วิธีการเลือกและใช้ตัวเก็บประจุเพื่อให้แน่ใจว่าเครื่องชาร์จ EV มีประสิทธิภาพ เชื่อถือได้ และยั่งยืน

เครื่องชาร์จสำหรับรถยนต์ไฟฟ้า (EV) มีแรงดันและพลังงานหลายระดับ แต่ทั้งหมดต้องอาศัยตัวเก็บประจุเพื่อทำหน้าที่ต่างๆ เช่น การกรองอินพุต DC, การเชื่อมโยง DC, การกรองฮาร์มอนิก AC, การกรองเอาต์พุต DC และในบางการออกแบบ ตัวเก็บประจุยิ่งยวดใช้ร่วมกับ ที่เก็บพลังงานแบตเตอรี่และอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ เนื่องจากเครื่องชาร์จ EV มักจะตั้งอยู่กลางแจ้งหรือในสภาพแวดล้อมที่สมบุกสมบันอื่นๆ นักออกแบบจึงถูกท้าทายให้กำหนดโปรไฟล์ประสิทธิภาพของตัวเก็บประจุก่อน แล้วจึงเลือกประเภทตัวเก็บประจุที่เหมาะสมเพื่อให้ตรงตามลักษณะความน่าเชื่อถือที่ต้องการ

นักออกแบบจำเป็นต้องตรวจสอบให้แน่ใจว่าตัวเก็บประจุมีความทนทานทางกายภาพด้วยพิกัดอุณหภูมิการทำงานที่กว้างและอายุการใช้งานที่ยาวนาน ตัวเก็บประจุต้องมีขนาดกะทัดรัดและสามารถจัดการกับกระแสกระเพื่อมขนาดใหญ่ได้โดยไม่ร้อนเกินไปหรือทำให้ประสิทธิภาพการทำงานลดลง และต้องเป็นไปตามข้อกำหนดทางไฟฟ้าและทางกลของ AEC-Q200 รวมถึงข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพของ International Electrotechnical Commission (IEC) 61071 และบางส่วนจำเป็นต้องเป็นไปตามมาตรฐาน ANSI/IEEE 18

เพื่อตอบสนองความต้องการที่หลากหลายของการใช้งานวงจรเหล่านั้น นักออกแบบสามารถหันไปใช้เทคโนโลยีตัวเก็บประจุที่หลากหลาย เช่น ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มไฟฟ้า ตัวเก็บประจุแบบอลูมิเนียมอิเล็กโทรลีติค และตัวเก็บประจุแบบซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ รวมถึงการออกแบบที่มีความเหนี่ยวนำต่ำ ตัวเก็บประจุที่มีพิกัดกระแสกระเพื่อมสูง อุณหภูมิในการทำงานสูง ความสามารถในการรักษา, คุณสมบัติ AEC-Q200 ที่ตรงตาม IEC 61071 และซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่มีความต้านทานอนุกรมเทียบเท่าต่ำ (ESR)

บทความนี้กำหนดระดับการชาร์จต่างๆ และทบทวนการใช้งานวงจรสำหรับตัวเก็บประจุในอินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ตามระดับเหล่านี้ จากนั้นจึงนำเสนอตัวอย่างการกรองอินพุต พาวเวอร์ฟิล์ม DC ลิงค์ การกรองฮาร์มอนิกกระแสสลับ และตัวเก็บประจุกรองเอาต์พุตและตัวเก็บประจุซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จากCornell Dubilier อิเล็กทรอนิกส์ เหมาะสำหรับการออกแบบเครื่องชาร์จ EV ที่หลากหลาย พร้อมด้วยตัวเลือกแพ็คเกจสำหรับการรวมตัวเก็บประจุเหล่านี้เข้ากับแผงวงจรพิมพ์ (บอร์ดพีซี) การติดเข้ากับบัสบาร์ หรือเชื่อมต่อโดยตรงกับโมดูลทรานซิสเตอร์สองขั้วแบบเกตหุ้มฉนวน (IGBT) เพื่อให้การออกแบบประสบความสำเร็จ

ระดับการชาร์จ EV และข้อกำหนด

การชาร์จ EV มีสามระดับ: การชาร์จที่อยู่อาศัยระดับ 1 ให้กระแสสลับ 120 โวลต์ (V_{เครื่องปรับอากาศ} ) พลัง; การชาร์จที่อยู่อาศัยและที่สาธารณะระดับ 2 ให้ 208/240 V_{เครื่องปรับอากาศ} พลัง; และเครื่องชาร์จเชิงพาณิชย์และสาธารณะระดับ 3 ให้กระแสตรง 400 ถึง 900 โวลต์ (V_{กระแสตรง} ) พลังงานสำหรับการชาร์จเร็วแบบ DC และการชาร์จแบบซูเปอร์ชาร์จ เครื่องชาร์จระดับ 1 และระดับ 2 บางรุ่นใช้อินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์และที่เก็บพลังงานแบตเตอรี่

เครื่องชาร์จพลังงานแสงอาทิตย์ระดับ 1 และระดับ 2 ที่ใช้กันทั่วไปมากขึ้นประกอบด้วยตัวแปลงไฟฟ้ากระแสตรงเป็นไฟฟ้ากระแสตรง (DC-DC) และอินเวอร์เตอร์ไฟฟ้ากระแสตรงเป็นกระแสสลับ (DC-AC) พวกเขาต้องการคาปาซิเตอร์ประสิทธิภาพสูงหลายแบบที่ออกแบบมาเพื่อใช้ในสภาวะทางไฟฟ้าที่รุนแรงซึ่งตรงตามมาตรฐาน AEC-Q200 และ IEC 61071 รวมถึงประเภทที่แสดงในรูปที่ 1:

• ตัวกรองอินพุต DC และตัวเก็บประจุ DC link : เครื่องชาร์จเหล่านี้ต้องการตัวกรองอินพุต DC ความเหนี่ยวนำต่ำและตัวเก็บประจุแบบลิงก์ DC ที่ได้รับการปรับให้เหมาะกับการใช้งานที่ใช้พลังงานปานกลาง พวกเขาจะได้ประโยชน์จากการใช้ตัวเก็บประจุที่มีค่าสูงถึง 1 ฟารัด (F) หรือมากกว่า และความต้านทานอนุกรมเทียบเท่าต่ำ (ESR) เพื่อลดความร้อนภายในให้เหลือน้อยที่สุด
• ตัวเก็บประจุตัวกรองเอาต์พุต AC : อินเวอร์เตอร์ไฟฟ้าโหมดสวิตช์ที่ใช้ IGBT สามารถสร้างเนื้อหาฮาร์มอนิกสูงและความเพี้ยนของฮาร์มอนิกทั้งหมด (THD) ที่ต้องกรองโดยใช้ตัวเก็บประจุกรองเอาต์พุต AC หากไม่ได้กรองอย่างเพียงพอ ฮาร์มอนิกสามารถบิดเบือนรูปคลื่นไฟฟ้ากระแสสลับที่เอาต์พุตได้
• ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ : การเพิ่มซุปเปอร์คาปาซิเตอร์จะเป็นประโยชน์อย่างยิ่งในเครื่องชาร์จพลังงานแสงอาทิตย์ระดับ 1 และระดับ 2 เพื่อช่วยให้ระบบปรับตัวตามการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิที่ร้อน เนื่องจากเมฆบดบังแผงโซลาร์เซลล์ที่มีขนาดค่อนข้างเล็ก ส่งผลให้กำลังขับสูงสุดและต่ำสุด ในระบบเหล่านี้ อัตราส่วนระหว่างพลังงานสูงสุดและพลังงานเฉลี่ยอาจท้าทายระบบที่ใช้แบตเตอรี่เพียงอย่างเดียว การรวมกันของซุปเปอร์คาปาซิเตอร์และแบตเตอรี่สามารถส่งผลให้ระบบมีความหนาแน่นของพลังงานสูงขึ้น

รูปที่ 1: ต้องใช้ตัวเก็บประจุและซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ที่หลากหลายสำหรับเครื่องชาร์จ EV อินเวอร์เตอร์พลังงานแสงอาทิตย์ (แหล่งรูปภาพ: Cornell Dubilier Electronics)

ตัวเก็บประจุยังมีความสำคัญในการออกแบบเครื่องชาร์จเร็ว DC ระดับ 3 ที่ใช้การแปลงไฟ AC-DC เช่นเดียวกับเครื่องชาร์จระดับ 1 และระดับ 2 เครื่องชาร์จแบบเร็ว DC ต้องใช้ตัวเก็บประจุแบบ DC link ตัวเก็บประจุ DC link ในเครื่องชาร์จแบบเร็ว DC เป็นอุปกรณ์ที่มีกำลังไฟสูงกว่าและมักจะมีพิกัดแรงดันไฟฟ้าสูงกว่า นอกจากนี้ เครื่องชาร์จระดับ 3 ยังต้องการตัวเก็บประจุตัวกรองอินพุต AC และตัวเก็บประจุตัวกรองเอาต์พุต DC (รูปที่ 2):

• ตัวเก็บประจุตัวกรองอินพุต AC : เพื่อรองรับระดับพลังงานที่สูงขึ้น ตัวเก็บประจุเหล่านี้มักได้รับการบรรจุหีบห่อที่แตกต่างกันเมื่อเทียบกับอุปกรณ์ที่ออกแบบมาเพื่อการจัดการพลังงานที่ต่ำกว่า ตัวอย่างเช่น ในขณะที่ตัวเก็บประจุกรองพลังงานที่ต่ำกว่าในเครื่องชาร์จระดับ 1 และ 2 สามารถมีปลายแบบ snap-in สำหรับการยึดติดกับบอร์ดพีซีหรือหมุดบัดกรีอย่างรวดเร็ว ตัวเก็บประจุที่ใช้ในเครื่องชาร์จแบบเร็ว DC ระดับ 3 มักจะมีขั้วต่อสกรูที่ต่อโดยตรงกับบัสบาร์กำลังสูง . ตัวเก็บประจุอินพุตสำหรับเครื่องชาร์จระดับ 3 สามารถเป็นไปตามมาตรฐาน ANSI/IEEE 18
• ตัวเก็บประจุตัวกรองเอาต์พุต DC : คาปาซิเตอร์เหล่านี้ทำหน้าที่คล้ายกับคาปาซิเตอร์ตัวกรองฮาร์มอนิก AC ในเครื่องชาร์จพลังงานแสงอาทิตย์ระดับ 1 และระดับ 2 พวกมันดูดซับสภาวะชั่วขณะและกรองกระแสฮาร์มอนิกที่เกิดจากขั้นตอนการสลับ DC-DC IGBT ของเครื่องชาร์จ ทำให้แรงดันเอาต์พุตราบรื่น ตัวเก็บประจุเหล่านี้จำเป็นต้องรวม ESR ต่ำเข้ากับความสามารถกระแสกระเพื่อมสูง

รูปที่ 2: เครื่องชาร์จ DC ระดับ 3 ที่ใช้พลังงานจากกริดต้องการส่วนประกอบที่สามารถรองรับกระแสและแรงดันไฟฟ้าสูงได้ (แหล่งรูปภาพ: Cornell Dubilier Electronics)

ตัวเก็บประจุสำหรับเครื่องชาร์จ PV EV ระดับ 1 และระดับ 2

การกรองอินพุต DC : Cornell Dubilier เสนอตัวเลือกตัวเก็บประจุอลูมิเนียมอิเล็กโทรลีติคให้กับนักออกแบบหลายตัวสำหรับการกรองอินพุต DC บนเครื่องชาร์จ EV ระดับ 1 และระดับ 2 รวมถึงดี.ซี.เอ็ม ตัวเก็บประจุแบบขั้วเกลียว และ380LX/382LX +85°C และ381LX/383LX ตัวเก็บประจุแบบสแน็ปอิน +105°C (รูปที่ 3) ตัวเก็บประจุ DCMC มีตั้งแต่ 110 µF ถึง 2.7 F, แรงดันไฟฟ้าสูงถึง 550 โวลต์, ช่วงอุณหภูมิการทำงานที่ -40°C ถึง +85°C และสามารถจัดการกับกระแสกระเพื่อมในระดับสูงได้ ตัวเก็บประจุประเภท 380LX มีอายุการโหลด 3,000 ชั่วโมง (ชม.) ที่โหลดเต็มที่ที่อุณหภูมิ +85°C ในขณะที่ตัวเก็บประจุ 381XL มีอายุการโหลด 3,000 ชม. ที่โหลดเต็มที่ที่อุณหภูมิ +105°C คาปาซิเตอร์ 380LX/382LX และ 381LX/383LX มีจำหน่ายแบบ 2, 4 และ 5 พิน เพื่อรองรับการติดตั้งที่ปลอดภัยและแม่นยำกับบอร์ดพีซี

รูปที่ 3: 381LX และตัวเก็บประจุที่เกี่ยวข้องมีการเชื่อมต่อบอร์ดพีซีแบบสแน็ปอิน (แหล่งที่มาภาพ: Cornell Dubilier Electronics)

การเชื่อมโยง DC : สำหรับการเชื่อมโยง DC นักออกแบบสามารถเลือกจากอลูมิเนียมอิเล็กโทรไลต์ประเภท 550C เช่น550C562T400DP2B และ 947D ซีรีส์ ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มเคลือบโลหะ เช่น947D601K901DCRSN . ซีรีส์ 550C มีอายุการใช้งานมากกว่า 100,000 ชั่วโมงในการใช้งานทั่วไป และสูงสุด 20,000 ชั่วโมงที่การทำงาน +85°C ตัวเก็บประจุ 550C มี ESR ต่ำถึง 7 มิลลิโอห์ม (mΩ) และมีขั้วต่อแบบสกรูสำหรับติดกับบอร์ดพีซีหรือบัสบาร์ และสามารถรองรับกระแสกระเพื่อมสูงได้

ซีรีย์ 947D รวมความจุสูงและความสามารถกระแสกระเพื่อมที่สูงมากซึ่งจำเป็นสำหรับการออกแบบอินเวอร์เตอร์ ตัวเก็บประจุเหล่านี้มีพิกัดแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 900 ถึง 1,300 V_{กระแสตรง} . ได้รับการจัดอันดับสำหรับการทำงาน 7,000 ชั่วโมงที่ +85°C และมีอายุขัย 350,000 ชั่วโมงที่อุณหภูมิแกนกลาง +60°C และแรงดันไฟฟ้าเต็มพิกัด

การกรองฮาร์มอนิกเอาท์พุต AC : เพื่อให้การกรองฮาร์มอนิกเอาต์พุต AC ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง นักออกแบบสามารถหันไปใช้ประเภทที่มีคุณสมบัติ AEC-Q200ซีรีส์ ALH ตัวเก็บประจุกรองกระแสสลับ เมื่อเทียบกับคาปาซิเตอร์มาตรฐาน คาปาซิเตอร์เหล่านี้มีอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น 50% จากการทดสอบค่าความเอนเอียงของอุณหภูมิ-ความชื้น (THB) ที่ 85/85 แบบเร่ง มีพิกัดกระแส root-mean-square (RMS) สูง ซึ่งทำให้เหมาะกับการจัดการฮาร์มอนิกลำดับที่สูงขึ้นในอินเวอร์เตอร์ที่ใช้ IGBT ความถี่สูง ช่วงความจุอยู่ระหว่าง 0.22 ถึง 50 ไมโครฟารัด (µF) ที่ 160 ถึง 450 V_{เครื่องปรับอากาศ} , 50/60 เฮิรตซ์ (Hz) คาปาซิเตอร์ฟิล์มโพลีโพรพิลีนเคลือบโลหะที่รักษาตัวเองได้เหล่านี้มาในแพ็คเกจยึดกับบอร์ดที่ทนทาน (รูปที่ 4) และมีช่วงอุณหภูมิการทำงานที่ -40°C ถึง +105°C ตัวเก็บประจุซีรีส์ ALH มีอายุการใช้งาน 100,000 ชั่วโมงที่แรงดันไฟฟ้าที่กำหนดและอุณหภูมิจุดร้อนที่ +70°C

รูปที่ 4: ตัวเก็บประจุตัวกรอง AC ซีรีส์ ALH ให้การกรองเอาท์พุตฮาร์มอนิก AC ในสภาพแวดล้อมที่สมบุกสมบัน ซ่อมแซมตัวเองได้ และออกแบบมาสำหรับการติดตั้งผ่านรูบนบอร์ดพีซี (แหล่งที่มาภาพ: Cornell Dubilier Electronics)

ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ : สำหรับการออกแบบที่ต้องการการระเบิดของพลังงานในทันทีที่ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์สามารถให้ได้ Cornell Dubilier ขอเสนอซีรีย์ DGH และซีรีส์ DSF . ซีรีส์ DGH ประกอบด้วยค่าผสม/แรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกัน 21 ค่า ซึ่งมีความจุตั้งแต่ 0.5 ถึง 600 F โดยมีพิกัดแรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 2.7 ถึง 5.5 โวลต์ทำงาน DC (WV_{กระแสตรง} ). ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ DSF ให้ค่า 3.0 WV ที่สูงกว่า_{กระแสตรง} สำหรับส่วนประกอบเดียวและ 6.0 WV_{กระแสตรง} สำหรับอุปกรณ์คู่ (รูปที่ 5) ข้อกำหนดด้านแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นนี้ส่งผลให้มีความหนาแน่นของพลังงานสูงขึ้น 24% ซีรีส์ DSF ประกอบด้วยการรวมค่า/แรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกัน 17 ค่า ซึ่งมีความจุตั้งแต่ 1.5 F ถึง 600 F ทั้งสองซีรีส์ได้รับการจัดอันดับ 500,000 รอบ มีให้เลือกทั้งแบบรูทะลุหรือแบบสแน็ปอินสำหรับการรวมเข้ากับบอร์ดพีซี

รูปที่ 5: ซุปเปอร์คาปาซิเตอร์ DSF มีให้เลือกทั้งแบบคู่และแบบเดี่ยว (แหล่งที่มาภาพ: Cornell Dubilier Electronics)

ตัวเก็บประจุสำหรับเครื่องชาร์จระดับ 3

อินพุต AC และการกรองฮาร์มอนิก : สำหรับระดับพลังงานสูงที่รองรับโดยเครื่องชาร์จ DC ระดับ 3 นักออกแบบสามารถหันไปใช้ตัวเก็บประจุซีรีส์สามเฟส PFCH เช่นPFCCHX48D20S108T ซึ่งได้รับการจัดอันดับสำหรับ 76.8 µF และ 480 V_{เครื่องปรับอากาศ} และได้รับการออกแบบมาสำหรับการกรองฮาร์มอนิกอินพุต AC คาปาซิเตอร์เหล่านี้ประกอบด้วยขดลวดโพลีโพรพิลีนเคลือบโลหะที่รักษาตัวเองได้สามเส้นที่เชื่อมต่อกันในรูปแบบเดลต้าและอยู่ในกล่องอะลูมิเนียมทรงกระบอก มีอายุการใช้งาน 60,000 ชม. โดยมีอัตราการรอดชีวิต 94% และอัตราความล้มเหลวในเวลา (FIT) ≤300 X 10⁹ ชั่วโมงส่วนประกอบ รวมถึงตัวขัดขวางแรงดันที่ปลดทั้งสามเฟสในกรณีที่ตัวเก็บประจุหมดอายุการใช้งานหรือโอเวอร์โหลด เป็นไปตามมาตรฐาน ANSI/IEEE 18 และมีพิกัดกระแสไฟฟ้าลัดวงจรสูงสุด 10 กิโลแอมแปร์ (kA) ตามมาตรฐาน UL 810

การเชื่อมโยง DC : ตัวเลือกตัวเก็บประจุแบบเชื่อมโยง DC ได้แก่ลิงก์ BLH DC คาปาซิเตอร์ที่ออกแบบสำหรับการติดตั้งบอร์ดพีซีซึ่งผ่านการทดสอบเป็นเวลา 1,500 ชั่วโมงที่ +85°C / ความชื้นสัมพัทธ์ 85% โดยใช้แรงดันไฟฟ้าที่กำหนด และซีรีส์ 474 เช่น 0.47 µF, 1.2 กิโลโวลต์ DC (kV_{กระแสตรง} )474PMB122KSP2 ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มที่ออกแบบมาสำหรับการติดตั้งโดยตรงบนโมดูล IGBT เพื่อให้มีการเชื่อมโยงและกรอง DC

ตัวเก็บประจุ BLH ได้รับการจัดอันดับสำหรับการทำงานตั้งแต่ -40°C ถึง +105°C โดยมีพิกัดแรงดันไฟฟ้าที่ลดลงมากกว่า +85°C 1.35% ต่อ°C และตรงตามข้อกำหนดของ IEC 61071 และ AEC-Q200 ตัวเก็บประจุซีรีส์ 474 เช่น 474PMB122KSP2 ได้รับการจัดอันดับสำหรับการทำงานตั้งแต่ -40°C ถึง +100°C โดยที่แรงดันไฟ DC ลดลง 1.5% และแรงดันไฟ AC ลดลง 2.5% ต่อ°C ที่สูงกว่า +85°C

การกรองเอาต์พุต DC : เดอะ944U ชุดตัวเก็บประจุแบบฟิล์มกระแสสูงประกอบด้วยอุปกรณ์ที่มีพิกัด 800, 1,000, 1200 และ 1400 V_{กระแสตรง} โดยมีพิกัดความจุตั้งแต่ 33 µF ถึง 220 µF และพิกัดกระแส RMS สูงสุด 75 A ที่ +55°C ความสามารถในการกระเพื่อมสูงเป็นผลมาจากโครงสร้างภายในที่มีความเหนี่ยวนำต่ำของตัวเก็บประจุโพลีโพรพิลีนเคลือบโลหะเหล่านี้ บรรจุในกล่องกันไฟ UL94V0 ทรงเตี้ยที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 84.5 มม. (มม.) พร้อมหน้าแปลนสำหรับติดตั้งที่ฐานและขั้วต่อสตั๊ดแบบเกลียว M8 (รูปที่ 6) ความสูงของเคสคือ 40 มม. 51 มม. หรือ 64 มม. ขึ้นอยู่กับการจัดอันดับ

รูปที่ 6: การเชื่อมต่อสกรูของตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม 944U สามารถใช้กับบอร์ดพีซีหรือบัสบาร์ได้ (แหล่งที่มาภาพ: Cornell Dubilier Electronics)

สรุป

ดังที่แสดงไว้ เครื่องชาร์จ EV ต้องการตัวเก็บประจุหลายประเภทเพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานที่เชื่อถือได้และมีประสิทธิภาพ Cornell Dubilier นำเสนอประเภทตัวเก็บประจุและรูปแบบการติดตั้งที่หลากหลายเพื่อรองรับการออกแบบและการสร้างเครื่องชาร์จประสิทธิภาพสูงสำหรับการใช้งานระดับ 1, 2 และ 3