利用高紋波電流實(shí)現更智能的電動(dòng)汽車(chē)設計

汽車(chē)行業(yè)的電氣化趨勢沒(méi)有減弱跡象。每過(guò)一個(gè)月，至少有一家汽車(chē)制造商會(huì )宣布一項重大發(fā)展，或者是開(kāi)發(fā)出全新的電動(dòng)汽車(chē)，或者是現有車(chē)型的升級換代。

市場(chǎng)分析機構Markets and Markets 的最新研究表明，汽車(chē)行業(yè)電氣化可能會(huì )以 11.9% 的復合年增長(cháng)率增長(cháng)，從 737 億美元增長(cháng)到2025 年的 1296 億美元，這種快速增長(cháng)也從另一側面證明，隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)繼續贏(yíng)得消費者的廣泛接受，對研發(fā)活動(dòng)也在進(jìn)行巨大投資。

然而，任何技術(shù)進(jìn)步并不會(huì )孤立發(fā)生。供應鏈在支持 OEM 方面開(kāi)展了大量工作，系統和組件專(zhuān)家都在更廣泛的領(lǐng)域提供創(chuàng )新解決方案。

以電解電容器為例，這些微型組件經(jīng)過(guò)發(fā)展改進(jìn)，已經(jīng)能夠在電動(dòng)汽車(chē)上發(fā)揮重要作用，作為高密度電力輸送的可靠來(lái)源，具有較長(cháng)的壽命周期和快速充電/放電時(shí)間。特別是混合鋁聚合物電容器，它已成為汽車(chē)應用中極具前景的組件，聚合物和液體電解材料相結合，可為輕度混合動(dòng)力汽車(chē) 48V 架構提供出色的電氣性能。

事實(shí)上，最新的混合鋁聚合物電容器最值得關(guān)注之處在于以小封裝提供非常高的紋波電流能力，當與現有的 48V 汽車(chē)逆變器設計并聯(lián)使用時(shí)，可以減少所需組件數量。最終，這種方案可以帶來(lái)更精簡(jiǎn)、更高效的汽車(chē)設計。

低等效串聯(lián)電阻的重要性

下面我們深入探討混合鋁聚合物電容器的設計和性能特點(diǎn)及其在汽車(chē)行業(yè)中的應用。與傳統電解電容器一樣，這些器件在金屬罐中包含鋁箔和紙的纏繞結構。電容器的創(chuàng )新來(lái)自于電解質(zhì)，它結合了傳統的液體（wet liquid）和現代導電聚合物（圖 1）。聚合物提高了電導率并降低了等效串聯(lián)電阻 (ESR)，而濕電解質(zhì)則使接觸表面積最大化，并增大了電壓耐受性。                                               

圖 1：混合鋁聚合物電容器結構。

這些先進(jìn)材料和混合結構的組合產(chǎn)生了一些改變游戲規則的好處。等效串聯(lián)電阻是一個(gè)關(guān)鍵參數，因為它直接影響電容器的峰值紋波能力，以及它的發(fā)熱和溫度性能。下圖展示了在整個(gè)頻率范圍內，與傳統電解質(zhì)相比，混合結構電池的串聯(lián)電阻極低（參見(jiàn)圖 2）。 

圖 2：混合結構和傳統電解電容器的 ESR 性能比較。

當這些電容器在其紋波吸收極限值工作時(shí)，混合結構設計的超低 ESR 可顯著(zhù)改善發(fā)熱。高紋波電流的瞬態(tài)仿真表明混合結構設計的溫度可降低 20℃（參見(jiàn)圖 3）。 

圖 3：混合結構和傳統電解電容器的紋波電流溫度比較。

在電動(dòng)汽車(chē)等特定案例中，負載可變性和電壓調節給工程師帶來(lái)了巨大的設計挑戰。車(chē)載計算機、發(fā)動(dòng)機控制單元、DC/DC 轉換器和 48V 逆變器等需要在嚴苛環(huán)境條件下進(jìn)行紋波穩定和電源去耦。在高紋波條件下，混合結構鋁電容器的溫度性能使其非常適合于在嚴苛環(huán)境中敏感下游電子設備需要適當平滑和電源去耦的應用。

除了溫度性能，汽車(chē)應用還需要高可靠性才能滿(mǎn)足 AEC-Q200 標準。在某些情況下，熱沖擊會(huì )導致電容器內部的氧化層產(chǎn)生缺陷，從而導致泄漏電流過(guò)大。然而，混合結構聚合物電容器具有軟自愈機制，液體電解質(zhì)的存在允許氧化物的電化學(xué)生長(cháng)。該過(guò)程不需要達到特定的最小電流，并且可以在相對較低的局部電流密度下進(jìn)行，從而可以順利恢復任何缺陷。因此，能夠穩定泄漏，電容器的可靠性得到有效保證。

把這些牢固的機制與防振安裝結構相結合，可以輕松滿(mǎn)足汽車(chē)認證，其額定壽命可超過(guò) 3,000 小時(shí)，抗震性達30g，工作溫度范圍為 -55～ +125℃。還值得注意的是，盡管混合結構電容器比傳統電容器較為昂貴，但它們強大的性能允許更嚴格的額定裕度，并且能夠以具有價(jià)格競爭力的設計實(shí)現在額定值 90% 時(shí)可靠運行。

混合電容器產(chǎn)品動(dòng)態(tài)

由于混合電容器在汽車(chē)應用中具有如此明顯的巨大潛力，KEMET 開(kāi)發(fā)了一系列新產(chǎn)品來(lái)滿(mǎn)足市場(chǎng)需求。所有這些符合 AEC-Q200 標準的電容器都具有高功率密度和低泄漏特性，并采用不同的緊湊型設計封裝，可為工程師提供了更大靈活性和選擇余地。

PHA225 為軸向架構，采用極化全焊接設計，鍍錫銅質(zhì)引線(xiàn)，負極連接至外殼。 PHA225 繞組裝在圓柱形鋁罐中，帶有高純度鋁蓋和耐用的橡膠墊圈。而PHH225 的不同之處在于它包含一個(gè)徑向表冠，可以將其安裝在直立位置。

PHA 和 PHH 225 都具有較小尺寸和單位體積的高紋波電流，在面向汽車(chē)和工業(yè)技術(shù)的設計應用中這些都是非常有價(jià)值的屬性。通過(guò)在現有的 48V 汽車(chē)逆變器設計中并聯(lián)使用體積更小、功率密度更高的混合結構鋁電容器，可以減少所需組件的數量，并保持高紋波電流性能。PHA 和 PHH都非常適合于大功率汽車(chē)應用，包括48V 逆變器、冷卻風(fēng)扇、水泵、動(dòng)力轉向以及制動(dòng)和噴射系統的直流鏈路（DC-Link）等。

這兩個(gè)組件還可提供其他值得注意的性能特征，包括在 +125℃下超過(guò) 3,000 小時(shí)的運行時(shí)間、高達 140℃的高溫特性、高達 40Arms的電流、連續負載和自愈行為等功能。

下面介紹一下 A780 系列（參見(jiàn)圖 4），它是 KEMET 首次發(fā)布的表面貼裝 (V-Chip) 混合結構鋁聚合物電容器。該電容器系列可承受劇烈振動(dòng)（高達 30g），滿(mǎn)足汽車(chē)動(dòng)力總成等應用的嚴格設計要求，包括發(fā)動(dòng)機控制單元、DC/DC 轉換器、MHEV 的 48V 逆變器、開(kāi)關(guān)模式電源和計算機穩壓模塊等。 

圖 4：KEMET 的 A780、PHA225 和 PHH225。這些都是符合 AEC-Q200 標準的電容器，在混合結構設計中結合了高導電聚合物技術(shù)和液體電解材料。

KEMET 擁有正確的解決方案

隨著(zhù)汽車(chē)電氣化的步伐不斷加快，這也是汽車(chē)行業(yè)激動(dòng)人心的時(shí)刻。除了功率電感器和電磁兼容解決方案等其他產(chǎn)品外，新推出的符合 AEC-200標準電容器表明，KEMET對汽車(chē)技術(shù)進(jìn)行大量投資的一貫承諾。

KEMET 公司在電容器等關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域擁有業(yè)界驗證的創(chuàng )新歷史，正是這些創(chuàng )新使KEMET能夠跟上現在和未來(lái)迅速發(fā)展和快速增長(cháng)的電動(dòng)汽車(chē)市場(chǎng)步伐。