薄膜電容器在新能源汽車上的運(yùn)用

廈門法拉電子股份有限公司 賴五福

1.引言

隨著工業(yè)的迅速發(fā)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(huì)”的逐漸形成，汽車保有量在不斷地呈現(xiàn)上升趨勢，全球汽車行業(yè)的發(fā)展面臨著能源和環(huán)保的雙重壓力，各個(gè)國家為了將來在世界汽車業(yè)中占得一席之地，紛紛推出了各自的的新能源汽車的規(guī)劃藍(lán)圖，并大力發(fā)展新能源汽車。

新能源汽車是指采用非常規(guī)的車用燃料作為動(dòng)力來源，新能源汽車包括混合動(dòng)力汽車、純電動(dòng)汽車、燃料電池電動(dòng)汽車、氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車、其他新能源（如高效儲(chǔ)能器、二甲醚）汽車等各類別產(chǎn)品[1]。

電機(jī)，電池和電機(jī)控制技術(shù)是新能源汽車的三大核心。電機(jī)控制技術(shù)的核心就是需要高效電機(jī)控制的逆變器技術(shù)，高效電機(jī)控制的逆變器技術(shù)則需要一個(gè)功能強(qiáng)大的IGBT模塊和一個(gè)與之匹配的直流支撐電容器，如圖1所示。

本文主要介紹薄膜電容的優(yōu)點(diǎn)、采用的先進(jìn)技術(shù)、相關(guān)的選型標(biāo)準(zhǔn)及應(yīng)用分析。

2.薄膜電容的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)

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(shù)的發(fā)展，特別是基膜本身技術(shù)的發(fā)發(fā)展和金屬化采用分割的技術(shù)出現(xiàn)，不僅使得薄膜電容的體積在越做越小的同時(shí)，產(chǎn)品的耐壓水平還保持在相當(dāng)?shù)乃剑F(xiàn)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(gè)典型的例子就是豐田公司的PRIUS車型的改進(jìn)；而國內(nèi)車企典型代表是比亞迪F3DM和E6，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，見圖2；從第二代開始，便開始使用薄膜濾波電容器組，見圖3。

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(zhì)，聚丙烯薄膜電容器有如下的優(yōu)點(diǎn)。

a.產(chǎn)品安全性好，耐過壓能力強(qiáng)

由于薄膜電容器具有自愈額現(xiàn)象，而且薄膜電容的設(shè)計(jì)是按照IEC61071的標(biāo)準(zhǔn)，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(shù)，見圖4，電容理論上不會(huì)產(chǎn)生短路擊穿的現(xiàn)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(yīng)用中電容的抗峰值電壓能力也是考察電容的重要指標(biāo)。實(shí)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(biāo)稱電壓。

b.良好的溫度特性，產(chǎn)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(wěn)定性，具體如下圖5，圖6。

從圖5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/℃。

從圖6可以看出，聚丙烯膜介質(zhì)電容器的損耗隨溫度變化基本不變的，但聚酯膜介質(zhì)電容器在低溫和高溫顯示變化規(guī)律是不一樣的。

由于聚丙烯膜介質(zhì)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(qū)(比如說沙漠地區(qū))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(qū)，由于電解液的存在，電解液可能會(huì)凝固，電容的性能在低溫的時(shí)候，性能發(fā)生較大的變化，可能導(dǎo)致電機(jī)控制器不能正常使用。

c.頻率特性穩(wěn)定，產(chǎn)品高頻特性好

目前大部分的控制器開關(guān)頻率在約10KHZ，這就要求產(chǎn)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(gè)要求是個(gè)難題。具體見圖7，圖8。

從圖7可以看出，隨著頻率的升高，聚酯膜介質(zhì)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(zhì)電容器則基本不變。

從圖8可以看出，隨著頻率的上升，聚酯薄膜介質(zhì)電容器的損耗急劇加大，但聚丙烯介質(zhì)電容器基本不變。

d.沒有極性，能承受反向電壓

圖1 電機(jī)控制器主回路示意圖

圖2 第一代豐田Prius電機(jī)控制器

圖3 第二代豐田Prius電機(jī)控制器

圖4 電容分割膜

薄膜電容器的電極是蒸鍍在薄膜上納米級的金屬，產(chǎn)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(fù)極的問題；而對電解電容器來說，如果超過1.5倍Un的反向電壓被加在電解電容上時(shí)，會(huì)引起電容內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。如果這種電壓持續(xù)足夠長的時(shí)間，電容會(huì)發(fā)生爆炸，或者隨著電容內(nèi)部壓力的釋放電解液會(huì)流出。

圖5 在1KHz時(shí)電容量隨溫度變化曲線

圖6 在1KHz時(shí)介質(zhì)損耗角正切值隨溫度變化曲線

圖7 室溫時(shí)電容量隨頻率變化曲線

圖8 室溫時(shí)介質(zhì)損耗角正切值隨頻率變化曲線

e.額定電壓高，不需要串聯(lián)和平衡電阻

為了提高輸出功率，混合動(dòng)力汽車和燃料電池汽車的母線電壓有不斷提高的趨勢。現(xiàn)在市場上給電機(jī)提供的電池電壓典型值有280V，330V及480V，與之匹配的電容不同廠家不太一樣，但大體是會(huì)選擇比如450V，600V，800V，容量從0.32mF到2mF，而電解電容器的額定電壓不高于500V，所以當(dāng)母線電壓高于500V時(shí)，系統(tǒng)只能通過串聯(lián)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.低ESR，通過耐紋波電流能力強(qiáng)

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(gè)特點(diǎn)能大大減小系統(tǒng)中所需要的電容器的容量。國內(nèi)廠家比如廈門法拉主推的產(chǎn)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.低ESL

逆變器的低電感設(shè)計(jì)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(guān)頻率下的震蕩效應(yīng)。因此，并聯(lián)在DC-Link電容器上的吸收電容經(jīng)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(qiáng)

能夠承受瞬間的大電流，采用波浪分切的技術(shù)和電容鍍膜加厚邊技術(shù)，可以提高產(chǎn)品浪涌電流溫度和機(jī)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(yōu)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(shí)；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(dá)到節(jié)能的目的，提高電機(jī)的效率，減少線損，就必須把系統(tǒng)電壓提高(見公式一)，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(huì)比較低。

P線損=I2R (1)

目前系統(tǒng)電壓范圍從100多伏到300多伏，有些公司用于大功率驅(qū)動(dòng)的達(dá)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(jù)電機(jī)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(chǎn)品，主流薄膜電容器廠商比如廈門法拉和EP公司都推出了不容容量和結(jié)構(gòu)的電容可供選擇。選擇時(shí)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(dòng)范圍、開關(guān)頻率、紋波電流有效值、最大峰值電流、相間續(xù)流電流大小、電機(jī)額定功率、峰值功率、環(huán)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(biāo)。

4.應(yīng)用分析

4.1 紋波電壓產(chǎn)生的原因

IGBT工作的時(shí)候，電路兩端負(fù)載發(fā)生變化，母線上會(huì)產(chǎn)生紋波電流。如果沒有C3電容器，那么電流將全部流經(jīng)電池組，導(dǎo)致Ur產(chǎn)生波動(dòng)(Ur=Iripple×r)，U=U1+Ur，所以U兩端將產(chǎn)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(dāng)ESR+1/ωC＜＜r時(shí)，母線上的紋波電流將大部分流過電容器組，這樣就大大降低了母線上的電壓波動(dòng)，有利于IGBT的正常運(yùn)行。

4.3 電容器的選擇

要使ESR+1/ωC＜＜r，ωC要足夠大。當(dāng)ω較小時(shí)，即IGBT開關(guān)頻率較低的情況下，電容器組的容量需要足夠大，這時(shí)薄膜電容器就沒有優(yōu)勢。在IGBT開關(guān)頻率較高的情況下，電容器組需要的容量大大下降，這時(shí)電容器本身的耐電流能力就成為元件選擇的主要考慮因素，薄膜電容器的優(yōu)勢也就顯示出來了。

工程應(yīng)用上，可以通過計(jì)算機(jī)模擬得到系統(tǒng)需要的最小電容器容值。當(dāng)然，如果設(shè)計(jì)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(tǒng)中需要的最小容值可以通過下面的公式計(jì)算：

由于系統(tǒng)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(guān)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：

下面以某電機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是30KW的純電動(dòng)車型舉例說明，驅(qū)動(dòng)器上的參數(shù)為：Vw=336V； Uripple=4V；Irms=100A@10KHz。需要的最小容值為：

這個(gè)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：

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

5.總結(jié)

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(shù)的電容器，它增加了傳統(tǒng)薄膜電容器的能量密度，即電容的體積也隨之縮小。另一個(gè)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(gè)逆變器模塊更加緊湊，也大大降低應(yīng)用電路中的雜散電感，使電路的性能更加優(yōu)越。電動(dòng)汽車中使用的電路設(shè)計(jì)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(shí)還有長壽命的要求，薄膜電容無疑是電動(dòng)汽車作為直流支撐電容的最佳選擇

[1]王文偉,畢榮華編著.電動(dòng)汽車技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京機(jī)械工業(yè)出版社,2010.

[2]TOYOTA.TOYOTA HYBRID SYSTEM THSII[J/OL].www.toyota.co.jp,2003.

[3]陳淵偉.高性能DC-Link薄膜電容器的應(yīng)用及相關(guān)技術(shù).

[4]廈門法拉電子股份有限公司產(chǎn)品目錄,2012.

[5]陳清泉,詹宜君.21世紀(jì)的綠色交通工具-電動(dòng)汽車[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001.

[6]黃俊,王兆安.電力電子變流技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998,10.