Como selecionar e utilizar capacitores para garantir carregadores EV eficientes, confiáveis e sustentáveis

Os carregadores para veículos elétricos (EVs) vêm em vários níveis de tensão e potência, mas todos dependem de capacitores para executar funções como filtragem de entrada CC, acoplamento CC, filtragem harmônica CA, filtragem de saída CC e, em alguns projetos, são usados supercapacitores combinados com armazenamento de energia por bateria e inversores solares. Como os carregadores EV são frequentemente instalados ao ar livre ou em outros ambientes difíceis, os projetistas são desafiados a primeiro determinar o perfil de desempenho do capacitor e depois selecionar o tipo de capacitor apropriado para atender às exigentes características de confiabilidade.

Os projetistas precisam garantir que o capacitor seja fisicamente robusto, com classificações abrangentes de temperatura operacional e longa vida útil operacional. Os capacitores precisam ser compactos e capazes de lidar com grandes correntes de ondulação sem superaquecimento ou sofrer degradação de desempenho, precisam satisfazer os requisitos elétricos e mecânicos da AEC-Q200, bem como os requisitos de desempenho da Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) 61071 e alguns precisam satisfazer a norma 18 ANSI/IEEE.

Para atender às diversas necessidades dessas aplicações nos circuitos, os projetistas podem recorrer a uma variedade de tecnologias de capacitores como capacitores de filme de potência, capacitores eletrolíticos de alumínio e supercapacitores, incluindo projetos de baixa indutância, capacitores com alta corrente de ondulação, altas temperaturas de operação, capacidade de auto-regeneração, qualificações AEC-Q200 que atendem a IEC 61071 e supercapacitores com baixa resistência série equivalente (ESR).

Este artigo define os vários níveis dos carregadores e analisa as aplicações nos circuitos para capacitores em inversores de energia solar com base nesses níveis. Em seguida, apresenta exemplos de filtragem de entrada, filtro CC de filme de potência, filtragem de harmônicas CA, capacitores de filtragem de saída e supercapacitores da Cornell Dubilier Electronics adequados para uma variedade de projetos de carregadores EV, juntamente com opções de empacotamento para integrar esses capacitores em placas de circuito impresso (placas pci), anexando-os a barramentos ou conectando-os diretamente a módulos de transistor bipolar de porta isolada (IGBT) para garantir um projeto bem sucedido.

Níveis e requisitos de carregamento EV

Há três níveis de carregamento EV: o nível 1 de carregamento residencial que fornece 120 volts de corrente alternada (V_CA), o nível 2 de carregamento residencial e pública que fornece 208/240 V_CA e os carregadores comerciais e públicos de nível 3 que fornecem 400 a 900 volts de corrente contínua (V_CC) para carga rápida CC e supercarga. Alguns carregadores de Nível 1 e Nível 2 são baseados em inversores solares e armazenamento de energia por bateria.

Cada vez mais comuns, os carregadores de nível 1 e nível 2 alimentados por energia solar incluem um conversor de corrente contínua para corrente contínua (CC/CC) e um inversor CC para corrente alternada (CC/CA). Eles precisam de uma variedade de capacitores de alto desempenho, projetados para uso em condições elétricas adversas que atendam às normas AEC-Q200 e IEC 61071, incluindo os tipos mostrados na Figura 1:

• Filtro de entrada CC e capacitores de filtros CC: esses carregadores precisam de um filtro de entrada CC de baixa indutância e capacitores de filtro CC que foram otimizados para aplicações de média potência. Eles podem se beneficiar do uso de capacitores com valores de até 1 Farad (F) ou mais e baixa resistência série equivalente (ESR) para minimizar o aquecimento interno.
• Capacitores de filtro de saída CA: os inversores de potência de modo chaveado baseados em IGBT podem produzir alto conteúdo harmônico e distorção harmônica total (THD) que devem ser filtrados usando capacitores de filtro de saída CA. Se não forem filtradas adequadamente, as harmônicas podem distorcer a forma de onda CA de saída.
• Supercapacitores: a adição de supercapacitores pode ser especialmente benéfica nos carregadores alimentados por energia solar de Nível 1 e Nível 2 para ajudar o sistema a se ajustar a mudanças na insolação, pois as nuvens obstruem os painéis solares relativamente pequenos, resultando em picos e vales na potência de saída. Nesses sistemas, a relação entre a potência de pico e a potência média pode desafiar os sistemas somente com baterias. A combinação de supercapacitores e baterias pode resultar em um sistema com uma maior densidade de energia.

Figura 1: uma variedade de capacitores e supercapacitores é necessária para os carregadores EV alimentados por inversores solares. (Fonte da imagem: Cornell Dubilier Electronics)

Os capacitores também são importantes no projeto de carregadores rápidos CC de nível 3 que utilizam conversão de energia CA/CC. Como os carregadores de Nível 1 e Nível 2, os carregadores rápidos CC precisam de capacitores de filtro CC. Os capacitores de filtro CC em carregadores rápidos CC são dispositivos de maior potência e geralmente têm tensões nominais mais altas. Além disso, os carregadores de nível 3 precisam de capacitores de filtro de entrada CA e capacitores de filtro de saída CC (Figura 2):

• Capacitores de filtro de entrada CA: para suportar níveis mais altos de potência, esses capacitores são muitas vezes embalados de forma diferente em comparação com os dispositivos projetados para um menor consumo de energia. Por exemplo, enquanto os capacitores de filtragem de baixa potência nos carregadores de nível 1 e 2 podem ter terminações de encaixe para fixação rápida em placas pci ou pinos soldáveis, os capacitores usados nos carregadores rápidos CC de nível 3 geralmente têm terminais de parafuso que se fixam diretamente em barramentos de alta potência. Pode ser necessário que os capacitores de entrada para os carregadores de nível 3 atendam a norma 18 ANSI/IEEE.
• Capacitores de filtro de saída CC: esses capacitores servem a uma função similar aos capacitores do filtro de harmônica CA em carregadores alimentados por energia solar de Nível 1 e Nível 2. Eles absorvem os transientes e filtram as correntes harmônicas geradas pelo estágio de chaveamento CC/CC IGBT do carregador, suavizando a tensão de saída. Esses capacitores precisam combinar baixo ESR com alta capacidade de corrente de ondulação.

Figura 2: carregadores CC de nível 3 alimentados pela rede requerem componentes que possam lidar com altas correntes e tensões. (Fonte da imagem: Cornell Dubilier Electronics)

Capacitores para carregadores EV PV de Nível 1 e Nível 2

Filtragem de entrada CC: a Cornell Dubilier oferece aos projetistas várias opções de capacitores eletrolíticos de alumínio para filtragem de entrada CC em carregadores EV de Nível 1 e Nível 2, incluindo os capacitores de terminal de parafuso DCMC e os capacitores de encaixe 380LX/382LX +85 °C e 381LX/383LX +105 °C (Figura 3). Os capacitores DCMC variam de 110 µF a 2,7 F, com tensões até 550 volts, uma faixa de temperatura operacional de -40 °C a +85 °C e podem lidar com altos níveis de corrente de ondulação. Os capacitores tipo 380LX têm uma vida útil de carga de 3.000 horas (h) a plena carga a +85 °C, enquanto que os capacitores 381XL têm uma vida útil de carga de 3.000 horas a plena carga a +105 °C. Os capacitores 380LX/382LX e 381LX/383LX estão disponíveis em modelos de 2, 4 e 5 pinos para suportar uma montagem segura e precisa em placas pci.

Figura 3: o capacitor 381LX e relacionados possuem conexões de encaixe para placas pci. (Fonte da imagem: Cornell Dubilier Electronics)

Filtros CC: para filtros CC, os projetistas podem selecionar entre os eletrolíticos de alumínio tipo 550C como o 550C562T400DP2B e os capacitores de filme metalizado da série 947D como o 947D601K901DCRSN. A série 550C tem uma vida operacional de mais de 100.000 horas em aplicações típicas e até 20.000 horas operando a +85 °C. Os capacitores 550C têm ESRs de até 7 miliohms (mΩ), possuem terminais de parafuso para fixação em placa pci ou barramento e podem lidar com altas correntes de ondulação.

A série 947D combina alta capacitância e capacidade de corrente de ondulação muito alta, necessárias para projetos de inversores. Esses capacitores estão disponíveis com tensões nominais de 900 a 1.300 V_CC. Eles são classificados para 7.000 horas de operação a +85 °C e têm uma expectativa de vida de 350.000 horas a +60 °C de temperatura interna e a plena tensão nominal.

Filtragem harmônica de saída CA: para fornecer filtragem harmônica de saída CA em ambientes agressivos, os projetistas podem recorrer aos capacitores de filtro CA como os da série ALH com qualificação AEC-Q200. Comparados aos capacitores padrão, esses capacitores têm uma vida útil 50% maior com base em testes acelerados 85/85 de temperatura-umidade-polarização (THB). Têm altas correntes eficazes (RMS) que os tornam adequados para lidar com harmônicas de ordem mais alta em inversores baseados em IGBT de alta frequência. As faixas de capacitância variam de 0,22 a 50 microfarads (µF) em 160 a 450 V_CA, 50/60 Hertz (Hz). Esses capacitores autorregenerativos de filme de polipropileno metalizado vêm em um pacote robusto de montagem em placa (Figura 4) e têm uma faixa de temperatura operacional de -40 °C a +105 °C. Os capacitores da série ALH têm uma expectativa de vida útil de 100.000 horas à tensão nominal e uma temperatura de ponto quente de +70 °C.

Figura 4: os capacitores de filtro CA da série ALH fornecem filtragem de saída harmônica CA em ambientes agressivos, são autorregenerativos e são projetados para montagem de furo passante em placas pci. (Fonte da imagem: Cornell Dubilier Electronics)

Supercapacitores: para projetos que necessitam das rajadas instantâneas de energia que os supercapacitores podem fornecer, a Cornell Dubilier oferece a série DGH e a série DSF. A série DGH inclui 21 combinações diferentes de valor/tensão, variando em capacitância de 0,5 a 600 F, com tensões nominais de 2,7 a 5,5 volts CC de trabalho (WV_DC). Os supercapacitores DSF oferecem um WV_CC maior de 3,0 para um único componente e um WV_CC de 6,0 para um dispositivo duplo (Figura 5). Essa especificação de tensão mais alta resulta em uma densidade de energia 24% maior. A série DSF inclui 17 combinações diferentes de valor/tensão, com capacitância variando de 1,5 F a 600 F. Ambas as séries são classificadas para 500.000 ciclos. Estão disponíveis com a opção de terminais para furo passante ou de encaixe para integração em placas pci.

Figura 5: os supercapacitores DSF estão disponíveis como dispositivos duplos e simples. (Fonte da imagem: Cornell Dubilier Electronics)

Capacitores para carregadores de Nível 3

Entrada CA e filtragem harmônica: para os altos níveis de potência suportados pelos carregadores CC de nível 3, os projetistas podem recorrer à série PFCH de capacitores trifásicos, como o PFCHX48D20S108T, que é classificado para 76,8 µF e 480 V_CA e é projetado para filtragem de harmônicas de entrada CA. Esses capacitores consistem em três enrolamentos de polipropileno metalizado autorregenerativos que são conectados em uma configuração delta e encapsulados em uma caixa cilíndrica de alumínio. Eles têm uma classificação de vida útil de 60.000 horas com uma taxa de sobrevivência de 94% e uma taxa de falha no tempo (FIT) ≤300 X 10⁹ horas de componente. Eles incluem um interruptor de pressão que desacopla todas as três fases em caso de fim de vida útil ou sobrecarga do capacitor. Eles atendem a norma 18 ANSI/IEEE e têm uma corrente máxima de curto-circuito de 10 quiloamperes (kA) de acordo com a UL 810.

Filtros CC: as opções de capacitores para filtros CC incluem os capacitores BLH CC Link projetados para montagem em placas pci, testados por 1.500 horas a +85 °C/85% de umidade relativa com tensão nominal aplicada, e a série 474, como o capacitor de filme 474PMB122KSP2 de 0,47 µF, 1,2 quilovolt CC (kV_CC) que é projetado para montagem direta em módulos IGBT para fornecer acoplamento e filtragem CC.

Os capacitores BLH são classificados para operação de -40 °C a +105 °C com a tensão nominal reduzida acima de +85 °C em 1,35% por °C e atendem às exigências da IEC 61071 e AEC- Q200. Os capacitores da série 474 como o 474PMB122KSP2 são classificados para operação de -40 °C a +100 °C, com a tensão CC reduzida em 1,5% e a tensão CA reduzida em 2,5% por °C acima de +85°C.

Filtragem de saída CC: a série 944U de capacitores de filme de alta corrente inclui dispositivos classificados para 800, 1000, 1200 e 1400 V_CC, com faixa de capacitância de 33 µF a 220 µF e faixa de corrente RMS de até 75 A a +55 °C. A alta capacidade de ondulação é resultado da construção interna de baixa indutância desses capacitores de polipropileno metalizado. Eles são embalados em uma caixa de baixo perfil retardadora de chama UL94V0 de 84,5 milímetros (mm) de diâmetro, com flanges de montagem na base e terminais com prisioneiros roscados M8 (Figura 6). Dependendo da classificação, a altura da caixa pode ser de 40 mm, 51 mm ou 64 mm.

Figura 6: os conectores de parafuso dos capacitores de filme 944U podem ser usados para conexões em placas pci ou barramentos. (Fonte da imagem: Cornell Dubilier Electronics)

Conclusão

Como mostrado, os carregadores EV requerem uma ampla variedade de tipos de capacitores para garantir uma operação confiável e eficiente. A Cornell Dubilier oferece uma ampla seleção de tipos de capacitores e estilos de montagem para apoiar o projeto e a construção de carregadores de alto desempenho para aplicações de Nível 1, 2 e 3.