Контроль повышения температуры высоковольтного конденсатора для онлайн-запускаемого трансформатора тока в аккумуляторной батарее электромобиля.

Контроль повышения температуры высоковольтного конденсатора для онлайн-запускаемого трансформатора тока в аккумуляторной батарее электромобиля.

Резюме

В режиме онлайн трансформатор тока батареи работает импульс за импульсом 24 часа в сутки, и на каждом фронте импульса в конденсаторной батарее возникает большой пульсирующий ток. В этой статье приводятся три составляющие потерь, модель теплового сопротивления и правило срока службы, связывающее увеличение тока с рабочим сроком. Затем описываются шесть этапов проектирования: керамические компоненты с низкими потерями, формирование импульсов, параллельное разделение, сокращение пути тепловыделения, снижение номинальной мощности при изменении температуры и план замены, основанный на эквивалентном последовательном сопротивлении (ESR) и емкости.

1. Введение

В настоящее время компьютерная томография в режиме онлайн является стандартным этапом контроля качества на линиях производства литий-ионных батарей. Каждая ячейка или модуль проходят рентгеновское сканирование перед отгрузкой. Сканирование позволяет обнаружить посторонние частицы, смещение электродов, сварочные поры и складки сепаратора.

Батарейные линии работают круглосуточно, а время такта на одно сканирование составляет несколько секунд. Чтобы соответствовать такому темпу, источник высокого напряжения работает в импульсном режиме. Трубка излучает мощный импульс длительностью от 10 до 30 мс, а затем переходит в состояние покоя до следующего запуска.

Конденсаторная батарея внутри бака должна заряжаться и разряжаться за миллисекунды. Каждый импульс вызывает сильную пульсацию тока в батарее, а каждая пауза слишком коротка для полного охлаждения. Температура корпуса повышается с каждым импульсом.

Срок службы батареи быстро сокращается с повышением температуры. Модель Аррениуса показывает увеличение примерно в два раза на каждые 10 °C, поэтому батарея при 95 °C изнашивается в четыре раза быстрее, чем та же батарея при 75 °C. Срабатывание датчика температуры также останавливает линию, а один час простоя на линии с батареей емкостью 10 ГВт·ч обходится в десятки тысяч долларов.

2. Основной механизм

2.1 Текущая потребность в энергии при импульсном воздействии

В режиме сканирования в режиме «летающего» конвейер постоянно движется. Трубка излучает импульсы с фиксированной частотой, и детектор считывает каждый импульс. Четыре числа описывают коэффициент заполнения: ширина импульса t_pulse, частота повторения f_rep, ток трубки I_tube и напряжение трубки V_kV.

P_peak = V_kV · I_tube

Где V_kV — напряжение на лампе в киловольтах, а I_tube — ток на лампе в миллиамперах.

P_avg = P_peak · t_pulse · f_rep

Где t_pulse — ширина импульса в секундах, а f_rep — частота повторения в герцах.

Типичный линейный инструмент использует напряжение 160 кВ и ток 2 мА, с импульсами длительностью 10 мс и частотой 1 Гц. Пиковая мощность составляет 320 Вт, а средняя — 3.2 Вт. Среднее значение кажется небольшим, однако аккумуляторная батарея должна полностью зарядиться перед каждым импульсом и восстановиться перед следующим.

Реальным фактором является пульсирующий ток. На фронтах импульсов скорость нарастания тока высока, и среднеквадратичная пульсация в блоке может достигать 10–30 А в течение нескольких миллисекунд. Именно этот ток, а не среднее значение, определяет потери.

2.2 Три составляющие потерь в конденсаторе

Диэлектрические потери возрастают с частотой:

P_dielectric = 2π · f · C · V_rms² · D_eff

Где f — частота в герцах, C — емкость в фарадах, V_rms — среднеквадратичное напряжение на участке в вольтах, а D_eff — эффективный коэффициент рассеяния. Последовательность импульсов содержит гармоники, поэтому потери в каждом диапазоне суммируются.

Пульсирующий ток через эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) вызывает выделение джоулева тепла:

P_ESR = I_rms² · ESR

Где I_rms — среднеквадратичное значение пульсаций тока в амперах, а ESR — эквивалентное последовательное сопротивление в омах. Блок с ESR 500 мОм и среднеквадратичным значением пульсаций 3 А рассеивает 4.5 Вт. Тот же блок с ESR 50 мОм рассеивает 0.45 Вт.

Утечка при постоянном смещении добавляет третий член:

P_leak = V_dc · I_leak

Где V_dc — напряжение постоянного тока в вольтах, а I_leak — ток утечки в амперах. Для исправной керамической детали ток утечки остается в диапазоне наноампер, поэтому P_leak составляет несколько микроватт. Для влажной или изношенной детали ток утечки может возрасти на два-три порядка и стать основным источником тепла.

2.3 Тепловое сопротивление и повышение в установившемся режиме

Подъем температуры выше температуры окружающей среды подчиняется модели теплового сопротивления:

ΔT = (P_dielectric + P_leak) · R_th,ja

Где R_th,ja — тепловое сопротивление детали по отношению к окружающей среде в кельвинах на ватт. Внутри герметичного резервуара без принудительной вентиляции R_th,ja изменяется от 50 °C/Вт до 100 °C/Вт. При общих потерях 200 мВт и температуре 80 °C/Вт повышение составляет 16 К. При температуре окружающего воздуха 35 °C температура детали превышает 50 °C.

Импульсный режим работы добавляет второй член. Диэлектрик нагревается за миллисекунды, а корпус — за секунду. Пиковая температура перехода может быть на 10–20 К выше средней, поэтому среднее значение не является определяющим показателем.

2.4 Модель жизни и снижение стоимости жизни

Жизнь подчиняется соотношению Аррениуса:

L(T) = L0 · exp[ (E_a / k) · (1/T − 1/T0) ]

Где L0 — время жизни при эталонной температуре T0, E_a — энергия активации в электронвольтах, k — постоянная Больцмана, а T — абсолютная температура в кельвинах.

При напряжении E_a, близком к 0.7 эВ, повышение температуры на 10 °C сокращает срок службы примерно вдвое. Деталь, рассчитанная на 2,000 часов при 85 °C, прослужит примерно 500 часов при 105 °C и 250 часов при 115 °C. Снижение номинального напряжения также помогает: та же деталь, работающая при половинном номинальном напряжении, увеличивает срок службы в 100 раз и более.

Рис. 1 — Керамическая батарея мощностью 0.2 Вт добавляет 8 К при 40 °C/Вт, а электролитическая батарея мощностью 0.6 Вт добавляет 24 К, поэтому один и тот же параметр определяет, уменьшится ли срок службы вдвое.

3. Проблемы проектирования

Болевой пункт 1: Повышение температуры под воздействием повторяющихся импульсов.

Частота импульсов линейного КТ составляет от 0.5 Гц до 5 Гц, а ширина импульса — от 5 мс до 30 мс. Коэффициент заполнения часто составляет менее 5%. Окно охлаждения короткое: при частоте 5 Гц у блока есть 200 мс для отвода тепла от последнего импульса, а потери тепла приходятся на первую и последнюю миллисекунды каждого импульса.

Расчеты просты. Средние потери в 200 мВт при температуре 50 °C/Вт добавляют 10 К. Электролитическая батарея в том же месте нагревается на 20–40 К сильнее, поскольку ее эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) составляет 500 мОм или более. В этом случае внутренняя температура превышает 105 °C, и компонент выходит за пределы своих номинальных параметров.

Проблема 2: Короткий срок службы электролитических конденсаторов и высокая стоимость обслуживания.

В большинстве высоковольтных генераторов для хранения энергии по-прежнему используются алюминиевые электролитические конденсаторы. Электролит быстрее высыхает с повышением температуры, уменьшением емкости и увеличением эквивалентного последовательного сопротивления (ESR). Деталь, рассчитанная на 2,000 часов работы при 85 °C, прослужит около 500 часов при 105 °C. Ежегодная замена увеличивает стоимость деталей и трудозатрат, а демпфированный алюминиевый корпус плохо подходит для таких генераторов. пленочный конденсатор щель, где пространство фиксировано.

Проблемная точка 3: Сбои, связанные с температурой, останавливают производственную линию.

Большинство источников питания оснащены защитой от перегрева. Когда терморезистор превышает заданное значение, система управления отключает ток в трубке или останавливает импульсную последовательность. Это спасает оборудование и одновременно останавливает производство. Клетки накапливаются на конвейере, и нарушается балансировка линии. Поэтому повышение емкости конденсатора является параметром доступности линии, а не только параметром компонента.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Перевести берег на керамическое покрытие I класса.

Электролитический конденсатор емкостью 10 мкФ/450 В имеет эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) около 500 мОм и эффективную плотность тока (DF_eff) около 10%. Эквивалентная батарея из N4700 Керамические детали имеют эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) около 50 мОм и эффективную частотную характеристику (DF_eff) около 0.1%. При среднеквадратичном токе пульсаций 1 А и частоте 100 кГц электролитический конденсатор рассеивает около 0.6 Вт, а керамический блок — около 0.06 Вт. Тепловыделение в источнике снижается на 90%.

Стратегия 2: Формирование пульса для снижения стресса.

Уменьшите f_rep, чтобы увеличить окно охлаждения. Увеличьте t_pulse, чтобы снизить пиковый ток. Добавьте плавное переключение или предварительную зарядку, чтобы ограничить пусковой ток в начале импульса. Каждое изменение снижает пропускную способность линии по сравнению с нагрузкой на компоненты. Переход от 2 Гц к 1 Гц вдвое уменьшает средние потери на конденсаторах, а также вдвое снижает пропускную способность линии, поэтому перед внедрением изменения необходимо оценить его пропускную способность.

Стратегия 3: Разделить банк на параллельные подразделения.

Десять параллельно соединенных элементов по 1 мкФ заменяют один элемент на 10 мкФ. Эффективное эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) уменьшается примерно в десять раз, если не учитывать сопротивление соединения. Каждый элемент пропускает одну десятую часть пульсаций, а P_ESR уменьшается пропорционально квадрату тока, поэтому тепловыделение на один элемент снижается на два порядка. Параллельное соединение также обеспечивает избыточность, поскольку один разомкнутый элемент не останавливает сканирование.

Стратегия 4: Сокращение пути передачи тепла.

Установите детали на металлическую пластину или на стенку резервуара с помощью термопасты или термопрокладок. Поддерживайте температуру внутреннего воздуха ниже 40 °C с помощью принудительной вентиляции или тепловой трубки. Расположите детали на некотором расстоянии друг от друга, чтобы одна не нагревала следующую, и обеспечьте свободный доступ горячего воздуха к выходному отверстию. Снижение R_th,ja с 80 °C/Вт до 40 °C/Вт вдвое уменьшает повышение температуры при тех же потерях.

Стратегия 5: Следить за температурой и снижать ее постепенно.

Установите термопару или терморезистор NTC рядом с самой горячей частью. Когда температура корпуса превысит 105 °C, ступенчато уменьшайте f_rep или ток трубки. Когда температура снова опустится ниже 90 °C, ступенчато восстанавливайте нагрузку. Сканирование продолжится, а не сработает блокировка.

Стратегия 6: Использовать детали, рассчитанные на температуру 125 °C, и спланировать их замену.

В тех случаях, когда снижение температуры невозможно, используйте компоненты, рассчитанные на 125 °C или 150 °C, с запасом по напряжению и температуре. Отслеживайте ESR и емкость с течением времени. Замените блок компонентов, когда потери емкости превысят 5% или ESR увеличится на 50%, чтобы замена была запланирована на определенный срок.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC N4700 для блока импульсных фильтров.

Контроль теплопередачи начинается с потерь. Чем ниже потери на деталь и чем короче путь от керамики до стенки бака, тем меньше повышение температуры. Компания HVC производит детали N4700 для обоих типов элементов на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане, работающем в диапазоне напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Эффективная плотность мощности (DF_eff) составляет менее 0.1% при частоте 100 кГц и номинальном напряжении. Потери остаются низкими во всем диапазоне гармоник импульса, поэтому эквивалентная батарея емкостью 10 мкФ рассеивает около 0.06 Вт при среднеквадратичном токе пульсаций 1 А вместо 0.6 Вт.
• ЭПР около 50 мОм на частоте 1 МГц. HVCT8G и HVCT9G В последовательном соединении P_ESR = I_rms² · ESR мало даже при пиковом импульсном токе 30 А, что и удерживает повышение напряжения в пределах 10 К.
• Рассчитан на температуры 125 °C и 150 °C. Деталь, рассчитанная на 150 °C, всё ещё работает при температуре корпуса 105 °C с запасом, тогда как электролитический конденсатор, рассчитанный на 85 °C, уже выходит за рамки технических характеристик.
• Низкий ток утечки при высокой температуре. I_leak остается в диапазоне субмикроампер при 150 °C, поэтому P_leak остается в диапазоне микроватт, а самонагрев остается небольшим.
• Стабильные параметры на протяжении всего срока службы. Испытание в течение 1,000 часов при температуре 125 °C показывает, что дрейф емкости составляет менее 1%, а изменение эквивалентного последовательного сопротивления (ESR) — менее 20%, поэтому потери в аккумуляторной батарее остаются постоянными в течение многих лет эксплуатации в сети.
• Скоординированные компоненты для всей цепи. резисторы выборки HVRGXP, HVR-BSP демпфирующие резисторы и быстровосстанавливающиеся высоковольтные диоды сопоставьте банк с тем же резервуаром.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты отгружаются в течение 4–8 недель, а компоненты, изготовленные на заказ, — в течение 6–10 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в расчете потерь, анализе импульсных параметров, проектировании тепловых путей и определении предельных значений снижения мощности. Компоненты HVC соответствуют электрическим параметрам... Vishay Компоненты HVCC, Murata DHS/DHR и TDK UHV/FHV используются в крупносерийном производстве высоковольтных генераторов для производителей аккумуляторов и оборудования для обработки изображений.

Укажите ширину импульса, частоту повторения, напряжение и ток лампы, а также метод охлаждения. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам лист выбора конденсаторов с данными ESR и DF_eff в диапазоне гармоник импульса, а также комплект для оценки двух образцов.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Какое повышение температуры считается нормальным в конденсаторной батарее импульсного трансформатора тока?

Повышение температуры на 10–20 К выше внутренней температуры окружающей среды является нормой для хорошо спроектированного аккумуляторного блока. При температуре выше 30 К компоненты приближаются к пределу своих возможностей, и срок их службы быстро сокращается. Прикрепите термопару к керамике и оценивайте работу компонента по пиковому значению, а не по среднему.

Вопрос 2: Почему электролитические батареи так быстро выходят из строя при выполнении этой задачи?

Постоянный последовательный ток (ESR) в электролитическом конденсаторе составляет 500 мОм или более, поэтому P_ESR = I_rms² · ESR. На каждом фронте импульса пульсации тока преобразуются в тепло. Затем электролит высыхает, что снова повышает ESR, а это, в свою очередь, еще больше повышает температуру. Деталь, рассчитанная на 2,000 часов работы при 85 °C, прослужит около 500 часов при 105 °C.

В3: Какое значение ESR достаточно низкое для импульсного фильтрового блока?

Сопротивление батареи должно быть ниже 50 мОм, или коэффициент эффективного рассеяния на частоте переключения должен быть ниже 0.1%. При среднеквадратичном токе пульсаций 3 А сопротивление 50 мОм дает мощность 0.45 Вт, а 500 мОм — 4.5 Вт. Эта разница в десять раз определяет, выдержит ли батарея нагрузку.

Вопрос 4: Как снизить тепловое сопротивление внутри герметичного резервуара?

Приклейте деталь к металлической пластине или стенке резервуара с помощью термопасты или прокладки, поддерживайте температуру воздуха внутри резервуара ниже 40 °C с помощью принудительной вентиляции или тепловой трубки и разнесите детали на расстояние друг от друга. Таким образом можно достичь R_th,ja от 50 °C/Вт до 80 °C/Вт, в то время как для отдельно стоящей детали в неподвижном воздухе этот показатель составляет 100 °C/Вт.

В5: Могут ли одни только параметры импульса решить проблему перегрева?

Частично. Уменьшение f_rep вдвое снижает средние потери, а более широкий импульс уменьшает пиковый ток. Оба изменения снижают пропускную способность линии, а доза на импульс устанавливает минимальный уровень качества изображения. Формирование импульса обеспечивает запас прочности; частичная потеря и путь тепловыделения определяют окончательное увеличение.

Вопрос 6: Когда следует заменить банк?

Замените его, когда потери емкости превысят 5% или эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) увеличится на 50% по сравнению с пусконаладочным значением. Проверяйте оба параметра раз в год с помощью портативного LCR-метра на частотах 1 кГц и 100 кГц. Плановая замена во время плановой остановки обходится гораздо дешевле, чем поездка в середине смены.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. МЭК 60601-2-54, Медицинское электрооборудование — Часть 2-54: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам рентгеновского оборудования для рентгенографии и рентгеноскопии.Женева: МЭК, 2018.
3. МЭК 60384-8, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. Б. Ван, Дж. Мэн и П. Чжао, Мониторинг состояния старения алюминиевых электролитических конденсаторов в преобразователях частотыIEEE Transactions on Power Electronics, том 37, № 4, стр. 4564-4574, 2022. https://doi.org/10.1109/tpel.2021.3121813
8. Разработка высокоемкостных и высоковольтных многослойных керамических конденсаторов BME X7R.KEMET Electronics (Материалы конференции CARTS USA 2011), https://www.mouser.jp/pdfdocs/2011-03CARTS-DevelopmentofHighCapacitance-HighVoltageBMEX7RMLCCapacitors.pdf .
9. ГБ/Т 17702-2021, 电力电子电容器 (Конденсаторы для силовой электроники). Пекин: 国家市场监督管理总局, 2021 г.
10. Х. Ван и Ф. Блаабьерг, Надежность конденсаторов в силовых электронных преобразователях, использующих звенья постоянного тока: обзор.IEEE Transactions on Industry Applications, том 50, № 5, стр. 3569-3578, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com