Comment sélectionner et utiliser des condensateurs pour garantir des chargeurs de VE efficaces, fiables et durables

Les chargeurs pour véhicules électriques (VE) se déclinent en différents niveaux de tension et de puissance, mais tous reposent sur des condensateurs pour effectuer des fonctions telles que le filtrage d'entrée CC, la liaison CC, le filtrage d'harmoniques CA, le filtrage de sortie CC, et dans certaines conceptions, les supercondensateurs sont utilisés en combinaison avec le stockage de l'énergie de la batterie et les onduleurs solaires. Les chargeurs de véhicules électriques étant souvent installés à l'extérieur ou en environnements difficiles, les concepteurs doivent d'abord déterminer le profil de performances du condensateur, puis sélectionner le type de condensateur approprié pour répondre aux caractéristiques de fiabilité élevées.

Les concepteurs doivent s'assurer que le condensateur est physiquement robuste, avec des températures de fonctionnement étendues et une longue durée de vie. Les condensateurs doivent être compacts et capables de supporter des courants ondulés importants sans surchauffe ni dégradation des performances, et ils doivent répondre aux exigences électriques et mécaniques de la norme AEC-Q200, ainsi qu'aux exigences de performances de la Commission électrotechnique internationale (CEI) 61071, et certains doivent être conformes à la norme ANSI/IEEE 18.

Pour répondre aux divers besoins de ces applications de circuits, les concepteurs peuvent se tourner vers une variété de technologies de condensateurs comme les condensateurs de puissance à film, les condensateurs électrolytiques aluminium et les supercondensateurs, y compris les conceptions à faible inductance, les condensateurs à forts courants ondulés nominaux, les hautes températures de fonctionnement, les capacités d'auto-régénération, les qualifications AEC-Q200 répondant à la norme CEI 61071, et les condensateurs à faible résistance série équivalente (ESR).

Cet article définit les différents niveaux de charge et passe en revue les applications de circuits pour les condensateurs dans les onduleurs solaires en fonction de ces niveaux. Il présente ensuite des exemples de condensateurs de filtrage d'entrée, de puissance à film, de liaison CC, de filtrage d'harmoniques CA et de filtrage de sortie, et des supercondensateurs de Cornell Dubilier Electronics, adaptés à une variété de conceptions de chargeurs de véhicules électriques, ainsi que des options de boîtiers pour l'intégration de ces condensateurs dans des cartes à circuit imprimé, pour leur fixation à des barres bus ou leur connexion directe à des modules de transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) afin de garantir une conception réussie.

Exigences et niveaux de charge des VE

Il existe trois niveaux de charge pour les VE : la charge résidentielle de niveau 1 fournit 120 volts de courant alternatif (V_CA) ; la charge résidentielle et publique de niveau 2 fournit 208/240 V_CA ; et les chargeurs commerciaux et publics de niveau 3 fournissent de 400 à 900 volts de courant continu (V_CC) pour la charge CC rapide et la supercharge. Certains chargeurs de niveau 1 et de niveau 2 sont basés sur des onduleurs solaires et sur le stockage de l'énergie des batteries.

Les chargeurs solaires de niveau 1 et de niveau 2, de plus en plus répandus, incluent un convertisseur CC/CC et un onduleur CC/CA. Ils ont besoin d'une variété de condensateurs hautes performances, conçus pour être utilisés dans des conditions électriques difficiles et répondant aux normes AEC-Q200 et CEI 61071, y compris les types illustrés à la Figure 1 :

• Condensateurs de filtrage d'entrée CC et de liaison CC : ces chargeurs nécessitent des condensateurs de liaison CC et un filtre d'entrée CC à faible inductance, optimisés pour les applications moyenne puissance. Ils peuvent bénéficier de l'utilisation de condensateurs avec des valeurs jusqu'à 1 Farad (F) ou plus, et d'une faible résistance série équivalente (ESR) afin de minimiser l'échauffement interne.
• Condensateurs de filtrage de sortie CA : les onduleurs de puissance à découpage basés sur IGBT peuvent produire un contenu harmonique élevé et une distorsion harmonique totale (THD) qui doivent être filtrés à l'aide de condensateurs de filtrage de sortie CA. Si elles ne sont pas filtrées de manière adéquate, les harmoniques peuvent déformer la forme d'onde CA de sortie.
• Supercondensateurs : l'ajout de supercondensateurs peut être particulièrement bénéfique dans les chargeurs solaires de niveau 1 et de niveau 2 pour aider le système à s'adapter aux variations d'ensoleillement lorsque des nuages obstruent les panneaux solaires relativement petits, entraînant des pics et des creux dans la puissance de sortie. Dans ces systèmes, le rapport entre la puissance de crête et la puissance moyenne peut constituer un défi pour les systèmes uniquement alimentés par batterie. La combinaison de supercondensateurs et de batteries peut aboutir à un système présentant une densité de puissance plus élevée.

Figure 1 : Divers condensateurs et supercondensateurs sont nécessaires pour les chargeurs de VE à onduleurs solaires. (Source de l'image : Cornell Dubilier Electronics)

Les condensateurs sont également importants dans la conception des chargeurs rapides CC de niveau 3 qui utilisent la conversion de puissance CA/CC. Comme les chargeurs de niveau 1 et de niveau 2, les chargeurs rapides CC ont besoin de condensateurs de liaison CC. Les condensateurs de liaison CC dans les chargeurs rapides CC sont des dispositifs à plus haute puissance et ont généralement des tensions nominales plus élevées. En outre, les chargeurs de niveau 3 ont besoin de condensateurs de filtrage d'entrée CA et de condensateurs de filtrage de sortie CC (Figure 2) :

• Condensateurs de filtrage d'entrée CA : pour prendre en charge des niveaux de puissance plus élevés, ces condensateurs sont souvent conditionnés différemment par rapport aux dispositifs conçus pour une tenue en puissance inférieure. Par exemple, alors que les condensateurs de filtrage à plus basse puissance des chargeurs de niveau 1 et de de niveau 2 peuvent avoir des terminaisons encliquetables pour une fixation rapide aux circuits imprimés ou aux broches à souder, les condensateurs utilisés dans les chargeurs rapides CC de niveau 3 ont souvent des bornes à vis qui se connectent directement aux barres bus haute puissance. Les condensateurs d'entrée des chargeurs de niveau 3 peuvent être tenus de respecter la norme ANSI/IEEE 18.
• Condensateurs de filtrage de sortie CC : ces condensateurs ont une fonction similaire à celle des condensateurs de filtrage d'harmoniques CA dans les chargeurs solaires de niveau 1 et de niveau 2. Ils absorbent les transitoires et filtrent les courants harmoniques générés par l'étage de commutation IGBT CC/CC du chargeur, lissant ainsi la tension de sortie. Ces condensateurs doivent combiner une faible ESR avec une haute tenue en courant ondulé.

Figure 2 : Les chargeurs CC de niveau 3 alimentés par le secteur requièrent des composants capables de supporter de forts courants et de hautes tensions. (Source de l'image : Cornell Dubilier Electronics)

Condensateurs pour chargeurs VE PV de niveau 1 et de niveau 2

Filtrage d'entrée CC : Cornell Dubilier propose aux concepteurs plusieurs options de condensateurs électrolytiques en aluminium pour le filtrage d'entrée CC sur les chargeurs de VE de niveau 1 et de niveau 2, notamment les condensateurs à borne à vis DCMC et les condensateurs encliquetables +85°C 380LX/382LX et +105°C 381LX/383LX (Figure 3). Les condensateurs DCMC s'étendent de 110 µF à 2,7 F, avec des tensions jusqu'à 550 V et une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +85°C, et ils peuvent supporter des niveaux élevés de courant ondulé. Les condensateurs de type 380LX ont une durée de vie de 3000 heures (h) à pleine charge à +85°C, tandis que les condensateurs 381LX ont une durée de vie de 3000 h à pleine charge à +105°C. Les condensateurs 380LX/382LX et 381LX/383LX sont disponibles avec 2, 4 et 5 broches pour un montage sûr et précis sur les circuits imprimés.

Figure 3 : Les condensateurs 381LX et associés ont des connexions encliquetables pour les circuits imprimés. (Source de l'image : Cornell Dubilier Electronics)

Liaison CC : pour la liaison CC, les concepteurs peuvent choisir des condensateurs électrolytiques en aluminium de type 550C comme le 550C562T400DP2B et des condensateurs à film métallisé série 947D comme le 947D601K901DCRSN. La série 550C a une durée de vie de fonctionnement de plus de 100 000 heures dans les applications typiques et jusqu'à 20 000 heures en fonctionnement à +85°C. Les condensateurs 550C présentent une ESR de seulement 7 milliohms (mΩ) et sont dotés de bornes à vis pour la fixation à un circuit imprimé ou une barre bus, et ils peuvent supporter de forts courants ondulés.

La série 947D combine une haute capacité et une très haute tenue en courant ondulé, nécessaires pour les conceptions d'onduleurs. Ces condensateurs sont disponibles avec des tensions nominales de 900 à 1300 V_CC. Ils sont répertoriés pour 7000 heures de fonctionnement à +85°C et affichent une durée de vie de 350 000 heures à une température centrale de +60°C et à la pleine tension nominale.

Filtrage d'harmoniques de sortie CA : pour fournir le filtrage d'harmoniques de sortie CA en environnements difficiles, les concepteurs peuvent se tourner vers les condensateurs de filtrage CA qualifiés AEC-Q200 série ALH. Par rapport aux condensateurs standard, ces condensateurs ont une durée de vie 50 % supérieure, d'après les tests THB 85/85 accélérés. Grâce à leurs forts courants nominaux efficaces (RMS), ils sont capables de gérer les harmoniques d'ordre supérieur dans les onduleurs basés IGBT haute fréquence. Les plages de capacité s'étendent de 0,22 microfarad (µF) à 50 µF, à 160-450 V_CA, 50/60 Hertz (Hz). Ces condensateurs auto-régénérateurs à film polypropylène métallisé sont fournis en boîtier à montage sur carte robuste (Figure 4) et offrent une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +105°C. Les condensateurs série ALH ont une durée de vie de 100 000 heures à la tension nominale et une température de point chaud de +70°C.

Figure 4 : Les condensateurs de filtrage CA série ALH fournissent le filtrage des harmoniques de sortie CA dans les environnements difficiles. Ils sont auto-régénérateurs et conçus pour un montage traversant sur les circuits imprimés. (Source de l'image : Cornell Dubilier Electronics)

Supercondensateurs : Cornell Dubilier propose la série DGH et la série DSF pour les conceptions qui requièrent les rafales de puissance instantanées que les supercondensateurs peuvent fournir. La série DGH inclut 21 combinaisons valeur/tension différentes, avec une capacité de 0,5 F à 600 F, et des tensions nominales de 2,7 à 5,5 WV_CC. Les supercondensateurs DSF offrent une valeur de 3,0 WV_CC supérieure pour un composant simple et de 6,0 WV_CC pour un composant double (Figure 5). Cette spécification de tension plus élevée se traduit par une densité d'énergie supérieure de 24 %. La série DSF inclut 17 combinaisons valeur/tension différentes, avec une capacité s'étendant de 1,5 F à 600 F. Les deux séries sont répertoriées pour 500 000 cycles. Elles sont disponibles avec un choix de sorties traversantes ou encliquetables pour l'intégration dans les circuits imprimés.

Figure 5 : Les supercondensateurs DSF sont disponibles en tant que dispositifs doubles ou simples. (Source de l'image : Cornell Dubilier Electronics)

Condensateurs pour chargeurs de niveau 3

Filtrage d'harmoniques d'entrée CA : pour les hauts niveaux de puissance pris en charge par les chargeurs CC de niveau 3, les concepteurs peuvent se tourner vers les condensateurs série triphasés série PFCH, tels que le PFCHX48D20S108T, répertorié pour 76,8 µF et 480 V_CA, et conçu pour le filtrage des harmoniques d'entrée CA. Ces condensateurs sont constitués de trois enroulements en polypropylène métallisé auto-régénérateur, connectés en configuration delta et logés dans un boîtier cylindrique en aluminium. Ils offrent une durée de vie de 60 000 heures avec un taux de survie de 94 % et une intensité de défaillance (FIT) ≤ 300 X 10⁹ heures de composant. Ils incluent un interrupteur de pression qui désengage les trois phases en cas de fin de vie ou de surcharge du condensateur. Ils sont conformes à la norme ANSI/IEEE 18 et ont un courant nominal de court-circuit maximum de 10 kiloampères (kA) conformément à UL 810.

Liaison CC : les choix de condensateurs de liaison CC incluent les condensateurs de liaison CC BLH, conçus pour le montage sur carte et testés pendant 1500 heures à +85°C / 85 % d'humidité relative avec la tension nominale appliquée, et la série 474, comme le condensateur à film 474PMB122KSP2 de 0,47 µF et 1,2 kV_CC, conçu pour le montage direct sur les modules IGBT pour fournir le filtrage et la liaison CC.

Les condensateurs BLH sont répertoriés pour un fonctionnement de -40°C à +105°C, avec détarage de la tension nominale de 1,35 % par °C au-dessus de +85°C. Ils répondent aux exigences CEI 61071 et AEC-Q200. Les condensateurs série 474, comme le 474PMB122KSP2, sont répertoriés pour un fonctionnement de -40°C à +100°C, avec une tension CC diminuée de 1,5 % et une tension CA diminuée de 2,5 % par °C au-dessus de +85°C.

Filtrage de sortie CC : la série 944U de condensateurs à film à fort courant inclut des dispositifs répertoriés pour 800, 1000, 1200 et 1400 V_CC, avec des capacités nominales de 33 µF à 220 µF et des courants nominaux RMS jusqu'à 75 A à +55°C. La capacité d'ondulation élevée est le résultat de la construction interne à faible inductance de ces condensateurs en polypropylène métallisé. Ils sont fournis en boîtier ignifuge UL94V0 extra-plat de 84,5 millimètres (mm) de diamètre, avec des brides de montage à la base et des bornes à tige filetée M8 (Figure 6). Selon les caractéristiques, la hauteur des boîtiers est de 40 mm, 51 mm ou 64 mm.

Figure 6 : Les connexions à vis des condensateurs à film 944U peuvent être utilisées pour les connexions de circuits imprimés ou de barres bus. (Source de l'image : Cornell Dubilier Electronics)

Conclusion

Comme illustré, les chargeurs de VE requièrent de nombreux types de condensateurs pour garantir un fonctionnement fiable et efficace. Cornell Dubilier propose un vaste choix de types de condensateurs et de styles de montage pour prendre en charge la conception et la construction de chargeurs hautes performances pour les applications de niveaux 1, 2 et 3.