利用高紋波電流實現(xiàn)更智能的電動汽車設(shè)計

汽車行業(yè)的電氣化趨勢沒有減弱跡象。每過一個月，至少有一家汽車制造商會宣布一項重大發(fā)展，或者是開發(fā)出全新的電動汽車，或者是現(xiàn)有車型的升級換代。

市場分析機構(gòu)Markets and Markets 的最新研究表明，汽車行業(yè)電氣化可能會以 11.9% 的復(fù)合年增長率增長，從 737 億美元增長到2025 年的 1296 億美元，這種快速增長也從另一側(cè)面證明，隨著電動汽車繼續(xù)贏得消費者的廣泛接受，對研發(fā)活動也在進行巨大投資。

然而，任何技術(shù)進步并不會孤立發(fā)生。供應(yīng)鏈在支持 OEM 方面開展了大量工作，系統(tǒng)和組件專家都在更廣泛的領(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)過發(fā)展改進，已經(jīng)能夠在電動汽車上發(fā)揮重要作用，作為高密度電力輸送的可靠來源，具有較長的壽命周期和快速充電/放電時間。特別是混合鋁聚合物電容器，它已成為汽車應(yīng)用中極具前景的組件，聚合物和液體電解材料相結(jié)合，可為輕度混合動力汽車 48V 架構(gòu)提供出色的電氣性能。

事實上，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(xiàn)有的 48V 汽車逆變器設(shè)計并聯(lián)使用時，可以減少所需組件數(shù)量。最終，這種方案可以帶來更精簡、更高效的汽車設(shè)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(shè)計和性能特點及其在汽車行業(yè)中的應(yīng)用。與傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)。電容器的創(chuàng)新來自于電解質(zhì)，它結(jié)合了傳統(tǒng)的液體（wet liquid）和現(xiàn)代導(dǎo)電聚合物（圖 1）。聚合物提高了電導(dǎo)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(jié)構(gòu)。

這些先進材料和混合結(jié)構(gòu)的組合產(chǎn)生了一些改變游戲規(guī)則的好處。等效串聯(lián)電阻是一個關(guān)鍵參數(shù)，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。下圖展示了在整個頻率范圍內(nèi)，與傳統(tǒng)電解質(zhì)相比，混合結(jié)構(gòu)電池的串聯(lián)電阻極低（參見圖 2）。 

圖 2：混合結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)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，混合結(jié)構(gòu)設(shè)計的超低 ESR 可顯著改善發(fā)熱。高紋波電流的瞬態(tài)仿真表明混合結(jié)構(gòu)設(shè)計的溫度可降低 20℃（參見圖 3）。 

圖 3：混合結(jié)構(gòu)和傳統(tǒng)電解電容器的紋波電流溫度比較。

在電動汽車等特定案例中，負載可變性和電壓調(diào)節(jié)給工程師帶來了巨大的設(shè)計挑戰(zhàn)。車載計算機、發(fā)動機控制單元、DC/DC 轉(zhuǎn)換器和 48V 逆變器等需要在嚴苛環(huán)境條件下進行紋波穩(wěn)定和電源去耦。在高紋波條件下，混合結(jié)構(gòu)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(shè)備需要適當平滑和電源去耦的應(yīng)用。

除了溫度性能，汽車應(yīng)用還需要高可靠性才能滿足 AEC-Q200 標準。在某些情況下，熱沖擊會導(dǎo)致電容器內(nèi)部的氧化層產(chǎn)生缺陷，從而導(dǎo)致泄漏電流過大。然而，混合結(jié)構(gòu)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生長。該過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行，從而可以順利恢復(fù)任何缺陷。因此，能夠穩(wěn)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(jié)構(gòu)相結(jié)合，可以輕松滿足汽車認證，其額定壽命可超過 3,000 小時，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(jié)構(gòu)電容器比傳統(tǒng)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，并且能夠以具有價格競爭力的設(shè)計實現(xiàn)在額定值 90% 時可靠運行。

混合電容器產(chǎn)品動態(tài)

由于混合電容器在汽車應(yīng)用中具有如此明顯的巨大潛力，KEMET 開發(fā)了一系列新產(chǎn)品來滿足市場需求。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(shè)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(gòu)，采用極化全焊接設(shè)計，鍍錫銅質(zhì)引線，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，在面向汽車和工業(yè)技術(shù)的設(shè)計應(yīng)用中這些都是非常有價值的屬性。通過在現(xiàn)有的 48V 汽車逆變器設(shè)計中并聯(lián)使用體積更小、功率密度更高的混合結(jié)構(gòu)鋁電容器，可以減少所需組件的數(shù)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應(yīng)用，包括48V 逆變器、冷卻風扇、水泵、動力轉(zhuǎn)向以及制動和噴射系統(tǒng)的直流鏈路（DC-Link）等。

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

下面介紹一下 A780 系列（參見圖 4），它是 KEMET 首次發(fā)布的表面貼裝 (V-Chip) 混合結(jié)構(gòu)鋁聚合物電容器。該電容器系列可承受劇烈振動（高達 30g），滿足汽車動力總成等應(yīng)用的嚴格設(shè)計要求，包括發(fā)動機控制單元、DC/DC 轉(zhuǎn)換器、MHEV 的 48V 逆變器、開關(guān)模式電源和計算機穩(wěn)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(jié)構(gòu)設(shè)計中結(jié)合了高導(dǎo)電聚合物技術(shù)和液體電解材料。

KEMET 擁有正確的解決方案

隨著汽車電氣化的步伐不斷加快，這也是汽車行業(yè)激動人心的時刻。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對汽車技術(shù)進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(xiàn)在和未來迅速發(fā)展和快速增長的電動汽車市場步伐。