薄膜电容在新能源汽车上的运用

点击:1834 日期:2016-09-21 选择字号:
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薄膜电容在新能源汽车上的运用

薄膜电容器在新能源汽车上的运用

1.引言随着工业的迅速发展、人口的增长和人民生活水平的提高,能源短缺已成为世界性问题,能源安全受到越来越多国家的重视。随着“汽车社会”的逐渐形成,汽车保有量在不断地呈现上升趋势,全球汽车行业的发展面临着能源和环保的双重压力,各个国家为了将来在世界汽车业中占得一席之地,纷纷推出了各自的的新能源汽车的规划蓝图,并大力发展新能源汽车。

新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源,新能源汽车包括混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池电动汽车、氢发动机汽车、其他新能源(如高效储能器、二甲醚)汽车等各类别产品。

电机,电池和电机控制技术是新能源汽车的三大核心。电机控制技术的核心就是需要高效电机控制的逆变器技术,高效电机控制的逆变器技术则需要一个功能强大的IGBT模块和一个与之匹配的直流支撑电容器,如图所示。

本文主要介绍薄膜电容器的优点、采用的先进技术、相关的选型标准及应用分析。

2.薄膜电容的技术优点早期直流支撑薄膜电容都是采用电解电容,随着薄膜电容技术的发展,特别是基膜本身技术的发发展和金属化采用分割的技术出现,不仅使得薄膜电容的体积在越做越小的同时,产品的耐压水平还保持在相当的水平,现在越来越多的公司采用高温聚丙烯薄膜电容器的作为直流支撑电容,一个典型的例子就是丰田公司的PRIUS车型的改进;而国内车企典型代表是比亚迪F3DM和E6,都使用薄膜电容器作为直流支撑电容。初代丰田Prius使用的滤波电容器是电解电容器;从第二代开始,便开始使用薄膜滤波电容器组。

目前用于直流支撑的薄膜电容器,大部分是使用高温聚丙烯膜作为介质,聚丙烯薄膜电容器有如下的优点

a.产品安全性好,耐过压能力强由于薄膜电容器具有自愈额现象,而且薄膜电容的设计是按照IEC61071的标准,电容抗浪涌电压能力大于1.5的额定电压,加上电容采用分割膜技术,电容理论上不会产生短路击穿的现象,这大大提高了这类电容的安全性,典型的失效模式是开路。在特定应用中电容的抗峰值电压能力也是考察电容的重要指标。实际上,对电解电容而言,允许承受的浪涌电压是1.2倍,这种情况迫使使用者不得不考虑峰值电压而非标称电压。

b.良好的温度特性,产品温度使用范围广,可以从-40℃-105℃直流支撑薄膜电容器采用的高温聚丙烯薄膜,具有聚酯薄膜和电解电容没有的温度稳定性。

c.频率特性稳定,产品高频特性好目前大部分的控制器开关频率在约10KHZ,这就要求产品的高频性能好,对于电解电容器和聚酯膜电容器来说,这个要求是个难题。

  d.没有极性,能承受反向电压薄膜电容器的电极是蒸镀在薄膜上纳米级的金属,产品是没有极性的,故对使用者来说非常方便,不需要考虑正负极的问题;而对电解电容器来说,如果超过1.5倍Un的反向电压被加在电解电容上时,会引起电容内部化学反应的发生。如果这种电压持续足够长的时间,电容会发生爆炸,或者随着电容内部压力的释放电解液会流出。

  e.额定电压高,不需要串联和平衡电阻为了提高输出功率,混合动力汽车和燃料电池汽车的母线电压有不断提高的趋势。现在市场上给电机提供的电池电压典型值有280V,330V及480V,与之匹配的电容不同厂家不太一样,但大体是会选择比如450V,600V,800V,容量从0.32mF到2mF,而电解电容器的额定电压不高于500V,所以当母线电压高于500V时,系统只能通过串联电解电容器来提高电容器组的耐压水平。这样,不仅增加了电容器组的体积、成本,也增加了电路中的电感和ESR。

  f.低ESR,通过耐纹波电流能力强薄膜电容器大于200mA/μF,电解电容通过纹波电流能力为20mA/μF,这个特点能大大减小系统中所需要的电容器的容量。国内厂家比如厦门法拉主推的产品目前0.4-0.5mΩ,纹波电流值从几十安培到几百安培不等。

  g.低ESL逆变器的低电感设计要求其主要元件DC-Link电容器要有极其低的电感。高性能DC-Link直流滤波薄膜电容器通过把母线整合到电容器模块里,使它的自感降到(<30nH),大大减小了在必要开关频率下的震荡效应。因此,并联在DC-Link电容器上的吸收电容经常被省略掉,电容器电极直接接到IGBT上。

  h.抗浪涌电流能力强能够承受瞬间的大电流,采用波浪分切的技术和电容镀膜加厚边技术,可以提高产品浪涌电流温度和机械冲击的能力。   i.使用寿命长薄膜不易老化的特性决定了薄膜电容器优很长的寿命,特别在额定电压和额定使用温度下,使用寿命大于100000小时;如果按平均30Km/H,则在寿命期可以有450000Km,电容的寿命对于汽车的行驶里程是足够的。

3.总结高性能DC-LINK薄膜电容器是一种采用新的制作工艺和金属化薄膜技术的电容器,它增加了传统薄膜电容器的能量密度,即电容的体积也随之缩小。另一个方面它通过将电容器芯子和母排整合的方式来满足客户灵活的尺寸要求,不仅使得整个逆变器模块更加紧凑,也大大降低应用电路中的杂散电感,使电路的性能更加优越。电动汽车中使用的电路设计有高电压、高有效值电流、有过压、有反向电压、有高峰值电流、同时还有长寿命的要求,薄膜电容无疑是电动汽车作为直流支撑电容的选择。

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