Auswahl und Verwendung von Kondensatoren für EV-Ladegeräte

Kondensatoren in EV-Ladegeräten erfüllen Aufgaben wie die DC-Eingangsfilterung, DC-Kopplung, AC-Oberschwingungsfilterung und DC-Ausgangsfilterung. In einigen Designs kommen auch Superkondensatoren in Kombination mit Batteriespeichern und Solarwechselrichtern zum Einsatz. 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.

Die Entwickler müssen sicherstellen, dass der Kondensator physisch robust ist und einen großen Betriebstemperaturbereich und eine lange Lebensdauer aufweist. Die Kondensatoren müssen 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 Internationalen Elektrotechnischen Kommission (IEC) 61071 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 äquivalenten Serienwiderstand (ESR).

EV-Ladestufen und Anforderungen

Es gibt drei Ladestufen für Elektrofahrzeuge: Ladegeräte der Stufe 1 für Privathaushalte liefern 120 V 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 Gleichspannung (V_DC) für Gleichstrom-Schnellladung und Supercharging. Einige Ladegeräte der Stufen 1 und 2 basieren auf Solarwechselrichtern und Batteriespeichern.

Die zunehmend gebräuchlichen solarbetriebenen 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: Der Zusatz 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. Die Zwischenkreiskondensatoren in DC-Schnellladegeräten sind 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 Bauelemente, 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. Die Eingangskondensatoren für Ladegeräte der Stufe 3 müssen unter Umständen 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.

Cornell Dubilier bietet Entwicklern mehrere Aluminium-Elektrolytkondensator-Optionen für die DC-Eingangsfilterung von EV-Ladegeräten der Stufen 1 und 2 an, darunter die DCMC-Schraubkondensatoren sowie die Schnappkondensatoren 380LX/382LX für bis zu +85 °C und die 381LX/383LX für bis zu +105 °C (Bild 3). DCMC-Kondensatoren reichen von 110 µF bis 2,7 F, bieten eine Spannung von bis zu 550 V, einen Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +85 °C und können hohe Brummstromstärken verarbeiten. Kondensatoren des Typs 380LX bieten eine Lebensdauer von 3000 h bei Volllast bei +85 °C, während 381XL-Kondensatoren eine Lebensdauer von 3000 h bei Volllast bei +105 °C bieten. Die Kondensatoren 380LX/382LX und 381LX/383LX sind in 2-, 4- und 5-poliger Ausführung erhältlich, um eine sichere und präzise Montage auf Leiterplatten zu ermöglichen.

Für die DC-Kopplung können Aluminium-Elektrolytkondensatoren des Typs 550C wie dem 550C562T400DP2B und Metallfolienkondensatoren der Serie 947D wie dem 947D601K901DCRSN gewählt werden. Die Serie 550C hat eine Betriebslebensdauer von über 100.000 Stunden in typischen Anwendungen und bis zu 20.000 Stunden bei +85 °C. 550C-Kondensatoren haben einen ESR von bis zu 7 mΩ und verfügen über Schraubanschlüsse für die Befestigung auf einer Leiterplatte oder Stromschiene und können hohe Brummströme verarbeiten.

Die Serie 947D vereint eine hohe Kapazität und eine sehr hohe Brummstromfähigkeit, die für Wechselrichterdesigns benötigt wird. Diese Kondensatoren sind mit Spannungswerten von 900 bis 1300 V_DC erhältlich. Sie sind für 7000 Betriebsstunden bei +85 °C ausgelegt und haben eine Lebenserwartung von 350.000 Stunden bei +60 °C Kerntemperatur und voller Nennspannung.

Filterung von AC-Oberschwingungen am Ausgang

Für die Filterung von Oberschwingungen am AC-Ausgang in rauen Umgebungen können AEC-Q200-qualifizierte AC-Filterkondensatoren der Serie ALH zum Einsatz kommen. Im Vergleich zu Standardkondensatoren haben diese Kondensatoren eine um 50 Prozent längere Lebensdauer, basierend auf beschleunigten 85/85-Temperatur-Feuchtigkeits-Bias-Tests (THB). Sie bieten einen hohen Effektivstrom, der sie für die Behandlung von Oberschwingungen höherer Ordnung in IGBT-Wechselrichtern mit hohen Frequenzen geeignet macht. Die Kapazitäten reichen von 0,22 bis 50 µF bei 160 bis 450 V_AC, 50/60 Hertz (Hz). Diese selbstheilenden, metallisierten Polypropylen-Folienkondensatoren werden in einem robusten Gehäuse zur Platinenmontage geliefert (Bild 4) und haben einen Betriebstemperaturbereich von -40 °C bis +105 °C. Die Kondensatoren der ALH-Serie haben eine Lebenserwartung von 100.000 Stunden bei Nennspannung und einer Hot-Spot-Temperatur von +70 °C.

Cornell Dubilier bietet die DGH-Serie und die DSF-Serie für Designs an, bei denen die Superkondensatoren sofortige Stromstöße liefern können. Die DGH-Serie umfasst 21 verschiedene Wert-/Spannungskombinationen mit Kapazitäten von 0,5 bis 600 F und 2,7 bis 5,5 WVDC (Working Voltage Direct Current). DSF-Superkondensatoren bieten eine höhere Leistung von 3,0 WVDC für eine einzelne Komponente und 6,0 WVDC für ein duales Bauteil (Bild 5). Diese höhere Spannungsspezifikation führt zu einer um 24 Prozent höheren Energiedichte. Die DSF-Serie umfasst 17 verschiedene Wert-/Spannungs-Kombinationen mit einer Kapazität von 1,5 F bis 600 F. Beide Serien sind für 500.000 Zyklen ausgelegt. Sie sind wahlweise mit Kontakten für die Durchkontaktierung oder mit Schnappanschlüssen für die Integration in Leiterplatten erhältlich.

AC-Eingangs- und Oberwellenfilterung: Für die hohen Leistungen, die von DC-Ladegeräten der Stufe 3 unterstützt werden, können Entwickler auf die dreiphasigen Serienkondensatoren der PFCH-Serie zurückgreifen, wie z. B. den PFCHX48D20S108T, der für 76,8 µF und 480 V_AC ausgelegt ist und für die Filterung von Oberschwingungen am AC-Eingang konzipiert ist. Diese Kondensatoren bestehen aus drei selbstheilenden metallisierten Polypropylenwickeln, die in einer Dreieckskonfiguration verbunden und von einem zylindrischen Aluminiumgehäuse umschlossen sind. Sie haben eine Lebensdauer von 60.000 Stunden mit einer Überlebensrate von 94 Prozent und einer FIT-Bewertung (failure-in-time) von ≤300 × 10⁹ Komponentenstunden. Sie verfügen über einen Druckunterbrecher, der alle drei Phasen im Falle eines Kondensatorschadens oder einer Überlast abschaltet. Sie entsprechen der ANSI/IEEE-Norm 18 und haben eine maximale Kurzschlussstrombelastbarkeit von 10 kA gemäß UL 810.

DC-Kopplung: Zur Auswahl stehen die BLH-DC-Zwischenkreiskondensatoren für die Leiterplattenmontage, die für 1500 h bei +85 °C/85 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit und angelegter Nennspannung getestet wurden, und die Serie 474, wie der Folienkondensator 474PMB122KSP2 mit 0,47 µF für 1,2 kV_DC, der für die direkte Montage auf IGBT-Modulen zur DC-Verknüpfung und Filterung konzipiert ist. BLH-Kondensatoren sind für den Betrieb von -40 °C bis +105 °C ausgelegt, wobei die Nennspannung oberhalb von +85 °C um 1,35 Prozent pro °C herabgesetzt wird. Sie erfüllen die Anforderungen von IEC 61071 und AEC- Q200. Kondensatoren der Serie 474 wie der 474PMB122KSP2 sind für den Betrieb von -40 °C bis +100 °C ausgelegt, wobei die Gleichspannung um 1,5 Prozent und die Wechselspannung um 2,5 Prozent pro °C über +85 °C abnimmt.

DC-Ausgangsfilterung: Die Serie 944U von Hochstrom-Folienkondensatoren umfasst Bauelemente für 800, 1000, 1200 und 1400 V_DC, mit Kapazitätswerten von 33 µF bis 220 µF und Effektivstromwerten bis zu 75 A bei +55 °C. Die hohe Toleranz gegen Brummströme ist das Ergebnis der niederinduktiven Innenkonstruktion dieser metallisierten Polypropylen-Kondensatoren. Sie sind in einem flachen, flammhemmenden UL94V0-Gehäuse mit einem Durchmesser von 84,5 mm verpackt und verfügen über Montageflansche an der Unterseite und M8-Gewindeanschlüsse (Bild 6). Je nach Leistung beträgt die Gehäusehöhe 40 mm, 51 mm oder 64 mm.

Wie gezeigt, benötigen EV-Ladegeräte eine breite Palette von Kondensatortypen, um einen zuverlässigen und effizienten Betrieb zu gewährleisten. Cornell Dubilier, im Vertrieb bei Digi-Key,  bietet eine große Auswahl an Kondensatortypen und Montagearten an, um die Konstruktion und den Bau von Hochleistungs-Ladegeräten für Anwendungen der Stufen 1, 2 und 3 zu unterstützen. (na)

Den Originaltext finden Sie bei Digi-Key.