Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren Zwischenkreis-Kondensatoren für Onboard-Charger

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Mit dem wachsenden Markt für elektrifizierte Fahrzeuge steigt auch die Nachfrage nach Onboard-Chargern schnell an. Mit diesen lassen sich E-Fahrzeuge nicht nur an Schnellladestationen für Gleichstrom, sondern auch mit Wechselstromquellen in angemessener Zeit aufzuladen.

Wechselstromquellen laden derzeit bis zu 22 kW bei Betriebsspannungen von bis zu 800 V. Die Aufgabe des Onboard-Chargers (OBC) ist es, die Wechselspannung aus einer externen Quelle in eine spezifische Gleichspannung umzuwandeln, die auf den Anforderungen des Batteriemanagement-Systems basiert. Dadurch kann ein batterieschonender und schneller Ladevorgang erreicht werden. Insbesondere in abgelegenen Gebieten ohne ausreichende DC-Schnellladeinfrastruktur sind OBCs unverzichtbar, um die Attraktivität von E-Fahrzeugen zu steigern.Wegen der Komplexität solcher Systeme benötigen OBCs eine gewisse Kapazität, um die Gleichspannung, mit der die Batterie geladen wird, zu stabilisieren. Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren sind hier eine attraktive Lösung, da sie die wichtigsten Anforderungen erfüllen können, z. B. hohe Spannungen von bis zu 500 V, große Kapazitäten von bis zu 820 µF und hohe Ripplestrom-Belastbarkeit bei einem Betriebstemperaturbereich von –40 bis 105 °C.

Herausforderungen für Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren in OBCs

Der Zwischenkreis-Kondensator muss nicht nur die Kapazitätsanforderungen des Systems erfüllen, sondern auch den ständig steigenden Rippelströmen standhalten, da die Leistungsdichten der OBCs stetig steigen. Infolgedessen treten höhere Verlustleistungen auf, die das gesamte System aufheizen, was zu Leistungseinbußen und einer verkürzten Lebensdauer führen kann. Um wettbewerbsfähig zu sein, ist daher zwangsläufig ein Kühlsystem erforderlich, das auch mit den DC-Link-Kondensatoren verbunden ist. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat TDK die Aluminium-Elektrolyt-Kondensatoren der Large-Size-Serie B43652* für OBC-Anwendungen entwickelt, die für die Basiskühlung optimiert ist und alle oben genannten Anforderungen sehr gut vereint.

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Erfordernisse an das Wärmemanagement

Die richtige Wahl des Zwischenkreiskondensators hängt von mehreren Parametern ab. Die Nennspannung V_R ergibt sich aus der Betriebsspannung des OBC und muss die mittlere und die Spitzenwelligkeits-Spannung abdecken. Für Systeme >500 V können in Reihe geschaltete Kondensatoren in Betracht gezogen werden. Der Nenn-Ripplestrom I_R, die erforderliche Lebensdauer und der Betriebstemperaturbereich ergeben sich aus dem Einsatzprofil des OBC. Der Betriebstemperaturbereich muss die erwarteten Umgebungstemperaturen über die gesamte Lebensdauer abdecken.

Während einige Anforderungen vorgegeben sind und kaum verändert werden können, lassen sich einige Eigenschaften entweder durch den Lieferanten oder den Kunden optimieren. Die Lebensdauer eines Aluminium-Elektrolyt-Kondensators wird hauptsächlich durch seine Kerntemperatur beeinflusst. Generell lässt sich sagen, dass hohe Rippleströme und erhöhte Umgebungstemperaturen den Kondensator stark aufheizen und somit die Lebensdauer verringern. Basierend auf der Arrhenius-Gleichung kann man als Faustregel von einer Lebensdauerkürzung von 50 Prozent ausgehen, wenn die Kerntemperatur um 10 K ansteigt. Um die Kerntemperaturen bei gleichen Lastbedingungen zu senken, kann der ESR des Bauelements reduziert und das thermische Management optimiert werden. Mit der Serie B43652* hat TDK einen Kondensator entwickelt, der sowohl einen sehr niedrigen ESR als auch einen verbesserten thermischen Innenwiderstand über die gesamte Lebensdauer aufweist. Mit einem externen Kühlsystem, das für einen effizienten Wärmetransfer zwischen dem Becherboden des Kondensators und dem Kühlkörper sorgt, kann die maximale Leistungsfähigkeit des Kondensators bereitgestellt werden, d.h. eine hohe Ripplestrom-Belastbarkeit bei deutlich erhöhter Lebensdauer. Aus wirtschaftlicher Sicht sind derartige Optimierungen immer vorzuziehen gegenüber der Verwendung von mehreren parallel geschalteten Kondensatoren oder Kondensatordesigns mit längerer Nennlebensdauer.

Inneres Design und Kondensatorkühlung

Im Inneren eines Aluminium-Elektrolyt-Kondensators befindet sich ein Wickelelement, das in axialer Richtung eine wesentlich höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als in radialer Richtung. Um eine Möglichkeit für eine Bodenkühlung zu erhalten, wurde diese Wärmeleitfähigkeit in axialer Richtung bei der Serie B43652* weiter verbessert. Ein direkter Metallkontakt zwischen dem Wickelelement und dem Boden verringert den Wärmewiderstand vom Hotspot zum Boden, und die verbesserte Stabilität des Bodens selbst verhindert ein Ausbeulen während der Lebensdauer, das diese thermische Verbindung beeinträchtigen würde. Da die Unterseite des Kondensators normalerweise eine Druckentlastungsöffnung enthält, die durch einen Kühlkörper blockiert würde, wurde diese an die Seitenwand des Kondensators verlegt. In Summe handelt es sich bei der Serie B43652* um einen seitlich belüfteten Kondensator für OBC-Anwendungen mit einer Option zur Bodenkühlung.

Die Verbesserungen durch diese Konstruktionsänderungen sind in Bild 4 zu sehen. Bei einem Standardkondensator von 35 mm x 40 mm beträgt der innere Wärmewiderstand in axialer Richtung 4,49 K/W, während er bei dem verbesserten, seitlich belüfteten Design der Serie B43652 auf 0,6 K/W reduziert ist. Auch der Gesamtwärmewiderstand vom Kern zur Umgebung wird durch den Metallkontakt zwischen dem Wickelelement und dem Becherboden um 20 Prozent von 15,1 K/W auf 12 K/W reduziert.

In Bild 5 ist ein Vergleich der thermischen Simulationen (Temperatur und Wärmestrom) des unten belüfteten Designs mit natürlichem Anschluss (links) und des seitlich belüfteten Designs mit Bodenkühlung (rechts) dargestellt.

Bei einer Leistung von 1 W pro Kondensator und 85 °C Umgebungstemperatur wird bei der ungekühlten Version eine Kerntemperatur von 106 bis 109 °C erreicht. Betrachtet man dasselbe Szenario mit dem seitlich belüfteten Design und einer Bodenkühlung, so erhöht sich die Kerntemperatur der Kondensatoren bei einer Kühlkörpertemperatur von 85 °C nur um 3 K auf 88 °C. Dies sind etwa 20 K weniger als beim ungekühlten Design und bedeutet eine Verlängerung der Lebensdauer um etwa 200 Prozent.

Bodengekühlt hält länger

Vergleicht man die Wärmestromsimulationen, so wird deutlich, dass der Wärmeübergang beim bodengekühlten Szenario hauptsächlich über den Becherboden erfolgt. Es ist ein Gradient in axialer Richtung zu erkennen, der eine schwache Wärmeübertragung auf der Leiterplattenseite und eine starke Wärmeübertragung auf der Unterseite aufweist. Die ungekühlte Version weist einen Gradienten in die andere Richtung auf, die Wärmeübertragung erfolgt hauptsächlich in Richtung der Leiterplatte. Daher zeigt das ungekühlte Design einen schwachen Wärmestrom durch die Unterseite und außerdem einen asymmetrischen Wärmestrom für die mittleren Kondensatoren. Während die ungekühlte Version eine Spreizung der Kerntemperaturen aufweist, d. h. eine thermische Asymmetrie mit höheren Kerntemperaturen der mittleren Kondensatoren, gibt es bei der basisgekühlten Version keine solche Spreizung, was zu einem deutlich geringeren Eskalationsrisiko führt.

Die allgemeinen Verbesserungen, die in einer OBC-Anwendung erreicht werden können, sind in Bild 6 dargestellt. Vergleicht man zwei B43652*-Kondensatoren gleicher Größe, Nennspannung und Nennkapazität, so kann der basisgekühlte Kondensator 85 Prozent mehr Ripplestrom verkraften als der gleiche Entwurf mit nur natürlicher Konvektion. Während der Kondensator mit natürlicher Konvektion einen maximalen Ripplestrom I_AC,max von 6,11 A erreicht, erreicht die basisgekühlte Version 11,28 A. Darüber hinaus können zwei bodengekühlte Kondensatoren bei gleichen Lastbedingungen dem Einsatzprofil fast zweimal so lange standhalten wie vier ungekühlte Kondensatoren.

Anhand dieser Ergebnisse wird deutlich, dass die Large-Size-Kondensatoren der Serie B43652* von TDK für OBC-Anwendungen mit Bodenkühlung optimiert sind und die Anzahl der Kondensatoren in der Zwischenkreis-Kondensatorbank erheblich reduzieren können, was diese Serie nicht nur technisch, sondern auch wirtschaftlich interessant macht.

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