Cómo seleccionar y aplicar condensadores para garantizar cargadores de VE eficientes, fiables y sostenibles

Los cargadores para vehículos eléctricos (VE) vienen en varios niveles de tensión y potencia, pero todos se basan en capacitores para realizar funciones como el filtrado de entrada de CC, la conexión de CC, el filtrado de armónicos de CA, el filtrado de salida de CC y, en algunos diseños, los supercapacitores se utilizan en combinación con el almacenamiento de energía en baterías y los inversores solares. Dado que los cargadores de vehículos eléctricos suelen estar situados al aire libre o en otros entornos difíciles, los diseñadores se enfrentan al reto de determinar en primer lugar el perfil de rendimiento del capacitador y, a continuación, seleccionar el tipo de capacitador adecuado para satisfacer las exigentes características de fiabilidad.

Los diseñadores deben asegurarse de que el capacitador sea físicamente resistente, con amplios índices de temperatura de funcionamiento y larga vida útil. Los capacitadores deben ser compactos y capaces de soportar grandes corrientes de ondulación sin sobrecalentarse ni sufrir una degradación de su rendimiento, y deben cumplir los requisitos eléctricos y mecánicos de la norma AEC-Q200, así como los requisitos de rendimiento de la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI) 61071, y algunos deben cumplir la norma ANSI/IEEE 18.

Para satisfacer las diversas necesidades de estas aplicaciones de circuitos, los diseñadores pueden recurrir a diversas tecnologías de capacitores, como los capacitores electrolíticos de película, los capacitores electrolíticos de aluminio y los supercapacitores, incluidos los diseños de baja inductancia, los capacitores con alta corriente de ondulación, altas temperaturas de funcionamiento, capacidades de autorreparación, cualificaciones AEC-Q200 que cumplen la norma IEC 61071 y supercapacitores con resistencia equivalente en serie (ESR).

En este artículo se definen los distintos niveles de carga y se revisan las aplicaciones de circuitos para capacitores en inversores de energía solar basados en estos niveles. A continuación, presenta ejemplos de capacitores y supercapacitores de filtrado de entrada, enlace de CC de película de potencia, filtrado de armónicos de CA y filtrado de salida de Cornell Dubilier Electronics adecuados para diversos diseños de cargadores de VE, junto con opciones de embalaje para integrar estos condensadores en placas de circuito impreso, fijarlos a barras colectoras o conectarlos directamente a módulos de transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) para garantizar un diseño satisfactorio.

Niveles y requisitos de recarga de vehículos eléctricos

Hay tres niveles de carga para vehículos eléctricos: El nivel 1 de carga residencial proporciona 120 voltios de corriente alterna (V_CA); el nivel 2 de carga residencial y pública proporciona 208/240 V_CA; y el nivel 3 de carga comercial y pública proporciona 400 a 900 voltios de corriente continua (V_CC) para la carga rápida de CC y la supercarga. Algunos cargadores de niveles: 1 y 2 se basan en inversores solares y almacenamiento de energía en baterías.

Los cargadores de nivel 1 y 2 alimentados por energía solar, cada vez más comunes, incluyen un convertidor de corriente continua a corriente continua (CC/CC) y un inversor de CC a corriente alterna (CC/CA). Necesitan una variedad de capacitores de alto rendimiento que hayan sido diseñados para su uso en condiciones eléctricas adversas y que cumplan las normas AEC-Q200 e IEC 61071, incluidos los tipos que se muestran en la figura 1:

• Filtro de entrada de CC y capacitores de enlace de CC: Estos cargadores necesitan un filtro de entrada de CC de baja inductancia y capacitores de enlace de CC optimizados para aplicaciones de potencia media. Pueden beneficiarse del uso de capacitores con valores de hasta 1 Farad (F) o más, y una resistencia equivalente en serie (ESR) baja para minimizar el calentamiento interno.
• Capacitores de filtro de salida de CA: Los inversores de potencia conmutados basados en IGBT pueden producir un alto contenido armónico y distorsión armónica total (THD) que deben filtrarse utilizando capacitores de filtro de salida de CA. Si no se filtran adecuadamente, los armónicos pueden distorsionar la forma de onda de CA de salida.
• Supercapacitores: La adición de supercapacitores puede ser especialmente beneficiosa en los cargadores solares de niveles 1 y 2 para ayudar al sistema a ajustarse a los cambios de insolación cuando las nubes obstruyen los relativamente pequeños paneles solares, lo que provoca picos y valles en la potencia de salida. En estos sistemas, la relación entre potencia máxima y potencia media puede suponer un reto para los sistemas que funcionan solo con baterías. La combinación de supercapacitores y baterías puede dar lugar a un sistema con mayor densidad de potencia.

Figura 1: Se necesitan diversos capacitores y supercapacitores para los cargadores de VE con inversor solar. (Fuente de la imagen: Cornell Dubilier Electronics)

Los capacitores también son importantes en el diseño de los cargadores rápidos de CC de nivel 3 que utilizan la conversión de potencia CA-CC. Al igual que los cargadores de niveles: 1 y 2, los cargadores rápidos de CC necesitan condensadores de enlace de CC. Los condensadores de enlace de CC de los cargadores rápidos de CC son dispositivos de mayor potencia y suelen tener voltajes nominales más altos. Además, los cargadores de nivel 3 necesitan condensadores de filtro de entrada de CA y condensadores de filtro de salida de CC (Figura 2):

• Capacitores de filtro de entrada de CA: Para soportar niveles de potencia más altos, estos condensadores suelen tener un embalaje diferente en comparación con los dispositivos diseñados para manejar potencias más bajas. Por ejemplo, mientras que los condensadores de filtrado de menor potencia de los cargadores de niveles 1 y 2 pueden tener terminaciones a presión para una rápida fijación a placas de PC o clavijas soldables, los condensadores utilizados en los cargadores rápidos de CC de nivel 3 suelen tener terminales de tornillo que se fijan directamente a barras colectoras de alta potencia. Los capacitores de entrada de los cargadores de nivel 3 pueden tener que cumplir la norma ANSI/IEEE 18.
• Capacitores de filtro de salida de CC: Estos capacitores cumplen una función similar a la de los capacitores de filtro de armónicos de CA de los cargadores solares de niveles 1 y 2. Absorben los transitorios y filtran las corrientes armónicas generadas por la etapa de conmutación CC-CC IGBT del cargador, suavizando el voltaje de salida. Estos capacitores deben combinar una baja resistencia equivalente en serie (ESR) con una alta capacidad de corriente de ondulación.

Figura 2: Los cargadores de CC de nivel 3 alimentados por la red requieren componentes capaces de soportar corrientes y voltajes elevados. (Fuente de la imagen: Cornell Dubilier Electronics)

Capacitores para cargadores fotovoltaicos de vehículos eléctricos de nivel 1 y 2

Filtrado de entrada de CC: Cornell Dubilier ofrece a los diseñadores varias opciones de condensadores electrolíticos de aluminio para el filtrado de entrada de CC en cargadores de VE de nivel 1 y nivel 2, incluidos los condensadores de terminales de tornillo DCMC, y los capacitores a presión 380LX/382LX +85 °C y 381LX/383LX +105 °C (Figura 3). Los capacitores DCMC oscilan entre 110 µF y 2.7 °F, tensiones de hasta 550 voltios, un rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a +85 °C y pueden soportar altos niveles de corriente de ondulación. Los condensadores tipo 380LX tienen una vida de carga de 3000 horas (h) a plena carga a +85 °C, mientras que los condensadores 381XL tienen una vida de carga de 3000 h a plena carga a +105 °C. Los capacitores 380LX/382LX y 381LX/383LX están disponibles con estilos de 2, 4 y 5 patillas para permitir un montaje seguro y preciso en placas de PC.

Figura 3: El 381LX y los capacitores relacionados tienen conexiones a presión en la placa de PC. (Fuente de la imagen: Cornell Dubilier Electronics)

Enlace de CC: Para el enlace de CC, los diseñadores pueden elegir entre capacitores electrolíticos de aluminio del tipo 550C, como el 550C562T400DP2B, y capacitores de película metalizada de la serie 947D, como el 947D601K901DCRSN. La serie 550C tiene una vida útil de más de 100.000 horas en aplicaciones típicas y de hasta 20.000 horas a +85 °C. Los capacitores 550C tienen ESR de hasta 7 miliohmios (mΩ) y disponen de terminales de tornillo para su fijación a una placa de PC o barra colectora, y pueden soportar altas corrientes de ondulación.

La serie 947D combina la alta capacitancia y la muy alta capacidad de corriente de ondulación necesarias para los diseños de inversores. Estos capacitores están disponibles con voltajes nominales de 900 a 1300 V_CC. Tienen una vida útil de 7000 horas de funcionamiento a +85 °C y una esperanza de vida de 350.000 horas a una temperatura del núcleo de +60 °C y a pleno voltaje nominal.

Filtrado de armónicos de salida de CA: Para proporcionar filtrado de armónicos de salida de CA en entornos hostiles, los diseñadores pueden recurrir a los condensadores de filtrado de CA de la serie ALH con homologación AEC-Q200. En comparación con los condensadores estándar, estos condensadores tienen una vida útil un 50% mayor según las pruebas aceleradas de 85/85 de temperatura-humedad-prevalencia (THB). Sus elevados valores de corriente cuadrática media (RMS) los hacen adecuados para tratar armónicos de orden superior en inversores de alta frecuencia basados en IGBT. Los rangos de capacitancia van de 0.22 a 50 microfaradios (µF) a 160 a 450 V_CA, 50/60 Hertz (Hz). Estos condensadores de película de polipropileno metalizado autorreparables se presentan en un robusto encapsulado para montaje en placa (Figura 4) y tienen un rango de temperatura de funcionamiento de -40 °C a +105 °C. Los condensadores de la serie ALH tienen una vida útil de 100.000 horas a voltaje nominal y una temperatura de punto caliente de +70 °C.

Figura 4: Los capacitores de filtro de CA de la serie ALH proporcionan filtrado de armónicos de salida de CA en entornos hostiles, son autorreparables y están diseñados para montaje pasante en placas de PC. (Fuente de la imagen: Cornell Dubilier Electronics)

Supercapacitores: Para los diseños que necesitan las ráfagas instantáneas de potencia que pueden proporcionar los supercapacitores, Cornell Dubilier ofrece las series DGH y DSF. La serie DGH incluye 21 combinaciones diferentes de valor/tensión, que van de 0.5 a 600 F de capacitancia, con voltajes nominales de 2.7 a 5.5 voltios de CC de trabajo (WV_DC). Los supercapacitores DSF ofrecen una potencia superior de 3.0 WV_DC para un solo componente y de 6.0 WV_DC para un dispositivo doble (Figura 5). Esta mayor especificación de voltaje se traduce en una densidad de energía un 24% superior. La serie DSF incluye 17 combinaciones diferentes de valor/voltaje, con capacitancias que van de 1.5 F a 600 F. Ambas series están homologadas para 500.000 ciclos. Están disponibles con una selección de terminales de orificio pasante o de encaje a presión para su integración en placas de PC.

Figura 5: Los supercapacitores DSF están disponibles como dispositivos dobles y simples. (Fuente de la imagen: Cornell Dubilier Electronics)

Capacitores para cargadores de nivel 3

Entrada de CA y filtrado de armónicos: Para los altos niveles de alimentación que soportan los cargadores de CC de nivel 3, los diseñadores pueden recurrir a la serie PFCH de capacitores trifásicos en serie, como el PFCHX48D20S108T, que tiene una capacidad nominal de 76.8 µF y 480 V_CA y está diseñado para el filtrado de armónicos de entrada de CA. Estos capacitores constan de tres bobinados de polipropileno metalizado autocurante conectados en configuración delta y encerrados en una carcasa cilíndrica de aluminio. Tienen una vida útil de 60.000 horas con un índice de supervivencia del 94% y un índice de tiempo de fallo (FIT) de ≤300 X 10⁹ horas componente. Incluyen un interruptor de presión que desconecta las tres fases en caso de fin de vida útil o sobrecarga del capacitor. Cumplen la norma ANSI/IEEE 18 y tienen una corriente de cortocircuito nominal máxima de 10 kiloamperios (kA) según UL 810.

Enlace de CC: Las opciones de condensadores de enlace de CC incluyen los capacitores BLH DC Link diseñados para montaje en placa de PC que se han probado durante 1500 horas a +85 °C / 85% de humedad relativa con tensión nominal aplicada, y la serie 474, como el capacitor de película 474PMB122KSP2 de 0.47 µF y 1.2 kilovoltios de CC (kV_CC) que está diseñado para montaje directo en módulos IGBT para proporcionar enlace de CC y filtrado.

Los capacitores BLH están diseñados para funcionar entre -40 °C y +105 °C con una reducción de la tensión nominal por encima de +85 °C del 1,35% por °C, y cumplen los requisitos de las normas IEC 61071 y AEC- Q200. Los capacitores de la serie 474, como el 474PMB122KSP2, están preparados para funcionar entre -40 °C y +100 °C, con una disminución del 1.5% en el Voltaje de CC y del 2.5% en el Voltaje de CA por cada °C por encima de +85 °C.

Filtrado de salida de CC: La serie 944U de capacitores de película de alta corriente incluye dispositivos para 800, 1000, 1200 y 1400 V_CC, con valores nominales de capacitancia de 33 µF a 220 µF y valores nominales de corriente RMS de hasta 75 A a +55 °C. La alta capacidad de ondulación es el resultado de la construcción interna de baja inductancia de estos capacitores de polipropileno metalizado. Se presentan en una caja ignífuga UL94V0 de bajo perfil y 84.5 milímetros (mm) de diámetro, con bridas de montaje en la base y terminales de perno pasador roscados M8 (figura 6). Dependiendo de la clasificación, la altura de la caja es de 40 mm, 51 mm o 64 mm.

Figura 6: Las conexiones roscadas de los capacitores de película 944U pueden utilizarse para conexiones de placa de PC o barra de bus. (Fuente de la imagen: Cornell Dubilier Electronics)

Conclusión:

Como se ha demostrado, los cargadores de VE requieren un amplio rango de/una amplia gama de condensadores para garantizar un funcionamiento fiable y eficiente. Cornell Dubilier ofrece una amplia selección de tipos de capacitores y estilos de montaje para apoyar el diseño y la construcción de cargadores de alto rendimiento para aplicaciones de niveles: 1, 2 y 3.