Vysokonapěťové vícevrstvé keramické kondenzátory MLCC pro hnací soustavy elektromobilů

Emisní předpisy, systémy pro zajištění komfortu a autonomní řízení urychlují také přechod k elektromobilitě. Jak se zvyšuje počet elektronických jednotek ve vozidle, roste i spotřeba elektrické energie. Zvýšené požadavky na ukládání elektrické energie a implementace účinných napájecích systémů vedou ke změně napětí baterie. V tomto článku budeme diskutovat o technice elektrických vozidel využívající vysokonapěťové systémy a představíme vysokonapěťové vícevrstvé keramické kondenzátory Auto MLCC (Multi-Layer Ceramic Capacitor) od firmy Samsung Electro-Mechanics.

Elektrifikace vozidel a napětí akumulátoru

Zvýšení napětí akumulátorů vozidel souvisí s trendem elektrifikace. Abychom jej pochopili, musíme se nejprve podívat zpět na to, jak se v historii měnilo napětí automobilových akumulátorů. Až do poloviny 50. let 20. století bylo provozní napětí vozidel 6 V. S tím, jak se zvětšoval zdvihový objem motoru, byl třeba i silnější elektrický startér. Vzhledem k potřebě napájet stále více elektronických zařízení se standardem stal 12V napájecí systém. Historicky první automobily potřebovaly pouze malou baterii, aby mohly nastartovat motor a zapnout rádio.

Avšak vzhledem k tomu, že se počet elektronických zařízení ve vozidle v průběhu času neustále zvyšoval, bylo třeba zvýšit také výkonovou kapacitu akumulátoru. Aby se tento problém vyřešil, proběhly diskuse o dalším zvýšení napětí z 12 V na systém s vyšším napětím, který je schopen vypořádat se také se zvýšenou spotřebou elektrické energie. V 90. letech byl navržen 42V systém a v roce 2011 němečtí výrobci automobilů standardizovali 48V systém. Poté přišly elektromobily a hybridní vozidla a začaly se používat systémy s ještě vyšším napětím. Výkon (W) je násobkem napětí (V) a proudu (A). Při zvyšování výkonu je výhodnější zvýšit napětí, a ne proud. Při zvýšení proudu jsou totiž nutné silnější kabely a rovněž je nutné použít silnější kontakty konektoru. To zvyšuje náklady na hardware. Takže místo zvyšování proudu bylo zvýšeno napětí akumulátoru.

Zvýšení napětí akumulátoru, 48V systém mild-hybrid

Hlavním důvodem, proč se v 10. letech 21. století objevil 48V systém, byla regulace emisí. Automobilky vyrábějící spalovací motory musely dosáhnout svých emisních cílů a zvýšit účinnost využití paliva zlepšením práce hnacích ústrojí. Mild-Hybrid Electric Vehicle (MHEV) měla být jednoduchá a levná hybridní vozidla. Důvodem, proč výrobci automobilů preferovali MHEV, bylo to, že bylo snadné je vyrábět. Systém MHEV lze vytvořit přidáním 48V systému s akumulátorem do stávajícího hnacího ústrojí spalovacího motoru. Snížení emisí lze dosáhnout za nižší cenu než u plně hybridního pohonu. Ale otázka zůstává: proč bylo zvoleno právě napětí 48 V? Důvodem je, že v mnoha zemích je napětí do 60 V považováno za nízké napětí, které není nebezpečné pro lidské tělo. Kromě toho telefonní linky již 100 let používají právě 48V napájecí systémy, což dále dokazuje jejich bezpečnost i pro elektromobily.

Použití vysokého napětí v elektromobilech

Základní konfigurace hnací jednotky plně elektrických vozidel se skládá z vysokonapěťového akumulátoru, měniče a elektrického motoru. Hnací ústrojí EV používají vysoké napětí. Účinnost elektrického vozidla je spojena zejména s účinností převodníku DC/DC. Elektromobily využívají různé způsoby konverze energie, jako jsou LDC (Low Voltage DC-DC Converter), OBC (On-Board Charger) a měniče. Pro integraci podobných systémů se používají různé topologie převodníku DC/DC. Například OBC a LDC mají výhodu ve snížení počtu komponent a úspoře prostoru.

Struktura kondenzátorů MLCC pro vysoké napětí zaručuje jejich spolehlivost

Jak se konstrukce kondenzátorů MLCC pro vysoké napětí liší od obecné konstrukce? V prostředí s vysokým napětím musí být zaručena vysoká spolehlivost. Kondenzátory MLCC pro vysoké napětí jsou vystaveny riziku obloukového výboje a zkratu uvnitř kondenzátoru. Pod vysokým napětím se kolem MLCC vytváří silné elektrické pole, které ionizuje okolní vzduch. Silné elektrické pole je soustředěno zejména na obou svorkách MLCC. Je-li překročeno průrazné napětí ionizovaného vzduchu, dojde ke vzniku obloukových výbojů, které nakonec vedou ke zkratu uvnitř MLCC. Tomuto jevu zabraňuje struktura stínění MLCC.

Plovoucí uspořádání elektrod kondenzátoru snižuje riziko zkratu, když dojde k prasknutí MLCC, ale je také užitečné z hlediska odolnosti proti vysokým napětím. Plovoucí uspořádání kondenzátoru distribuuje napětí tak, že napětí uvnitř MLCC je pouze poloviční ve srovnání s napětím na výstupních svorkách. Například když je na svorkách kondenzátoru napětí 1 000 V, zajistí sériové plovoucí uspořádání, že na vrstvách dielektrika je napětí jen 500 V. Je to výhoda také z hlediska spolehlivosti, protože se tím snižuje elektrické pole mezi dielektrickými vrstvami. Napětí spolu s teplotou jsou klíčovými faktory pro výpočet životnosti MLCC.

Vysokonapěťové kondenzátory MLCC společnosti Samsung Electro-Mechanics mají velkou spolehlivost i při vysokém napětí. Další informace a podrobnosti o sortimentu společnosti lze nalézt na webových stránkách. Otázky mohou čtenáři jednoduše položit kliknutím (zde) a poslat výrobci zprávu.