利用高纹波电流实现更智能的电动汽车设计|电动|电动汽车_新浪科技

汽车行业的电气化趋势没有减弱迹象。每过一个月，至少有一家汽车制造商会宣布一项重大发展，或者是开发出全新的电动汽车，或者是现有车型的升级换代。

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市场分析机构Markets and Markets 的最新研究表明，汽车行业电气化可能会以 11.9% 的复合年增长率增长，从 737 亿美元增长到2025 年的 1296 亿美元，这种快速增长也从另一侧面证明，随着电动汽车继续赢得消费者的广泛接受，对研发活动也在进行巨大投资。

然而，任何技术进步并不会孤立发生。供应链在支持 OEM 方面开展了大量工作，系统和组件专家都在更广泛的领域提供创新解决方案。

以电解电容器为例，这些微型组件经过发展改进，已经能够在电动汽车上发挥重要作用，作为高密度电力输送的可靠来源，具有较长的寿命周期和快速充电/放电时间。特别是混合铝聚合物电容器，它已成为汽车应用中极具前景的组件，聚合物和液体电解材料相结合，可为轻度混合动力汽车 48V 架构提供出色的电气性能。

事实上，最新的混合铝聚合物电容器最值得关注之处在于以小封装提供非常高的纹波电流能力，当与现有的 48V 汽车逆变器设计并联使用时，可以减少所需组件数量。最终，这种方案可以带来更精简、更高效的汽车设计。

低等效串联电阻的重要性

下面我们深入探讨混合铝聚合物电容器的设计和性能特点及其在汽车行业中的应用。与传统电解电容器一样，这些器件在金属罐中包含铝箔和纸的缠绕结构。电容器的创新来自于电解质，它结合了传统的液体（wet liquid）和现代导电聚合物（图 1）。聚合物提高了电导率并降低了等效串联电阻 (ESR)，而湿电解质则使接触表面积最大化，并增大了电压耐受性。

图 1：混合铝聚合物电容器结构。

这些先进材料和混合结构的组合产生了一些改变游戏规则的好处。等效串联电阻是一个关键参数，因为它直接影响电容器的峰值纹波能力，以及它的发热和温度性能。下图展示了在整个频率范围内，与传统电解质相比，混合结构电池的串联电阻极低（参见图 2）。

图 2：混合结构和传统电解电容器的 ESR 性能比较。

当这些电容器在其纹波吸收极限值工作时，混合结构设计的超低 ESR 可显著改善发热。高纹波电流的瞬态仿真表明混合结构设计的温度可降低 20℃（参见图 3）。

图 3：混合结构和传统电解电容器的纹波电流温度比较。

在电动汽车等特定案例中，负载可变性和电压调节给工程师带来了巨大的设计挑战。车载计算机、发动机控制单元、DC/DC 转换器和 48V 逆变器等需要在严苛环境条件下进行纹波稳定和电源去耦。在高纹波条件下，混合结构铝电容器的温度性能使其非常适合于在严苛环境中敏感下游电子设备需要适当平滑和电源去耦的应用。

除了温度性能，汽车应用还需要高可靠性才能满足 AEC-Q200 标准。在某些情况下，热冲击会导致电容器内部的氧化层产生缺陷，从而导致泄漏电流过大。然而，混合结构聚合物电容器具有软自愈机制，液体电解质的存在允许氧化物的电化学生长。该过程不需要达到特定的最小电流，并且可以在相对较低的局部电流密度下进行，从而可以顺利恢复任何缺陷。因此，能够稳定泄漏，电容器的可靠性得到有效保证。

把这些牢固的机制与防振安装结构相结合，可以轻松满足汽车认证，其额定寿命可超过 3,000 小时，抗震性达30g，工作温度范围为 -55～ +125℃。还值得注意的是，尽管混合结构电容器比传统电容器较为昂贵，但它们强大的性能允许更严格的额定裕度，并且能够以具有价格竞争力的设计实现在额定值 90% 时可靠运行。

混合电容器产品动态

由于混合电容器在汽车应用中具有如此明显的巨大潜力，KEMET 开发了一系列新产品来满足市场需求。所有这些符合 AEC-Q200 标准的电容器都具有高功率密度和低泄漏特性，并采用不同的紧凑型设计封装，可为工程师提供了更大灵活性和选择余地。

PHA225 为轴向架构，采用极化全焊接设计，镀锡铜质引线，负极连接至外壳。 PHA225 绕组装在圆柱形铝罐中，带有高纯度铝盖和耐用的橡胶垫圈。而PHH225 的不同之处在于它包含一个径向表冠，可以将其安装在直立位置。

PHA 和 PHH 225 都具有较小尺寸和单位体积的高纹波电流，在面向汽车和工业技术的设计应用中这些都是非常有价值的属性。通过在现有的 48V 汽车逆变器设计中并联使用体积更小、功率密度更高的混合结构铝电容器，可以减少所需组件的数量，并保持高纹波电流性能。PHA 和 PHH都非常适合于大功率汽车应用，包括48V 逆变器、冷却风扇、水泵、动力转向以及制动和喷射系统的直流链路（DC-Link）等。

这两个组件还可提供其他值得注意的性能特征，包括在 +125℃下超过 3,000 小时的运行时间、高达 140℃的高温特性、高达 40Arms的电流、连续负载和自愈行为等功能。

下面介绍一下 A780 系列（参见图 4），它是 KEMET 首次发布的表面贴装 (V-Chip) 混合结构铝聚合物电容器。该电容器系列可承受剧烈振动（高达 30g），满足汽车动力总成等应用的严格设计要求，包括发动机控制单元、DC/DC 转换器、MHEV 的 48V 逆变器、开关模式电源和计算机稳压模块等。