滤波。

BLH 电容器的额定工作温度为 -40°C 至 +105°C,在 +85°C 以上时额定电压每 °C 降低 1.35%,它们符合 IEC 61071 和 AEC-Q200 要求。474PMB122KSP2 所属的 474 系列电容器的额定工作温度为 -40℃ 至 +100℃,超过 +85℃ 时,直流电压下降 1.5%,交流电压下降 2.5%。

直流输出滤波:944U 系列大电流薄膜电容器提供 800、1000、1200 和 1400 VDC 额定电压选择,额定电容为 33 µF 至 220 µF,+55°C 时额定 RMS 电流高达 75 A。高纹波能力是因为这些金属化聚丙烯电容器的低电感内部结构所产生的结果。它们封装在一个低矮的 UL94V0 阻燃级外壳中,直径为 84.5 毫米 (mm),底部有安装法兰和 M8 螺纹螺柱端子(图 6)。根据额定值的不同,外壳高度有 40 mm、51 mm 或 64 mm。


图 6:944U 薄膜电容器的螺纹连接可用于 PC 板或母线连接。(图片来源:Cornell Dubilier Electronics)

结语

综上所述,电动汽车充电器需要各种类型的电容器,才能确保可靠和高效的运行。Cornell Dubilier 提供了广泛的电容器类型和安装方式选择,可支持 1、2 和 3 级高性能充电器的设计和制造。

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