Блог о качестве/конденсаторах
Высоковольтные решения для станций быстрой зарядки электромобилей
Глобальный переход к электромобильности ускорился беспрецедентными темпами, создав неотложную и сложную задачу: как быстро заправлять электромобили таким образом, чтобы...
Высоковольтные решения для станций быстрой зарядки электромобилей
Инженерный ответ
Станции быстрой зарядки электромобилей обеспечивают мощность 150–350 кВт через входной каскад с коррекцией коэффициента мощности (PFC), высоковольтный преобразователь постоянного тока (DC-DC) и интерфейс управления батареей, а семейство компонентов HVC поддерживает каждый этап: дисковые конденсаторы HVCAP для PFC и демпфирующих резисторов, конденсаторы HVCT8G для накопителя энергии DC-DC, диоды HVD для выпрямительного и контура свободного хода, а также резисторы HVR для делителя и разрядных цепей.
- Выбор следует производить, ориентируясь на напряжение ступени, пульсационный ток и тепловой бюджет, а не только на номер детали.
- Перед выпуском в производство необходимо проверить компоненты при полной мощности зарядки и температуре окружающей среды.
- Согласуйте схему крепления и расположения шин с механическими и тепловыми требованиями зарядного шкафа.
Резюме
Быстрая зарядка позволяет за считанные минуты передать в аккумулятор электромобиля сотни киловатт энергии, и высоковольтные компоненты внутри станции должны выдерживать пульсации, потери при переключении и тепловыделение. В этой статье рассматривается силовая архитектура станции быстрой зарядки, электрические требования каждого высоковольтного каскада, зафиксированные в полевых условиях режимы отказов, а также способы выбора и проверки высоковольтных компонентов для надежной общественной зарядки.
1. Контекст применения: киловатты в минутах
В сфере электромобильности станции быстрой зарядки подают энергию, измеряемую сотнями киловатт, а не киловаттами, поэтому аккумулятор емкостью 100 кВт⋅ч можно зарядить за минуты, а не за часы. Станция преобразует электроэнергию из сети через входной каскад с коррекцией коэффициента мощности (PFC), высоковольтный преобразователь постоянного тока и интерфейс управления батареей. Физические принципы передачи энергии определяют архитектуру: для эффективной передачи больших объемов энергии напряжение повышается, чтобы ток оставался управляемым.
Высоковольтная шина постоянного тока между каскадами преобразователя передает полную мощность зарядки, а компоненты на этой шине определяют эффективность, пульсации и надежность процесса зарядки.
2. Технические требования
2.1 Коррекция коэффициента мощности и фильтрация пульсаций. На этапе коррекции коэффициента мощности (PFC) формируется ток сети, а шинный конденсатор поглощает пульсации при переключении. Конденсатор должен выдерживать среднеквадратичное значение пульсаций тока без перегрева.
2.2 Накопители энергии постоянного тока. Изолированный DC-DC каскад накапливает энергию между циклами переключения и передает ее транспортному средству. Конденсатор должен поддерживать напряжение на шине питания в течение каждого периода переключения:
2.3 Термостойкость. Зарядные шкафы работают на открытом воздухе при температуре окружающей среды до 55 °C, и компоненты должны рассеивать свои потери без дрейфа. Низкое эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) и стабильный температурный коэффициент обеспечивают стабильность шины:
Рис. 1 — Силовая цепь станции быстрой зарядки электромобиля и расположение компонентов HVC.
3. Проблемы, с которыми сталкиваются инженеры (обратная связь с места событий)
Проблема 1 — Конденсатор шины перегрелся при полной мощности. «Мощность преобразователя постоянного тока снизилась до 60% в дневную жару». Пульсирующий ток превысил номинальные параметры конденсатора; низкопостоянноамперный конденсатор высокого напряжения с параллельным подключением передавал ток, и станция работала на полной мощности.
Проблема 2 — Зарядный ток пульсировал и вызвал срабатывание защиты автомобиля. «Система управления батареей (BMS) прерывала сеансы из-за скачков напряжения». Недостаточная емкость шины привела к провисанию и перенапряжению на рельсах; более мощный накопитель энергии HVCT8G сгладил колебания на рельсах, и сеансы завершились.
Проблема 3 — Диоды свободного хода вышли из строя при ступенчатом увеличении нагрузки. «В первый месяц вышли из строя две выпрямительные ступени». Импульсный ток при подключении транспортного средства превысил номинальные параметры диода; переходный процесс при подключении был сведен на работу высоковольтный диод с соответствующей гашением перенапряжения.
4. Сравнение компонентов: варианты этапов зарядки
| Параметр | диск HVCAP | Дверная ручка HVCT8G | Электролитическая крышка |
|---|---|---|---|
| Диапазон напряжения | 1–50 кВ | 20–150 кВ | 0.4–1 кВ |
| ESR на частоте переключения. | очень низкий | низкокачественными | умеренному |
| Пульсирующий ток | высокая | высокая | ограниченный |
| Вечного пользования | очень длинный | очень длинный | ограничено пересыханием |
| выносливость на открытом воздухе | отлично | отлично | состояния потока |
5. Выбор и решение HVC
| Позиция | Рекомендуемая серия HVC | Напряжение | Ключевые спецификации |
|---|---|---|---|
| PFC / демпфер | диск HVCAP | 1–3 кВ | низкое СОЭ, высокая пульсация |
| хранилище постоянного тока | Дверная ручка HVCT8G | 3–40 кВ | компактный, высокоэнергетический |
| Выпрямитель / трещотка | HVD-диод | 4–15 кВ | сильный всплеск, быстрое восстановление |
| Разделитель / слив | HVR плоский | 5–50 кВ | допуск ±1% |
Решение 1 — Автобусный парк с низким коэффициентом ESR. Параллельно соединенные дисковые конденсаторы HVCAP обеспечивают шине необходимую пропускную способность по пульсациям тока, избегая при этом выхода из строя из-за высыхания, характерного для электролитических конденсаторов.
Решение 2 — Этап высокоэнергетического хранения. Дверная ручка HVCT8G удерживает шину DC-DC во время циклов переключения, сглаживая напряжение, подаваемое в автомобиль.
Решение 3 — Выпрямительный тракт с защитой от импульсных перенапряжений. Высоковольтный диод HVD с RC-демпфером поглощает переходные процессы в цепи без лавинного пробоя или теплового разгона.
6. Пример из практики инженерного дела
Оператор зарядной станции обнаружил, что мощность его 350-киловаттных блоков снижалась до 60% в жаркие послеполуденные часы и прерывала сеансы зарядки из-за скачков напряжения в шине. Тепловизионная съемка показала, что электролитические конденсаторы шины работают на пределе своих возможностей. В результате модернизации блок шин был заменен параллельно соединенными дисками HVCAP, а также добавлен накопительный блок HVCT8G:
| Измеряемый параметр | Перед тем, как | После |
|---|---|---|
| Температура в шине при мощности 350 кВт | 112 ° C | 71 ° C |
| Пульсации напряжения шины | 6.5% | 1.4% |
| Количество прерываний сессий в неделю | 9 | 0 |
| Количество часов простоя в месяц | 14 | 1 |
Помимо цифр, важны были два важных вывода. Во-первых, поддержание напряжения на шине в пределах 1.4% пульсаций устранило сбои в работе системы управления батареей (BMS), благодаря чему каждая сессия завершалась успешно, а ежедневный доход станции рос вместе с увеличением загрузки. Во-вторых, более низкая температура шины устранила отказ электролитического конденсатора из-за высыхания, а план технического обслуживания был изменен с ежеквартальной замены конденсаторов на ежегодную проверку. Модернизация также упростила обслуживание станции: поскольку керамический конденсатор не высыхает, плановая замена конденсаторов шины была исключена из плана технического обслуживания, а более низкая рабочая температура снизила нагрузку на кондиционер в шкафу, уменьшив паразитное энергопотребление станции на измеримую долю. Для оператора повышение надежности напрямую отразилось на времени безотказной работы: доступность станции впервые превысила 99%, и именно этот показатель оператор сети отслеживает при принятии решения о местоположении следующей станции. Теперь один и тот же набор компонентов является стандартной спецификацией материалов для всех новых станций, поэтому команда закупок заключает один контракт вместо трех.
7. Рекомендации по проектированию
- Запас по напряжению: Рассчитывайте мощность компонентов шины как минимум на 20% выше номинальной мощности рельсов, чтобы учесть скачки нагрузки и переходные процессы в сети.
- Бюджет Ripple: Вычислите среднеквадратичное значение пульсаций, исходя из схемы переключения преобразователя, и определите размер блока питания с учетом этого значения и запаса.
- Тепловой путь: Обеспечьте приток воздуха или отвод тепла для блока шин и проверьте температуру в самой горячей точке при полной мощности.
- Эффект смещения постоянного тока: Для диэлектриков класса II необходимо учитывать потери емкости при рабочем напряжении смещения.
- Параллельная компоновка: Используйте симметричные шины, чтобы параллельно соединенные конденсаторы равномерно распределяли пульсации тока.
- Проверка: Выполните полный цикл зарядки при максимальной температуре окружающей среды и измерьте пульсации, температуру и дрейф.
8. Рекомендации
- IEC 61851-1:2017, Система проводной зарядки электромобилей — Часть 1: Общие требования.
- IEC 60270:2000, Методы испытаний при высоком напряжении — Измерения частичных разрядов.
- П. Горовиц и У. Хилл, Искусство электроники, 3-е изд., Издательство Кембриджского университета, 2015.
- 陈景亮等, 高电压试验技术, 中国电力出版社, 2005.
- Технические характеристики конденсатора HVC HVCT8G с винтовыми клеммами. HVC Capacitor, 2024.
- HVC HVD Диод высокого напряжения Технические характеристики конденсатора HVC, 2024 год.
Сопутствующие товары HVC
Высоковольтные компоненты для стоматологических рентгеновских аппаратов HVC Dental OEM
Следующая →Высоковольтные диоды с низкой емкостью для высокочастотных применений