直流支撐鋁電解電容器在車載充電器中的應(yīng)用

電動(dòng)汽車(EV)市場(chǎng)的持續(xù)增長帶動(dòng)了車載充電器 (OBC) 的需求的快速發(fā)展。OBC不僅支持直流充電樁快速充電，還支持使用交流電源在合理的時(shí)間內(nèi)充電。這種系統(tǒng)目前的功率可達(dá)22kW，工作電壓可達(dá)800V。OBC的功能是按照電池管理系統(tǒng)的要求，將外部交流電壓轉(zhuǎn)換為特定的直流電壓。這種方法能節(jié)約電池并實(shí)現(xiàn)快速充電過程。尤其是在快速直流充電基礎(chǔ)設(shè)施尚不夠健全的偏遠(yuǎn)地區(qū)，OBC能有效提高人們對(duì)電動(dòng)汽車的購買欲。

考慮到系統(tǒng)的復(fù)雜性，OBC通常需要需要特定的大電容來穩(wěn)定為電池充電的直流電壓。鋁電解電容器滿足關(guān)鍵要求，比如具有高達(dá)500 V的額定電壓，最大820μF的大電容和在-40°C至105°C的工作溫度范圍內(nèi)的高紋波電流能力，是一種極具吸引力的解決方案。

車載充電器用鋁電解電容器面臨的挑戰(zhàn)

直流支撐電容器不僅要滿足系統(tǒng)的電容要求，還必須能耐受隨OBC功率密度穩(wěn)步提升而持續(xù)增加的紋波電流。而這會(huì)推高功率損耗，致使整個(gè)系統(tǒng)升溫，從而影響性能并縮短使用壽命。鑒于此，為提高競(jìng)爭力，必須配備一個(gè)同樣連接到直流支撐電容器的冷卻系統(tǒng)。為滿足這些要求，TDK針對(duì)OBC應(yīng)用開發(fā)了新的大尺寸型B43652*系列電容器，不僅專門優(yōu)化了底座冷卻方式，還完美結(jié)合了上述所有特性。

圖1：車載充電器的應(yīng)用挑戰(zhàn)

熱管理的原因

直流支撐電容器的正確選擇取決于若干參數(shù)。其中額定電壓 (VR) 由OBC的工作電壓決定，并且應(yīng)涵蓋平均值加峰值紋波電壓。對(duì)于電壓>500 V的系統(tǒng)，可以考慮串聯(lián)電容器。另外，額定紋波電流IR、所需使用壽命和工作溫度范圍則取決于OBC的任務(wù)配置。工作溫度范圍應(yīng)涵蓋整個(gè)使用壽命期間的預(yù)期環(huán)境溫度。

盡管某些要求是給定的并且難以更改，但某些特性可由供應(yīng)商或客戶進(jìn)行優(yōu)化。鋁電解電容器的使用壽命主要受其磁芯溫度的影響。通常，高紋波電流和環(huán)境溫度升高都會(huì)使得電容器明顯升溫，從而縮短使用壽命。參照阿倫尼烏斯公式的經(jīng)驗(yàn)法則，磁芯溫度沒增加10 K，電容器使用壽命會(huì)縮短50%。因此，在相同負(fù)載條件下降低磁芯溫度，能有效降低組件的ESR(等效串聯(lián)電阻)和優(yōu)化熱管理。TDK專門開發(fā)的B43652*系列是一種大尺寸電容器，能在整個(gè)壽命周期內(nèi)維持超低的ESR并改善內(nèi)部熱阻。其配備外部冷卻系統(tǒng)，在電容器的罐底和散熱片之間實(shí)現(xiàn)了高效的熱傳遞，極大地的改善了電容器的可用性，比如實(shí)現(xiàn)了高紋波電流能力，大幅延長的使用壽命。從經(jīng)濟(jì)性角度來看，相比于使用多個(gè)并聯(lián)電容器或具有更長的額定壽命的電容器設(shè)計(jì)，這種優(yōu)化更具優(yōu)勢(shì)。

圖2：影響使用壽命的關(guān)鍵因素

兼顧電容器冷卻的內(nèi)部設(shè)計(jì)

鋁電解電容器的內(nèi)部包含一個(gè)繞組元件，天生具有比徑向設(shè)計(jì)更好的軸向熱導(dǎo)率。增加底座冷卻選項(xiàng)后，B43652系列的軸向熱導(dǎo)率進(jìn)一步提高。繞組元件和罐底之間的直接金屬接觸明顯降低了從熱點(diǎn)到罐體的熱阻，同時(shí)罐底的穩(wěn)定性也得到了改善，能有效避免電容器在使用壽命期間內(nèi)發(fā)生膨脹，從而損壞這種熱連接?？紤]在電容器底部設(shè)置通風(fēng)孔容易被散熱片堵塞，因此特意改到電容器的側(cè)壁?？傊琓DK的新型B43652系列電容器是一種側(cè)面通風(fēng)的大尺寸電容器，專為OBC應(yīng)用而設(shè)計(jì)，具有底座冷卻選項(xiàng)。

圖3：鋁電解電容器的內(nèi)部設(shè)計(jì)及其對(duì)散熱的影響

關(guān)于設(shè)計(jì)的改進(jìn)詳情，請(qǐng)參見圖4。對(duì)于一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的35 x 40 mm電容器，軸向內(nèi)部熱阻為4.49 K/W;而側(cè)面通風(fēng)設(shè)計(jì)的B43652系列則降低到0.6 K/W。由于繞組元件與罐底之間采用金屬接觸，從磁芯到環(huán)境的總熱阻也從15.1 K/W降低到12 K/W，降幅達(dá)

圖4：以尺寸為35x40mm大型電容器為例，底部通風(fēng)孔(左)和側(cè)通風(fēng)孔設(shè)計(jì)(右)的Rth值比較

圖5為自然連接的底部通風(fēng)設(shè)計(jì)(左)和帶底座冷卻選項(xiàng)的側(cè)面通風(fēng)設(shè)計(jì)(右)的熱模擬(溫度和熱流)比較。

在85°C環(huán)境溫度下對(duì)每個(gè)電容器施加1 W的負(fù)載時(shí)，非冷卻版本的磁芯溫度達(dá)到106至109°C。而處于相同場(chǎng)景下的側(cè)通風(fēng)設(shè)計(jì)和帶底座冷卻選項(xiàng)的電容器版本，其散熱片的溫度為85°C，磁芯溫度僅比散熱片溫度高3k，為88°C。相比于非冷卻版本設(shè)計(jì)，溫度低了約20k，意味著延長了約200%的使用壽命。

通過熱通量模擬對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，帶底座冷卻選項(xiàng)的方案主要通過罐底傳熱。從軸向梯度可以看出，印刷電路板(PCB)側(cè)的傳熱較弱，底部傳熱較強(qiáng)。非冷卻版本則呈現(xiàn)另一個(gè)方向的梯度，傳熱主要發(fā)生在印刷電路板的方向。所以，非冷卻版本通過底部的熱通量較弱，而且中心電容器的熱通量也是不對(duì)稱的。同時(shí)，非冷卻版本的磁芯溫度也呈現(xiàn)了擴(kuò)散趨勢(shì)，這意味著具有更高磁芯溫度的中心電容器存在熱不不對(duì)稱，而帶底座冷卻選項(xiàng)的版本則沒有這樣的擴(kuò)散，顯著降低了溫升風(fēng)險(xiǎn)。

圖5：非冷卻標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)和帶冷卻選項(xiàng)的側(cè)通風(fēng)設(shè)計(jì)的電容器組的熱模擬

關(guān)于在OBC應(yīng)用中可實(shí)現(xiàn)的整體改進(jìn)，請(qǐng)參見圖6。通過兩個(gè)具有相同尺寸、額定電壓和額定電容的B43652系列電容器的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，相比與結(jié)構(gòu)相同的自然對(duì)流設(shè)計(jì)的電容器，帶底座冷卻選項(xiàng)的電容器的紋波電流能力要高出85%。自然對(duì)流設(shè)計(jì)的電容器的最大紋波電流IAC,max為6.11 a，而帶底座冷卻選項(xiàng)的電容器版本的紋波電流IAC,max則高達(dá)11.28 a。此外，在相同負(fù)載條件，兩個(gè)帶底座冷卻選項(xiàng)的電容器的使用壽命幾乎是四個(gè)非冷卻電容器的兩倍。

基于上述結(jié)果可以明顯看出，TDK的B43652*系列大尺寸電容器針對(duì)OBC應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，配備底座冷卻選項(xiàng)，能顯著減少直流支撐電容器組的數(shù)量，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)。

圖6：自然對(duì)流與帶底座冷卻選項(xiàng)的設(shè)計(jì)比較

審核編輯：湯梓紅