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薄膜電容器在新能源汽車上的運用

來源:武漢科琪電子有限公司    編輯:佚名    時間:2016-4-14    點擊數:
      

1.引言隨著工業的迅速發展、人口的增長和人民生活水平的提高,能源短缺已成為世界性問題,能源安全受到越來越多國家的重視。隨著“汽車社會”的逐漸形成,汽車保有量在不斷地呈現上升趨勢,全球汽車行業的發展面臨著能源和環保的雙重壓力,各個國家為了將來在世界汽車業中占得一席之地,紛紛推出了各自的的新能源汽車的規劃藍圖,并大力發展新能源汽車。

  新能源汽車是指采用非常規的車用燃料作為動力來源,新能源汽車包括混合動力汽車、純電動汽車、燃料電池電動汽車、氫發動機汽車、其他新能源(如高效儲能器、二甲醚)汽車等各類別產品。

  電機,電池和電機控制技術是新能源汽車的三大核心。電機控制技術的核心就是需要高效電機控制的逆變器技術,高效電機控制的逆變器技術則需要一個功能強大的IGBT模塊和一個與之匹配的直流支撐電容器。

  本文主要介紹薄膜電容的優點、采用的先進技術、相關的選型標準及應用分析。

  2.薄膜電容的技術優點早期直流支撐薄膜電容都是采用電解電容,隨著薄膜電容技術的發展,特別是基膜本身技術的發發展和金屬化采用分割的技術出現,不僅使得薄膜電容的體積在越做越小的同時,產品的耐壓水平還保持在相當的水平,現在越來越多的公司采用高溫聚丙烯薄膜電容器的作為直流支撐電容,一個典型的例子就是豐田公司的PRIUS車型的改進;而國內車企典型代表是比亞迪F3DME6,都使用薄膜電容器作為直流支撐電容。第一代豐田Prius使用的濾波電容器是電解電容器;從第二代開始,便開始使用薄膜濾波電容器組。
    

  目前用于直流支撐的薄膜電容器,大部分是使用高溫聚丙烯膜作為介質,聚丙烯薄膜電容器有如下的優點。

  a.產品安全性好,耐過壓能力強由于薄膜電容器具有自愈額現象,而且薄膜電容的設計是按照IEC61071的標準,電容抗浪涌電壓能力大于1.5的額定電壓,加上電容采用分割膜技術,見圖4,電容理論上不會產生短路擊穿的現象,這大大提高了這類電容的安全性,典型的失效模式是開路。在特定應用中電容的抗峰值電壓能力也是考察電容的重要指標。實際上,對電解電容而言,允許承受的最大浪涌電壓是1.2倍,這種情況迫使使用者不得不考慮峰值電壓而非標稱電壓。

  b.良好的溫度特性,產品溫度使用范圍廣,可以從-40-105℃直流支撐薄膜電容器采用的高溫聚丙烯薄膜,具有聚酯薄膜和電解電容沒有的溫度穩定性。

  中可以看出,隨著溫度的升高,聚丙烯膜電容器容量總體是下降的,但下降的比例是很小的,大概是300PPM/℃;而聚酯膜不管是在高溫階段還是在低溫階段,容量隨溫度變化則大了很多,為+200+600PPM/℃。

  可以看出,聚丙烯膜介質電容器的損耗隨溫度變化基本不變的,但聚酯膜介質電容器在低溫和高溫顯示變化規律是不一樣的。

  由于聚丙烯膜介質電容器具有良好的溫度特性,不管是在低溫(比如說中國北方)或者高溫地區(比如說沙漠地區)都可以得到正常的使用,但對于電解電容器來說,如果在低溫地區,由于電解液的存在,電解液可能會凝固,電容的性能在低溫的時候,性能發生較大的變化,可能導致電機控制器不能正常使用。

  c.頻率特性穩定,產品高頻特性好目前大部分的控制器開關頻率在約10KHZ,這就要求產品的高頻性能好,對于電解電容器和聚酯膜電容器來說,這個要求是個難題。

  可以看出,隨著頻率的升高,聚酯膜介質電容器的所測容量是隨著頻率的上升是逐步減少的,但聚丙烯膜介質電容器則基本不變。

  隨著頻率的上升,聚酯薄膜介質電容器的損耗急劇加大,但聚丙烯介質電容器基本不變。

  d.沒有極性,能承受反向電壓薄膜電容器的電極是蒸鍍在薄膜上納米級的金屬,產品是沒有極性的,故對使用者來說非常方便,不需要考慮正負極的問題;而對電解電容器來說,如果超過1.5Un的反向電壓被加在電解電容上時,會引起電容內部化學反應的發生。如果這種電壓持續足夠長的時間,電容會發生爆炸,或者隨著電容內部壓力的釋放電解液會流出。

  e.額定電壓高,不需要串聯和平衡電阻為了提高輸出功率,混合動力汽車和燃料電池汽車的母線電壓有不斷提高的趨勢。現在市場上給電機提供的電池電壓典型值有280V330V480V,與之匹配的電容不同廠家不太一樣,但大體是會選擇比如450V600V800V,容量從0.32mF2mF,而電解電容器的額定電壓不高于500V,所以當母線電壓高于500V時,系統只能通過串聯電解電容器來提高電容器組的耐壓水平。這樣,不僅增加了電容器組的體積、成本,也增加了電路中的電感和ESR

  f.ESR,通過耐紋波電流能力強薄膜電容器大于200mA/μF,電解電容通過紋波電流能力為20mA/μF,這個特點能大大減小系統中所需要的電容器的容量。國際電容品牌主推的產品目前0.4-0.5mΩ,最大紋波電流值從幾十安培到幾百安培不等。

  g.ESL逆變器的低電感設計要求其主要元件DC-Link電容器要有極其低的電感。高性能DC-Link直流濾波薄膜電容器通過把母線整合到電容器模塊里,使它的自感降到最低(<30nH),大大減小了在必要開關頻率下的震蕩效應。因此,并聯在DC-Link電容器上的吸收電容經常被省略掉,電容器電極直接接到IGBT上。

  h.抗浪涌電流能力強能夠承受瞬間的大電流,采用波浪分切的技術和電容鍍膜加厚邊技術,可以提高產品浪涌電流溫度和機械沖擊的能力。   i.使用壽命長薄膜不易老化的特性決定了薄膜電容器優很長的壽命,特別在額定電壓和額定使用溫度下,使用壽命大于15000小時;如果按平均30Km/H,則在壽命期可以有450000Km,電容的壽命對于汽車的行駛里程是足夠的。

  3.薄膜電容的選擇為了達到節能的目的,提高電機的效率,減少線損,就必須把系統電壓提高,電壓提高后,可以降低通過回路的電流,由于電流可以比較低,線損就會比較低。

  P線損=I2R目前系統電壓范圍從100多伏到300多伏,有些公司用于大功率驅動的達到400多伏,由于控制電路自感及其在汽車在不同工況下使用的緣故,大多公司選用是額定電壓450V以上的電容。

  根據電機功率的不同,目前有不同的IGBT模塊可以使用,同樣,對于直流支撐電容器,不同的廠家也推出了不同的產品,主流薄膜電容器廠商都推出了不容容量和結構的電容可供選擇。選擇時主要考慮額定容量、允許容量的偏差、額定電壓、最大電壓、電池電壓的波動范圍、開關頻率、紋波電流有效值、最大峰值電流、相間續流電流大小、電機額定功率、峰值功率、環境溫度、最高工作溫度、最高工作海拔、散熱方式和壽命要求等指標。

  4.應用分析4.1 紋波電壓產生的原因IGBT工作的時候,電路兩端負載發生變化,母線上會產生紋波電流。如果沒有C3電容器,那么電流將全部流經電池組,導致Ur產生波動(Ur=Iripple×r)U=U1+Ur,所以U兩端將產生較大的紋波電壓,影響IGBT的正常工作。

  4.2 電容器組的作用如果在母線兩端并上電容器組,當ESR+1/ωC<4.3 電容器的選擇要使ESR+1/ωC<  工程應用上,可以通過計算機模擬得到系統需要的最小電容器容值。當然,如果設計前已知了電路中的最大允許紋波電壓和紋波電流的有效值。那么,系統中需要的最小容值可以通過下面的公式計算:

  (2)由于系統中的濾波電流相對較大,而電解電容又有0.02A/μF的濾波電流限制,所以在開關頻率較高的逆變器中一般不按最小容值選擇電解電容器,而是按下面公式選擇電解電容器的容值:

  (3)下面以某電機電機驅動系統是30KW的純電動車型舉例說明,驅動器上的參數為:Vw=336V; Uripple=4VIrms=100A @10KHz。需要的最小容值為:

  (4)這個容量的薄膜電容器很容易找到。如果選用電解電容器,則需要的容量是:

  (5)由此可以得出,開關頻率較高的逆變器中使用薄膜電容器可以大大減小應用中所需要的容值。

  5.總結高性能DC-LINK薄膜電容器是一種采用新的制作工藝和金屬化薄膜技術的電容器,它增加了傳統薄膜電容器的能量密度,即電容的體積也隨之縮小。另一個方面它通過將電容器芯子和母排整合的方式來滿足客戶靈活的尺寸要求,不僅使得整個逆變器模塊更加緊湊,也大大降低應用電路中的雜散電感,使電路的性能更加優越。電動汽車中使用的電路設計有高電壓、高有效值電流、有過壓、有反向電壓、有高峰值電流、同時還有長壽命的要求,薄膜電容無疑是電動汽車作為直流支撐電容的最佳選擇。


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