混合动力和燃料电池汽车上的电力电容器.doc

转换动力汽车上的新兴技术混合动力和燃料电池汽车上的电力电容器HEV动力汽车的核心是高效电力驱动器。它需要一个紧凑、低损耗、性价比高的DC-Link电容器，其母线电压可达1000VDC,容量值可达3000uF。系统的发展表明了一个上升的趋势,目前在额定容量范围是5001000uF的基础上，额定直流电压可以达到650V。因此，HEV转换器的设计师们一直在试图寻找一个可以替代电解电容器（它的优势是CV值高，但是额定电压低于450V）的元器件，目前是选择薄膜电容器和金属化聚丙烯薄膜电容器。然而，MKP电容器相对低的温度等级标准（85C以内）以及它的大体积，也致使设计师们到现在都无法完全用它来替代。一个新的DC-Link电容器技术克服了这些缺点，它使电容器的电压标准上升到1000VDC，使用温度达到125（短时间可达135），并最大化了体积填充系数。这是一篇关于成功应用于混合动力汽车逆变电源上的电力电容器的各种设计的文章。新一代逆变电源的电容器要有紧凑的尺寸、可耐高温、能承受糟糕的安装条件和苛刻的电性能要求。而这些设计满足了这些细节。挑战 IGBT(绝缘栅双晶体管)逆变器在电容器技术上的主要难题是使其能承受残酷的环境因素、热电流带来的高能量、且系统连接部分也必须具备高灵活性。另外，在尺寸方面有时也有一定的限制。除此之外，还必须考虑产品设计和产品本身发展之间需要强调的成本设计问题。这种电容器家族的新成员叫PCC。它采用在PEC形式下特别平整无皱的卷绕技术。这种技术不仅保证了高体积填充率，还优化了逆变器的设计。它通过把总线集合到电容器模块，使它的自感降低到20nH以下，避免了在必要开关频率下的震荡效应。因此，用来并联在DC-Link电容器系列上的昂贵的去耦电容就不再需要了。如果金属外壳能因为它优异的电磁屏蔽特性而被采用，就可以在很大程度上减小对电磁干扰滤波器的需求。突出的要求IGBT逆变器在纹波电流和最大冲击电流足够大的时候，通常都需要极其低的总线电感，特别是混合动力汽车上的IGBT模块。当然，HEV逆变器上的DC-Link电容器的温度指标计算是建立在特定的数据表格基础上的，这些数据主要来源于汽车。然而，在这个领域仅仅通过精确的模拟和后期细节上的测试是否就能避免设计上的失误和问题呢?新的控制理念允许较低容量值的DC-Link电容器。这样，一方面使得自愈性的薄膜电容器比电解电容器更具竞争力，另一方面也提出了相应的热电流负载能力。在图2中，一个概要的方法的解释了一种预期的要求，它也可能用来作为电容器草图设计的依据。在汽车引擎罩下发动机上的安装方式是众所周知的，这需要高达125的温度等级。在整个系统的温度设计中综合考虑其可靠性和预期寿命，这是减小电容器体积需要考虑的因素中最主要的一个。电容器上的温度加载方式可分为缓慢温度变化和温度冲击。温度冲击测试一般是在两个温度之间，比如-40到105/125，循环100次以上（最多可达1000次）。参数引擎上面引擎盖下面底盘温度等级40到16540到12540到70振动凹陷30g混合3g噪音2g冲击达到100g达到20g达到5g(g为重力加速度)汽车上应用的标准在电压对动力电池组系统干扰上没什么限制，然而一个低的纹波电压对于PCC的研发来说象征着一个额外的挑战，这也意味着将来要努力提高电容密度。发展趋势不断提高的额定电压水平混合动力汽车和燃料电池汽车的发展展示了一个额定电压不断提高的趋势。现在已普遍达到在容量0.5mF和1.5mF基础上加650VDC的水平。现代HEV逆变器设计策略主要围绕着PCC中新的选择项，淘汰曾经流行的电解电容器，它具有在450VDC下高CV值的优势。提高HEV逆变器的功率密度然而系统设计者经常面临着在一个更小的系统体积内提高输出功率的挑战，这个问题可以通过下列的方法来解决。通过提高大的DC-Link电容器的体积填充率。体积填充率的影响经常被低估，因为即使现行的黑匣子里填充的是接近完美卷绕形状的芯子，也并不代表所有在其中的电介质都会发挥作用。这样，必然的结果不是降低设计时膜的厚度以及减少电容器正常的预期寿命（与VFF1的PCC相比较），就是（设计后）功率/体积只达到次优化的关系。图3是根据对在体积为L*W*H=180*100*50立方毫米的黑匣子中，容量为1mF的一些不同电容器寿命数据的收集展示了VFF的影响。在提高额定电压的同时，电容器的体积是有一定规则的，象图二看到的如果额定电压或设计电压降低，电容器所需要的体积将会减小。但这对于这篇论文所讨论的议题，几乎没有影响。因为目前的趋势是，减小HEV逆变器上DC-links电容器的容量值（提高额定电压）。提高电流，例如，由于较高的开关频率解释了为何连接系统上的线圈电感和电感损耗对于防止IGBT逆变器模块过热变得越来越重要。（也因此）在现今，电路的集成和温度传感器是必须的。逆变器的低电感设计要求其主要元件DC-links电容器要有极其低的电感，对PCC来说，这个要求是很容易满足的。DC-links电容器的功能像是一个能量储存器，可以平滑电压来给电流负载（逆变器，电网等），提供一个稳定的能量源。以下的设计准则是众所周知的：Cr太大的话，开关频率将会对其产生消极的影响（太慢）。而当Cr太小的话，逆变器会因为过压而无法被驱动。选择取决于薄膜电容器如PCC （的特点）图五可以看作是一些应用上的指导，一个逆变器或者APE系统该选择哪种电容器技术，是根据其特有的负载的详细情况而定的。在交替驱动汽车系统的各种方案中，理论上讲有三种电容器技术（除了镍氢电池和燃料电池）应该受到关注。这些不同的能量储存设备的技术细节在图六中给予了说明。我们注意到只有干式薄膜电容器，比如PCC，是可以不在电解液环境下工作的。它们用树脂灌封到合适的盒子里，并牢牢密封到逆变器的框架内。同时，其非绝缘的外观设计也是有用的，且所有这些东西都是环保的。图七是现行重要设计理念的一个例子。把PCC装在铝盒子里，这为它和逆变器在一起封装，提供了优秀的电磁兼容性。PCC由于要整合母线，将被简易安装到冷却面板上。可参照图八和图十三。一个大家都知道的电解电容器过渡到薄膜电容器的例子就是丰田的prius系统。Prius I汽车动力逆变器配备的就是电解电容器（图十）。Prius II汽车动力逆变器配备的是干式薄膜电容器（图十一）。为了减小体积、重量，同时降低成本，整个发展的趋势将会以机电系统的集成为主导。图12展示了第2代的PCC，它的设计正好是建立在这个理念基础上。一个新的PCC卷绕技术这项最近发展成熟的卷绕技术，可为使用金属化聚丙烯膜的PCC在动力帽尺寸范围内实现绝对平整无皱的叠层式卷绕，它能卷绕um以上的PP和1.5um以上的PET。见图15。PCC制作过程体现了其体积的灵活性和极其高的制作质量，用多边卷绕机的生产线可以同时卷4张金属化膜。对于高效生产来说，这是很重要的一点。平滑波浪分切相结合，通过一个小的定值错边和精确切伤的主电容，尽可能地扩大了有效接触面积。这种技术应用的结果是使电容器具有优异的抗脉冲和电流性能，从而摆脱了众所周知的低损耗MKP卷绕芯子潜在的薄膜边缘失效的问题。结论：PCC电容器芯子是建立在MKK技术基础上的，它是一种采用新的卷绕技术卷绕的干式、自愈性的金属化薄膜电容器芯子。这些电容器芯子可被当作一个完整的子系统来生产，如：和集合母线排一起。PCC为了给不断创新的逆变器提供优异的电性能而尽可能地被完善。和PCC一起的PE电路不需要加一个去耦电容器来获得最低的线圈电感值，PCC制作和生产工艺的采用和发展，使得HEV逆变器上的DC-links设备更加完美。这技术可以用来替代电解电容器。很明显，这种极其紧凑的电容器经常作为一个单独的模块制作。它是APE集成和小型化设计解决方法中最理想的一个。灵活的尺寸允许定做设计，满足了之前一些不可行的尺寸要求，并且还提供了优异的参数，像非常低的ESR和ESL。将来，其使用温