电动汽车中逆变器里的电容到底有什么特别
上半年COVID-19疫情的爆发,给IT设备领域创造了新的行业热点,但对交通出行行业造成了重创。从中国汽车工业协会(CAAM)的数据来看,今年一季度,乘用车销量相比去年同期降低了42.4%。上汽大众和上汽通用这一季的销量跌幅达到了50.4%和47.7%。但好的信号是,全国乘联会(CPCA)数据显示,3月份国内汽车销量虽然同比降低,但降幅已经远低于2月份的水平,表明市场正在回暖。另外,疫情之后的汽车市场,正从燃油车转向EV(电动汽车)或xEV(混合动力等类型的汽车)等新能源汽车。虽然油价在降,但国内针对汽车电动化保持着长期策略目标。国家在政策层面给予了新能源汽车以进一步的补贴刺激,国内至少10个城市发布刺激计划。比如广州宣布针对今年3-12月份新能源汽车销量,补贴10000元人民币;另外全国范围内,针对新能源汽车的补贴从原本的今年年底结束,延后至2022年。与此同时,针对新能源汽车的基建工作还在持续,典型如国家电网预计在2020年投资27亿元打造7.8万充电站。市场对于EV规模的扩大始终在持续,即便整个汽车行业从去年开始便受制于种种市场因素,EV带来的市场热点,对于市场参与者的诱惑仍然是不可忽视的。早前我们曾撰文提过电动车带来的各种市场新机遇:在这篇文章中,我们尝试从电容器来观察这一技术转变,探讨伴随汽车电动化趋势,电容器表现出的尖端技术转变。电动车核心部件进化电动汽车中,电容器的作用主要是阻断纹波电流、消除直流总线电压波动,另外还用于保护功率器件:典型如现在的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)。要理解当代电容技术,在其间发生的转变,还是需要首先看一看电动车内部构造上的变化,以及在此间电容器技术转变的关键位置。上面这张图是EV纯电动车的简单框图,内部完全不再使用内燃机引擎。在刹车制动时,电机可作为发电机存在,将动能转为电能的方式为电池充电。与此同时,对于不同形式的EV汽车而言,系统内都会有电池传输电流至高压组件,为汽车提供电动动力。其中,逆变器(Inverter)与DC-DC变换器,在整个车内是核心高压模块。逆变器将来自电池的直流电,转为电机所需的三相交流电。DC-DC变换器,则将车内马达(如刹车制动)产生的高压,转为典型的电池电压(如12V/20V)。这两者,再加上电池系统,就是电动车的核心要件,都有各自的设计挑战。以逆变器为例,逆变器内部的功率晶体管必须针对高压电流,进行无缝转换、开关、调节动作,而且是在高温这样的恶劣环境下。IGBT、WGB(宽禁带)、SiC、GaN一类技术也因此开始盛行,体现出市场参与者对功率及效率提升的要求。而且这些材料能够经受高温、高压。但与此同时,新技术的采用也给稳定、安全的设计带来了挑战。比如说GaN功率晶体管以极快的速度开关,那么系统设计就很大程度需要考虑EMI电磁干扰或者寄生电感导致的问题。DC-DC变换器的设计挑战也在于,传统硅器件要求采用昂贵的水冷系统。WGB宽禁带器件能够降低这方面的成本和需求,但也带来了一些潜在的安全问题――因为多个转换器应用要集成到单个模块中,增加了工作电压。从整个电动车的角度来说,电子元器件受到的挑战主要来自于:(1)电动车是基于高压电池系统的;(2)较快的充电速度,要求的高功率;(3)电动车内部子系统要求做到更小的体积,提升整个系统的组件密度;(4)随上述挑战,包括高频率驱动的转换器,以及各子系统尺寸缩减要求,造就的高温工作环境;(5)高可靠性要求――这原本就是车载系统的基本要求。尺寸越来越敏感的电容在汽车电动化的技术演进过程中,电力电子系统的集成化和小型化,始终是趋势。这是汽车电动化、数字化、网联化、智能化过程中的必由之路,因为汽车内部系统开始变得复杂,且空间越来越局限。过去30年,汽车内部的技术、解决方案都趋向于越来越高的功率密度。随汽车内部空间的紧张,及系统的复杂化,机电系统的整合,又不只是增加功率密度。器件、互联、散热等等共同构成了集合体,以降低电力电子系统的整体成本。其中一个非常关键的组成部分是被动器件,尤其是被提的很多的直流侧电容(DC-linkCapacitors)、电磁干扰过滤器、转换器电感等。尺寸缩减,外加更高的结构弹性,对温度的适应性,都是满足系统整合挑战的必要条件。上述功率器件新技术的发展,即是这一趋势的体现。而被动器件,更是电力电子系统成本和尺寸的重要组成部分,尤其是提供低阻抗DC环节、满足EMI限制需求的电容器,在其中占了很大一部分。针对这样的需求,能够具体落实的电容产品主要有三大类,分别是MLCC(多层陶瓷电容)、铝电解电容以及薄膜电容。MLCC有着较小的尺寸、较高的交流额定电流,而且工作温度可以很高――包括储能密度等参数也满足需求,但成本及机械敏感性可能会限制其在高压汽车DC环节的应用。铝电解电容有着最高的储能密度,但ESR(等效串联电阻)或者AC电流额定值不够理想。针对这些问题当然也都有改良方案,但在ESR抑制方面,由于实际特性的限制,额定电压、工作温度范围、ESR很难同时做到完全理想化。薄膜电容则在形态、尺寸方面展现出了明显比较高的弹性,在系统设计上会有较大的优势。DC环节薄膜电容作为逆变器中占用体积很大的一部分,更高的储能密度就显得相当重要。在EV系统中,电容需要在DC环节中担纲解耦、过滤器的角色。电解电容器相比薄膜电容器,需要高出许多的最小电容量,才能承受相同的电流值。从应对高RMS电流的角度来看,金属化薄膜电容(MetallisedFilmCapacitor)因此具备节省空间、节约成本的特性。而且如前所述,这种电容器在形态上明显更具弹性,环形、同轴,甚至在薄膜堆叠上直接钻孔都可行。这就让系统设计变得更为简单,可更轻松地满足电机本身的形状需求。理论上,影响储能密度的参数主要包括了最大工作场强、相关介电常数。不同的陶瓷电容器也存在温度稳定性,以及在直流偏置电压下介电常数骤降等问题。考虑到薄膜电容还有自我修复这样的能力,薄膜电容在上述场景下因此更是各种电容器中的优选。当然在实现电力电子系统减小体积的问题上,本身还有更多系统设计中需要关注的问题。而且薄膜电容的薄膜材料有较大的热膨胀系数――即随温度变化,尺寸会发生较大幅度的变化,这是必须考虑的问题。高温高压耐受/耐久性要求除了提升空间利用率之外,在实际应用中,薄膜电容作为针对电动车逆变器的滤波电容也表现出了相当大的优势。去年的CEATEC2019展会上,我们采访薄膜电容供应商之一的尼吉康时,尼吉康的工程师告诉我们:“薄膜电容器寿命比电解电容器长得多,可以达到20年以上;另外在电压等级方面,电解电容电压比较低,薄膜电容则电压高;电解电容受温度影响大――在温度变化时,其容量、损耗率会发生变化,而薄膜电容是非常稳定的。”一般来说,薄膜电容器所用不同的薄膜材料呈现出的耐热性、电容温度特性、交流击穿电压、尺寸等都有差异。耐热性比较出色的是PEN(聚苯二甲酸乙二醇)与PPS(聚苯硫醚)薄膜,成本相较PP(聚丙烯)、PET(聚酯)也会略高一些――其中PET可以做得更薄,相比PP可提供更高的相对介电常数。但总的来说,大容量、高耐压都是薄膜电容的特点――尼吉康也因此将其应用在电力电子行业。薄膜电容在面向汽车应用时,ESR、温度区间、成本、强度都是相对平衡的选择。其中还特别值得一说是尼吉康工程师所说的“寿命长得多”,毕竟器件的耐久性是车载组件的核心要求之一。除了自身寿命超长的特性,如前文所述,金属化薄膜电容的一大特色便是自我修复能力。尼吉康的金属化薄膜电容器是通过蒸镀的方式,在薄膜表面形成很薄的金属层作为电极。这种薄膜电容器的一大特点就是具有自我修复能力,如果电容内部有击穿损坏点,气化金属就能在损坏处形成气化集合面,达到自我修复的目的,避免短路、失效的问题,虽然会有较少的电容量损失。针对高可靠性的进一步提升,主流的电容器制造商也普遍有一些技术方案加成,比如说尼吉康为之加入的一种保险丝结构――这是一种蜂窝状的熔丝。通过这种结构,可将故障部分的电容器从电路中隔开,作为另一重可靠性方案。在汽车驾驶过程中,城市道路的加速和刹车等频繁动作,体现在逆变器上就是瞬间的大电流变化,电容需要频繁地充放电。考虑每200米就有一次加速或制动,则超过20万公里的行驶里程,就会有100万次主动的动力循环。显然薄膜电容的诸多特点,应对这样的使用场景显得非常得益。薄膜电容市场增长潜力有多大?从宏观市场数据来看,AlliedMarketResearch统计数据给出,预计到2026年薄膜电容器市场规模达到25.9亿美元,近7年的年复合增长率在2.5%左右,电动汽车系统是其中的最主要驱动力。这是在预料之中的。如果看更具体的企业行为,尼吉康的主营业务恰巧就包含了三大块,分别是铝电解电容器、薄膜电容器和电路产品。去年尼吉康的工作人员就向我们解释说,汽车和5G会成为尼吉康未来的发展重点。尼吉康的铝电解电容器在市场上还是相当知名的,在汽车领域的布局也比较广泛,我们在先前的文章中也比较详细地介绍过。对于薄膜电容器,尼吉康是将其作为业务成长潜力对待的。尼吉康恰好是观察EV市场发展中,电容器技术趋势的一个最佳窗口。在薄膜电容器方面,尼吉康官方介绍中列出的主要就是面向EV、针对逆变器的滤波电容,“薄膜电容器在高电压上的应用很理想”;而尼吉康传统强项的铝电解电容则“针对低中电压更为理想”,这两种电容器的配合,实现了面向电动车和各类需求。这家公司现有的的薄膜电容器产品已经应用在了电动车、混合动力车、高铁等传动系统领域。尼吉康很早之前就认为,薄膜电容器作为EV驱动发动机用逆变器的关键部件,未来随EV的普及,薄膜电容器在日本和海外的采用率会增大。所以去年尼吉康的工程师就告诉我们,针对薄膜电容器,尼吉康有在宿迁建立新厂,以及在日本草津做增产的计划。实际早在2011年,尼吉康就在宿迁开设了工厂专门制造和销售铝电解电容器。这次则是针对薄膜电容器制造,也要在宿迁工厂开工。考虑到汽车会成为尼吉康的重点发展对象,薄膜电容器应该也会是尼吉康未来实现业绩增长的热点。上个月月初,尼吉康(宿迁)有限公司薄膜电容器项目投产,计划总投资5.1亿元人民币,着力于新能源车用薄膜电容器,面向中国一线兴能源汽车整车制造商――这也是及尼康在日本以外的市场布局的第一条薄膜电容器生产线。尼吉康在去年年报中提到,预期电动及混合动力车所用马达驱动逆变器所需的薄膜电容,销售额将会翻番。从统计机构的数据,以及在电容器市场上更具代表性的尼吉康的决策及EV市场变化,便不难发现薄膜电容器未来的市场空间有多大。
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