Еволюція технології плівкових конденсаторів: основна підтримка систем електроприводу в транспортних засобах нової енергії

У міру того як системи електроприводу нових транспортних засобів з енергією поступово оновлюються до вищих напруг і вищих частот, конденсатор DC-Link, як «диспетчер енергії» в контролері двигуна, його продуктивність безпосередньо визначає межу ефективності та стелю надійності системи електричного приводу. Традиційні електролітичні конденсатори, через властиві їм обмеження, поступово були замінені плівковими конденсаторами. Ця тиха технологічна заміна відображає глибоку логіку скоординованої еволюції компонентів силової електроніки та архітектури автомобіля, а також сприяє технологічній модернізації пов’язаних з’єднувальних компонентів.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Платформи високої напруги 800 В-стають галузевим стандартом, плівкові конденсатори з їх унікальною структурою матеріалу та фізичними властивостями змінили компонування компонентів системи живлення в транспортних засобах на новій енергії. Вони не лише усувають недоліки електролітичних конденсаторів у сценаріях високої-напруги, а й забезпечують ідеальний резервний пул енергії для високочастотного перемикання силових пристроїв із карбіду кремнію завдяки нижчому ESR (еквівалентному послідовному опору) та більшій потужності проти-пульсаційного струму. Системи шин, як ключовий носій передачі енергії, мають адаптовану сумісність з плівковими конденсаторами, стаючи важливим напрямком для оптимізації системи.

Система електроприводу транспортних засобів з новою енергією переживає стрибок продуктивності від «адекватної» до «екстремальної». Коли частота перемикання контролера двигуна перевищує 20 кГц і напруга на шині піднімається вище 800 В, обмеження традиційних електролітичних конденсаторів стають дедалі помітнішими. У середовищі з високою{5}}температурою 125 градусів термін служби електролітичних конденсаторів зменшиться до 15% від нормального температурного стану, тоді як плівкові конденсатори все ще можуть зберігати понад 80% початкової продуктивності. Ця різниця особливо помітна в сценаріях високої-напруги.

Платформи високої{0}}напруги мають суворі вимоги до конденсаторної технології. «З кожним підвищенням напруги на 100 В крива терміну служби електролітичних конденсаторів знижується до наступного рівня», що є загальновизнаним правилом у галузі. У плівкових конденсаторах використовується поліпропілен (PP) або поліестер (PET) з діелектричною міцністю понад 200 В/мкм, що в 3-5 разів перевищує міцність оксиду алюмінію електролітичних конденсаторів. Один плівковий конденсатор може витримувати робочу напругу понад 1000 В постійного струму, тоді як електролітичні конденсатори зазвичай потребують кількох послідовних з’єднань для досягнення однакового рівня напруги. На рівні електричних з’єднань EV Laminated Busbars з відмінними характеристиками ізоляції та пропускною здатністю по струму стають кращим рішенням для підключення плівкових конденсаторів і системи електричного приводу, ефективно зменшуючи втрати в ланцюзі.

Популяризація пристроїв живлення з карбіду кремнію (SiC) підняла частоту перемикання на нові висоти. Коли частота перемикання досягає 50 кГц, підвищення температури електролітичних конденсаторів набагато вище, ніж у плівкових конденсаторів, що безпосередньо призводить до значного зниження їх стійкості до пульсацій струму. Металізована електродна структура плівкових конденсаторів забезпечує стабільні діелектричні характеристики на високих частотах, що також є його основною перевагою для адаптації до систем електроприводу з високою-частотою. У практичній інженерії гнучкість компонування плівкових конденсаторів забезпечує значну зручність, дозволяючи близько розташовувати поряд із силовими модулями, контролюючи індуктивність схеми на надзвичайно низькому рівні. З’єднувач шин забезпечує надійне з’єднання для цієї компактної компоновки, зменшуючи втрати продуктивності, спричинені паразитною індуктивністю.

В умовах вібрації, зміни температури та комбінованого стресу навколишнього середовища транспортних засобів нових джерел енергії плівкові конденсатори демонструють реальну продуктивність, що значно перевищує теоретичні параметри. З точки зору надійності, у випадкових випробуваннях на вібрацію в діапазоні від 20 до 2000 Гц частота відмов плівкових конденсаторів набагато нижча, ніж у електролітичних конденсаторів. Їх тверда структура не має рідкого електроліту, що дозволяє уникнути внутрішнього відділення матеріалу, викликаного механічною вібрацією; при -холодному запуску 40 градусів коефіцієнт збереження ємності плівкових конденсаторів перевищує 95%, тоді як електролітичні конденсатори значно зменшаться, що безпосередньо впливає на стабільність напруги шини в умовах низьких температур. Крім того, коли електролітичний конденсатор виходить з ладу, він може лопнути або мати витік електроліту, тоді як плівкові конденсатори зазвичай демонструють поступове зниження ємності та не викликають вторинних несправностей. Ця перевага безпеки також висуває вищі вимоги до відповідної шини конденсатора.

З точки зору електричних характеристик, здатність справлятися з пульсаціями струму є ключовим показником, який відрізняє плівкові конденсатори від електролітичних конденсаторів. У системі 800 В середньоквадратична щільність струму пульсацій плівкових конденсаторів може досягати 50 А/см², що в 2-3 рази більше, ніж у еквівалентних-об’ємних електролітичних конденсаторів. В основному це пов’язано з слабшим скін-ефектом металізованих електродів, надзвичайно низьким кутом діелектричних втрат поліпропілену та оптимізованим розподілом струму багатошарової сегментованої структури.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Слід зазначити, що хоча електролітичні конденсатори мають більшу номінальну ємність, фактично доступний пульсаційний струм може бути нижчим, що є пасткою, яку легко не помітити в процесі вибору галузі. Розумна конструкція DC-Link Capacitor Busbar додатково оптимізує розподіл струму та повністю використовує переваги продуктивності плівкових конденсаторів.
Популяризація плівкових конденсаторів є не лише результатом технологічного прогресу, а й результатом модернізації технології ланцюга поставок. В останні роки глобальні виробничі потужності плівкових конденсаторів для електромобілів продовжували збільшуватися, тоді як ціна неухильно знижувалася.

 

Феномен «збільшення обсягу та зниження ціни» лежить в основі подвійних проривів у матеріальних процесах та ефективності виробництва. Традиційна точка зору стверджує, що ціна окремої частинки плівкових конденсаторів вища, ніж у електролітичних, але з точки зору розрахунку вартості-рівня системи переваги плівкових конденсаторів дуже очевидні: покращення їх щільності енергії призводить до зменшення споживання,-необслуговувана конструкція усуває витрати на регулярне виявлення та заміну, нижчий ESR зменшує навантаження на охолодження система, а її висока надійність подовжує гарантійний термін системи електроприводу, опосередковано підвищуючи вартість бренду продукту. Загалом, вартість протягом усього життєвого циклу насправді є більш вигідною.

Оскільки рівень проникнення платформи 800 В продовжує зростати, самі плівкові конденсатори також стикаються з технологічними ітераціями. Нове рішення «гібридного конденсатора» поєднує в собі стійкість до високої напруги плівкових конденсаторів і високу ємність суперконденсаторів, і його було випробувано в деяких -моделях автомобілів високого класу. Що стосується інновацій у матеріалах, значний прогрес досягнуто в дослідженнях і розробці нано-композитних середовищ, три-вимірних електродних структур і технологій само-відновлення. Лабораторні дані показують, що ці нові технології можуть значно зменшити об'єм конденсатора, досягнувши при цьому якісного покращення терміну служби циклу.

На рівні системної інтеграції концепція «конденсатор як структурний компонент» руйнує традиційну конструкцію, використовуючи корпус конденсатора як базову пластину для розсіювання тепла силового модуля, використовуючи корпус конденсатора для формування електромагнітної екрануючої порожнини та використовуючи контакти конденсатора як механічну опору для збірної шини. Завдяки цій глибокій інтеграції питома потужність системи електричного приводу може потенційно досягти прориву, прокладаючи шлях для наступного покоління ультра-компактного дизайну шасі. Застосування ізольованої збірної шини для електричного конденсатора ще більше підвищує надійність ізоляції та інтеграцію системи, адаптуючись до цієї нової парадигми інтеграції.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

У галузевій практиці надійність плівкових конденсаторів поступово перевершила інші аспекти системи електричного приводу, переставши бути технічною перешкодою, а скоріше сприяючи архітектурним інноваціям. Компоненти, пов’язані-з шинами, як-отАвтомобільний шинний барі EV Capacitor Power Distribution Bar, також постійно оптимізуються в спільній розробці з плівковими конденсаторами, спільно сприяючи модернізації системи електроприводу нових транспортних засобів з енергією для підвищення ефективності, вищої надійності та більшої компактності.