理论教育 汽车电子中常用电容元件的应用

汽车电子中常用电容元件的应用

时间:2023-10-07 理论教育 版权反馈
【摘要】:车用电容器主要有两大类:传统电容和超级电容。通过采用这类产品,还可以减少设计中所使用的解耦电容器的数量。汽车部件的辅助能源 除了用于动力驱动系统外,超级电容在汽车零部件领域也有广泛的应用。例如,未来汽车设计使用的42V电系统,如果使用长寿命的超级电容,可以使得需求功率经常变化的子系统性能大大提高。

汽车电子中常用电容元件的应用

汽车电子不断向前发展,对无源器件的要求也越来越高,新产品(推出时间为3年或少于3年的产品)推出的频率也在加快,以电容为代表的车用无源器件可按具体应用来分类,一是用于汽车控制系统本身,二是用在车载设备上。无论是什么应用,人们都总是希望使电路变得更小、更便宜和更加可靠。车用电容器主要有两大类:传统电容和超级电容。

1.传统电容

电容的种类有很多,可以从原理上分为:无极性可变电容、无极性固定电容、有极性电容等,从材料上可以分为:CBB电容(聚乙烯),涤纶电容、瓷片电容、云母电容、独石电容、电解电容、钽电容等。在汽车电子产品中的应用主要体现在以下几个方面:

1)低电感解耦电容器通过降低总体PCB阻抗和缩小PCB尺寸,帮助设计师满足当今汽车对EMC的严格要求。通过采用这类产品,还可以减少设计中所使用的解耦电容器的数量。

2)高器件密度电容器阵列在节省空间方面的表现更是可圈可点,可替代并行总线和冗余系统电路中的分立电容器,广泛用于引擎控制单元、娱乐系统和智能模块。四单元电容器阵列通常采用0508和0612封装,额定电压最高达100V。

3)汽车具有多种在高温和恶劣环境下运行的电子模块,如变频器/转换器电路、发动机控制和水泵应用等。厂商已开发出150℃陶瓷和175℃钽电容器的微型与可靠版本,以满足上述高温应用的需求。此外,厂商还开发出了新型端接材料系统,可以大大改善陶瓷电容器的温度循环性能。

4)在车载娱乐和导航设备应用上,多层陶瓷电容器(MLCC)的市场发展越来越引人注目,其高容量、小型化、多功能和无铅等特点正不断加快替代铝电解电容器的步伐。

2.超级电容(www.daowen.com)

超级电容器(supercapacitor),又叫双电层电容器(Electrical Double-Layer Capacitor)、黄金电容、法拉电容,通过极化电解质来储能。它是一种电化学元件,但在其储能的过程并不发生化学反应,这种储能过程是可逆的,因此,超级电容器可以反复充放电数十万次。

超级电容器在分离出的电荷中存储能量,用于存储电荷的面积越大、分离出的电荷越密集,其电容量越大;传统电容器是用绝缘材料分离它的两极板,一般为塑料薄膜、纸等,这些材料通常要求尽可能薄。超级电容器的面积是基于多孔炭材料,该材料的多孔结构允许其面积达到2000m2/g,通过一些措施可实现更大的表面积。超级电容器电荷分离开的距离是由被吸引到带电电极的电解质离子尺寸决定的。该距离和传统电容器薄膜材料所能实现的距离更小。这种庞大的表面积再加上非常小的电荷分离距离使得超级电容器较传统电容器而言有惊人大的静电容量,这也是其“超级”所在。超级电容在汽车上的应用主要在以下几个方向:

(1)电动汽车的辅助动力 汽车频繁的起步、爬坡和制动造成其功率需求曲线的变化很大,在城市工况下更是如此。一辆高性能的电动汽车的峰值功率与平均功率之比可达16∶1。但是这些峰值功率的特点是持续时间一般都比较短,需求的能量并不高。对于纯电动、燃料电池和串联混合动力汽车而言,这就意味着:要么汽车动力性不足,要么电压总线上要经常承受大的尖峰电流,这无疑会大大损害电池、燃料电池或其他APU的寿命。但如果使用比功率较大的超级电容,当瞬时功率需求较大时,由超级电容提供尖峰功率,并且在制动回馈时吸收尖峰功率,那么就可以减轻对辅助电池、燃料电池或其他APU的压力。从而可以大大增加起步、加速时系统的功率输出,而且可以高效地回收大功率的制动能量。这样做还可以提高蓄电池(燃料电池)的使用寿命,改善其放电性能。

除此之外,采用超级电容还能在设计(选择)蓄电池等动力部件时,着重于其比能量和成本等问题,而不用再过多考虑其比功率问题。通过扬长避短,可以实现动力源匹配的最优化

(2)动力驱动结构 超级电容作为唯一动力源的电动汽车驱动结构较简单,而且目前技术还不成熟。所以一般都是把超级电容作为辅助动力源,与电池、燃料电池或其他APU系统组成多能源的动力总成来驱动车辆。常见的结构组合形式有:B+C,FC+C,FC+B+C,ICE/G+C等。(其中B代表电池、C代表超级电容、FC代表燃料电池、ICE代表内燃机、G代表发电机),这些结构都属于串联式混合驱动结构。

由于超级电容器存储的能量和电压的平方成正比,所以超级电容器由荷电状态所决定的端电压将在一个很宽的范围内变化。例如,如果超级电容器被放电75%,那么电容器的端电压将减少到初始电压的50%。为了控制电容器的能量输入输出,协调超级电容电压和电池电压,必须要使用DC-DC变换器。

(3)汽车部件的辅助能源 除了用于动力驱动系统外,超级电容在汽车零部件领域也有广泛的应用。例如,未来汽车设计使用的42V电系统(转向、制动、空调、高保真音响、电动座椅等),如果使用长寿命的超级电容,可以使得需求功率经常变化的子系统性能大大提高。另外,还可以减少车内用于电制动、电转向等子系统的布线。而且,如果使用超级电容来提供发动机起动时所需要的大电流,那么不仅能保护电池,而且即使是在低温环境和电池性能不足的条件下也能顺利实现起动。

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