Kondensatory MLCC wysokiego napięcia do układów napędowych pojazdów elektrycznych

Światowy rynek samochodowy przechodzi potężną transformację w kierunku pojazdów elektrycznych. Jak dotąd usprawniano układy napędowe w pojazdach z silnikiem spalinowym (IEC), aby sprostać przepisom dotyczącym emisji spalin. Przepisy dotyczące emisji, technologie poprawiające wygodę jazdy oraz autonomiczność jazdy prowadzą do elektryfikacji samochodów na coraz większą skalę. Wraz ze zwiększaniem się ilości układów elektronicznych wzrosło zużycie energii przez pojazd.. Napięcia akumulatorów zmieniają się, aby sprostać coraz wyższym wymaganiom w zakresie zużycia energii i są one związane z wydajnymi systemami zasilania. W niniejszym artykule omówimy technologie dla pojazdów elektrycznych wykorzystujące zastosowania wysokonapięciowe i przedstawimy samochodowe wielowarstwowe kondensatory ceramiczne (multilayer ceramic capacitor, MLCC) wysokiego napięcia firmy Samsung Electro-Mechanics.

Elektryfikacja pojazdu i napięcia akumulatorów

Wzrost napięcia akumulatora w samochodzie wiąże się z trendem elektryfikacji. Aby zrozumieć ten trend musimy najpierw przyjrzeć się jak zmieniało się napięcie akumulatora w pojeździe na przestrzeni lat. Przed połową lat 50. XX wieku napięcie robocze akumulatora w samochodzie wynosiło 6 V. Od tego czasu pojemność silnika wzrosła i wymagała dużego rozrusznika elektrycznego.  W odpowiedzi na potrzebę większej liczby urządzeń elektrycznych w samochodzie system 12 V stał się standardem. Historycznie, samochody na początku potrzebowały tylko małego akumulatora, aby uruchomić silnik i włączyć radio.

Jednak w miarę jak w pojazdach pojawiało się coraz więcej urządzeń elektrycznych, rosło zapotrzebowanie na więcej mocy. Odpowiadając na ten problem, zdecydowano o zwiększeniu napięcia z 12 V na więcej, aby możliwe było poradzenie sobie z większym zapotrzebowaniem na moc. W latach 90. XX wieku zaproponowano system 42 V, a w 2011 r. niemieccy producenci samochodów wprowadzili jako standard system 48 V. Od tego czasu samochody hybrydowe i pojazdy elektryczne zaczęły korzystać z wyższych napięć. Moc (Watt) to napięcie (V)* natężenie prądu (A). Przy zwiększaniu mocy wydajniejszym rozwiązaniem jest zwiększenie napięcia niż natężenia prądu. Przy wyższym natężeniu prądu potrzebne są grubsze kable i inne złącza. Obydwa te elementy mają wpływ na koszt oprzyrządowania. Stąd zamiast natężenia prądu zwiększane jest napięcie akumulatora.

Wzrost napięcia akumulatora, układ miękkiej hybrydy 48 V

Głównym powodem pojawienia się na początku XXI wieku układu 48 V były przepisy dotyczące emisji spalin. Producenci samochodów z silnikami spalinowymi musieli osiągnąć cele emisji, jednocześnie zwiększając wydajność paliwa poprzez usprawnienie układów napędowych. Miękka hybryda (MHEV) to prosty i niedrogi układ hybrydowy. Producenci samochodów woleli miękkie hybrydy, ponieważ były one proste w produkcji. W przypadku miękkiej hybrydy do istniejącego układu napędowego z silnikiem spalinowym dodaje się 48-woltową instalację elektryczną, a tym samym redukcja emisji spalin jest osiągana po niższych kosztach niż w przypadku pojazdu w pełni hybrydowego. Pozostaje jednak pytanie: czemu właśnie instalacja 48-woltowa? Ponieważ w wielu krajach instalacje 60-woltowe postrzegane są jako nisko napięciowe i bezpieczne dla człowieka. Ponadto linie telefoniczne od 100 lat korzystają z 48 V instalacji elektroenergetycznych, co również potwierdza bezpieczeństwo zastosowania takich instalacji w pojazdach.

Rozwiązania wysokonapięciowe w pojazdach elektrycznych

Podstawowa konfiguracja układu napędowego pojazdów elektrycznych składa się z akumulatora wysokiego napięcia, falownika i silnika elektrycznego. Układy napędowe pojazdów elektrycznych wykorzystują wysokie napięcie. Wydajność pojazdu elektrycznego jest związana z wydajnością przetwornicy DC/DC. W samochodach elektrycznych stosuje się różne rozwiązania w zakresie konwersji mocy, takie jak LDC, OBC i falownik. Do integracji podobnych rozwiązań stosowane są różne topologie przetwornic DC/DC. Na przykład, w celu integracji systemów opracowywane są ładowarki pokładowe (On Board Charger, OBC) i przetwornice niskiego napięcia DC/DC (Low-Voltage DC/DC Converter, LDC), które mają tę zaletę, że wykorzystują mniej komponentów i oszczędzają miejsce.

Wysokonapięciowy kondensator MLCC dla zagwarantowania niezawodności

Czym budowa wysokonapięciowego kondensatora MLCC różni się od zwykłego kondensatora MLCC? Środowiska wysokonapięciowe powinny gwarantować niezawodność. Kondensatory do zastosowań wysokonapięciowych są narażone na przebicie łukowe i wystąpienie zwarcia wewnątrz kondensatora MLCC. Pod wysokim napięciem wokół kondensatora MLCC tworzy się silne pole elektryczne, które jonizuje otaczające powietrze.  W szczególności silne pole elektryczne koncentruje się przy obu zaciskach kondensatora MLCC. Jeżeli zostanie przekroczone napięcie inicjacji zjonizowanego powietrza powstają łuki elektryczne, które ostatecznie prowadzą do zwarcia wewnątrz kondensatora MLCC. Zjawisku temu może zapobiec zabezpieczenie wewnątrz konstrukcji kondensatora MLCC.

Konstrukcja pływająca zmniejsza ryzyko zwarcia w przypadku pęknięcia kondensatora MLCC, jest jednak również przydatna w produktach wysokonapięciowych. Konstrukcja pływająca rozkłada napięcie, tak aby napięcie w kondensatorze MLCC wynosiło tylko połowę napięcia stosowanego na zaciskach. Na przykład jeżeli z obu stron kondensatora MLCC zastosowano napięcie 1000 V, dzięki zastosowaniu konstrukcji pływającej tylko 500 V stosuje się na warstwę dielektryczną kondensatora MLCC, co stanowi połowę 1000 V. Z perspektywy niezawodności jest to zdecydowanie zaleta, ponieważ pole elektryczne przyłożone pomiędzy warstwami dielektryka maleje. Napięcie oraz temperatura to kluczowe czynniki określające żywotność kondensatora MLCC.

Kondensator MLCC wysokiego napięcia firmy Samsung Electro-Mechanics gwarantuje niezawodność w zastosowaniach wysokonapięciowych. Dodatkowe informacje i szczegóły na temat asortymentu firmy można znaleźć na stronie internetowej, można również kliknąć (tutaj), aby wysłać wiadomość.