วิวัฒนาการของเทคโนโลยีตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม: การสนับสนุนหลักสำหรับระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าในยานพาหนะพลังงานใหม่

เนื่องจากระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าของยานพาหนะพลังงานใหม่ค่อยๆ อัปเกรดไปสู่แรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นและความถี่ที่สูงขึ้น ตัวเก็บประจุ DC-Link ในฐานะ "ตัวจ่ายพลังงาน" ในตัวควบคุมมอเตอร์ ประสิทธิภาพของมันจะกำหนดขอบเขตประสิทธิภาพและเพดานความน่าเชื่อถือของระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าโดยตรง เนื่องจากข้อจำกัดโดยธรรมชาติของตัวเก็บประจุไฟฟ้าแบบดั้งเดิม จึงค่อยๆ ถูกแทนที่ด้วยตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม การทดแทนเทคโนโลยีที่เงียบงันนี้สะท้อนให้เห็นถึงตรรกะเชิงลึกของวิวัฒนาการที่ประสานกันของส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์กำลังและสถาปัตยกรรมของยานพาหนะ และยังส่งเสริมการอัพเกรดทางเทคโนโลยีของส่วนประกอบที่เชื่อมต่อที่เกี่ยวข้อง

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

เนื่องจากแพลตฟอร์มแรงดันไฟฟ้าสูง 800V- กลายเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรม ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มซึ่งมีโครงสร้างวัสดุและคุณสมบัติทางกายภาพที่เป็นเอกลักษณ์ จึงได้ปรับโฉมเค้าโครงส่วนประกอบของระบบไฟฟ้าในยานพาหนะพลังงานใหม่ ไม่เพียงแต่แก้ปัญหาข้อบกพร่องด้านอายุการใช้งานของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าในสถานการณ์แรงดันไฟฟ้าสูง- แต่ยังให้แหล่งบัฟเฟอร์พลังงานที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการสลับความถี่สูง-ของอุปกรณ์จ่ายไฟซิลิคอนคาร์ไบด์ผ่าน ESR ที่ต่ำกว่า (ความต้านทานอนุกรมที่เทียบเท่า) และความจุกระแสต่อต้าน-ที่สูงกว่า Busbar Systems ซึ่งเป็นตัวพาหลักในการส่งผ่านพลังงาน มีความเข้ากันได้แบบปรับเปลี่ยนได้กับตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม กลายเป็นทิศทางสำคัญสำหรับการเพิ่มประสิทธิภาพของระบบ

ระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าของรถยนต์พลังงานใหม่กำลังอยู่ระหว่างการพัฒนาประสิทธิภาพแบบก้าวกระโดดจาก "เพียงพอ" ไปสู่ ​​"สูงสุด" เมื่อความถี่สวิตชิ่งของตัวควบคุมมอเตอร์เกิน 20kHz และแรงดันไฟฟ้าบัสสูงเกิน 800V ข้อจำกัดของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าแบบเดิมจะมีความโดดเด่นมากขึ้น ในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง- 125 องศา อายุการใช้งานของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าจะลดลงเหลือ 15% ของสถานะอุณหภูมิปกติ ในขณะที่ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มยังสามารถรักษาประสิทธิภาพการทำงานเริ่มต้นได้มากกว่า 80% ความแตกต่างนี้จะเห็นได้ชัดเจนโดยเฉพาะในสถานการณ์ที่มีแรงดันไฟฟ้าสูง-

แพลตฟอร์มไฟฟ้าแรงสูง-มีข้อกำหนดที่เข้มงวดสำหรับเทคโนโลยีตัวเก็บประจุ "สำหรับแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นทุกๆ 100V เส้นโค้งอายุการใช้งานของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าจะลดลงไปอีกระดับ" ซึ่งเป็นกฎเกณฑ์ที่ได้รับการยอมรับอย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรม ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มใช้ตัวกลางโพลีโพรพีลีน (PP) หรือโพลีเอสเตอร์ (PET) ซึ่งมีความเป็นฉนวนมากกว่า 200V/um ซึ่งมากกว่าตัวกลางอะลูมิเนียมออกไซด์ของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าถึง 3-5 เท่า ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มตัวเดียวสามารถทนต่อแรงดันไฟฟ้าที่ใช้งานได้มากกว่า 1,000VDC ในขณะที่ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้ามักจะต้องใช้การเชื่อมต่อหลายชุดเพื่อให้ได้ระดับแรงดันไฟฟ้าที่เท่ากัน ที่ระดับการเชื่อมต่อไฟฟ้า บัสบาร์ลามิเนต EV ซึ่งมีประสิทธิภาพเป็นฉนวนที่ดีเยี่ยมและความสามารถในการรับกระแสไฟ กลายเป็นโซลูชันที่ต้องการสำหรับการเชื่อมต่อตัวเก็บประจุแบบฟิล์มและระบบขับเคลื่อนไฟฟ้า ซึ่งช่วยลดการสูญเสียของวงจรได้อย่างมีประสิทธิภาพ

การแพร่หลายของอุปกรณ์จ่ายไฟซิลิกอนคาร์ไบด์ (SiC) ได้ผลักดันความถี่ในการสวิตชิ่งให้สูงขึ้นใหม่ เมื่อความถี่สวิตชิ่งถึง 50kHz อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าจะสูงกว่าอุณหภูมิของตัวเก็บประจุแบบฟิล์มอย่างมาก ส่งผลให้ค่าเผื่อกระแสกระเพื่อมของพวกมันลดลงอย่างมีนัยสำคัญ โครงสร้างอิเล็กโทรดเคลือบโลหะของตัวเก็บประจุแบบฟิล์มช่วยให้ประสิทธิภาพไดอิเล็กตริกคงที่ที่ความถี่สูง ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบหลักในการปรับให้เข้ากับระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าความถี่สูง- ในทางวิศวกรรมเชิงปฏิบัติ ความยืดหยุ่นของรูปแบบตัวเก็บประจุแบบฟิล์มนำมาซึ่งความสะดวกสบายอย่างมาก ช่วยให้สามารถวางตำแหน่งใกล้กับโมดูลพลังงานได้ และควบคุมการเหนี่ยวนำของวงจรในระดับที่ต่ำมาก ตัวเชื่อมต่อ Busbar ให้การรับประกันการเชื่อมต่อที่เชื่อถือได้สำหรับรูปแบบที่กะทัดรัดนี้ ซึ่งช่วยลดการสูญเสียประสิทธิภาพที่เกิดจากการเหนี่ยวนำปรสิต

ในการสั่นสะเทือน การหมุนเวียนของอุณหภูมิ และความเครียดรวมของสภาพแวดล้อมของยานพาหนะพลังงานใหม่ ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มแสดงให้เห็นถึงประสิทธิภาพที่แท้จริงเกินกว่าพารามิเตอร์ทางทฤษฎีมาก จากมุมมองของความน่าเชื่อถือ ในการทดสอบการสั่นสะเทือนแบบสุ่มในช่วง 20 ถึง 2000Hz อัตราความล้มเหลวของตัวเก็บประจุแบบฟิล์มจะต่ำกว่าอัตราความล้มเหลวของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้ามาก โครงสร้างที่เป็นของแข็งไม่มีอิเล็กโทรไลต์ของเหลว หลีกเลี่ยงการแยกวัสดุภายในที่เกิดจากการสั่นสะเทือนทางกล ที่ - การเริ่มเย็นที่ 40 องศา อัตราการเก็บรักษาความจุของตัวเก็บประจุแบบฟิล์มจะสูงกว่า 95% ในขณะที่ตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าจะลดลงอย่างมาก ซึ่งส่งผลโดยตรงต่อเสถียรภาพของแรงดันบัสในสภาวะอุณหภูมิต่ำ นอกจากนี้ เมื่อตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าล้มเหลว ตัวเก็บประจุอาจระเบิดหรือมีการรั่วไหลของอิเล็กโทรไลต์ ในขณะที่ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มมักจะแสดงความจุลดลงทีละน้อย และไม่ทำให้เกิดข้อผิดพลาดทุติยภูมิ ข้อได้เปรียบด้านความปลอดภัยนี้ยังกำหนดข้อกำหนดที่สูงขึ้นสำหรับบัสบาร์ตัวเก็บประจุที่ตรงกัน

ในแง่ของประสิทธิภาพทางไฟฟ้า ความสามารถในการจัดการกระแสกระเพื่อมเป็นตัวบ่งชี้สำคัญที่ทำให้ตัวเก็บประจุแบบฟิล์มแตกต่างจากตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า ในระบบ 800V ความหนาแน่นกระแสกระเพื่อม RMS ของตัวเก็บประจุแบบฟิล์มสามารถสูงถึง 50A/cm² ซึ่งเท่ากับ 2-3 เท่าของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าที่มีปริมาตรเท่ากัน- สาเหตุหลักมาจากผลกระทบที่ผิวหนังลดลงของอิเล็กโทรดที่เคลือบด้วยโลหะ มุมการสูญเสียอิเล็กทริกของโพลีโพรพีลีนที่ต่ำมาก และการกระจายกระแสไฟที่เหมาะสมของโครงสร้างแบบแบ่งส่วนหลายชั้น

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ควรสังเกตว่าแม้ว่าตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้าจะมีความจุระบุที่ใหญ่กว่า แต่กระแสริปเปิลที่มีอยู่จริงอาจต่ำกว่า ซึ่งเป็นกับดักที่มองข้ามได้ง่ายในกระบวนการคัดเลือกอุตสาหกรรม การออกแบบที่เหมาะสมของบัสบาร์ตัวเก็บประจุลิงก์ DC- ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการกระจายกระแสไฟให้เหมาะสมยิ่งขึ้น และใช้ประโยชน์จากข้อดีด้านประสิทธิภาพของตัวเก็บประจุแบบฟิล์มได้อย่างเต็มที่
ความนิยมของตัวเก็บประจุแบบฟิล์มไม่เพียงแต่เป็นผลมาจากความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีเท่านั้น แต่ยังเป็นผลจากการอัพเกรดเทคโนโลยีห่วงโซ่อุปทานอีกด้วย ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา กำลังการผลิตตัวเก็บประจุแบบฟิล์มสำหรับรถยนต์ไฟฟ้าทั่วโลกเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่อง ในขณะที่ราคาก็ลดลงอย่างต่อเนื่อง

 

ปรากฏการณ์ "ปริมาณที่เพิ่มขึ้นและราคาลดลง" ที่อยู่เบื้องหลังเหตุการณ์นี้คือความก้าวหน้าสองประการในกระบวนการผลิตวัสดุและประสิทธิภาพการผลิต มุมมองแบบดั้งเดิมถือว่า-ราคาอนุภาคเดี่ยวของตัวเก็บประจุแบบฟิล์มสูงกว่าราคาของตัวเก็บประจุด้วยไฟฟ้า แต่จากมุมมองของการคำนวณต้นทุนในระดับระบบ- ข้อดีของตัวเก็บประจุแบบฟิล์มนั้นชัดเจนมาก: การปรับปรุงความหนาแน่นของพลังงานนำไปสู่การลดการใช้งาน -การออกแบบที่ไม่ต้องบำรุงรักษาช่วยลดค่าใช้จ่ายในการตรวจจับและเปลี่ยนตามปกติ ESR ที่ลดลงจะช่วยลดภาระในระบบทำความเย็น และความน่าเชื่อถือสูงจะขยายระยะเวลาการรับประกันของระบบขับเคลื่อนไฟฟ้า ซึ่งช่วยเพิ่มทางอ้อม มูลค่าแบรนด์ผลิตภัณฑ์ โดยรวมแล้ว ต้นทุนตลอดวงจรชีวิตทั้งหมดมีข้อได้เปรียบมากกว่าจริงๆ

เนื่องจากอัตราการเจาะของแพลตฟอร์ม 800V ยังคงเพิ่มขึ้น ตัวตัวเก็บประจุแบบฟิล์มเองก็กำลังเผชิญกับการเปลี่ยนแปลงทางเทคโนโลยีเช่นกัน โซลูชัน "ตัวเก็บประจุแบบไฮบริด" ที่เกิดขึ้นใหม่ผสมผสานความทนทานต่อแรงดันไฟฟ้าสูงของตัวเก็บประจุแบบฟิล์มและความจุสูงของตัวเก็บประจุแบบซุปเปอร์ และได้ถูกนำไปใช้ในรถยนต์ระดับไฮเอนด์-บางรุ่น ในแง่ของนวัตกรรมด้านวัสดุ มีความก้าวหน้าที่สำคัญในการวิจัยและพัฒนาสื่อคอมโพสิตนาโน- โครงสร้างอิเล็กโทรดสามมิติ- และเทคโนโลยีการรักษาตัวเอง- ข้อมูลในห้องปฏิบัติการแสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีใหม่เหล่านี้สามารถลดปริมาตรของตัวเก็บประจุได้อย่างมาก ขณะเดียวกันก็ปรับปรุงอายุการใช้งานในเชิงคุณภาพด้วย

ในระดับการรวมระบบ แนวคิดของ "ตัวเก็บประจุเป็นส่วนประกอบโครงสร้าง" กำลังขัดขวางการออกแบบแบบดั้งเดิม โดยใช้ปลอกตัวเก็บประจุเป็นแผ่นฐานกระจายความร้อนของโมดูลพลังงาน การใช้ตัวตัวเก็บประจุเพื่อสร้างช่องป้องกันแม่เหล็กไฟฟ้า และใช้พินตัวเก็บประจุเป็นตัวรองรับทางกลสำหรับบัสบาร์ การบูรณาการเชิงลึกนี้ช่วยให้ความหนาแน่นของกำลังของระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้ามีศักยภาพที่จะบรรลุถึงความก้าวหน้า โดยปูทางไปสู่การออกแบบแชสซีขนาดกะทัดรัดพิเศษ-รุ่นต่อไป การใช้ Insulated Busbar สำหรับตัวเก็บประจุ EV ช่วยเพิ่มความน่าเชื่อถือของฉนวนและการรวมระบบ โดยปรับให้เข้ากับกระบวนทัศน์การรวมใหม่นี้

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

จากการปฏิบัติทางอุตสาหกรรม ความน่าเชื่อถือของตัวเก็บประจุแบบฟิล์มค่อยๆ เหนือกว่าด้านอื่นๆ ของระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า ซึ่งไม่ใช่ปัญหาคอขวดทางเทคนิคอีกต่อไป แต่เป็นตัวก่อให้เกิดนวัตกรรมทางสถาปัตยกรรม ส่วนประกอบที่เกี่ยวข้องกับ Busbar- เช่นยานยนต์ บัสบาร์และแถบกระจายกำลังของตัวเก็บประจุ EV ยังได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่องในการพัฒนาความร่วมมือกับตัวเก็บประจุแบบฟิล์ม โดยร่วมกันส่งเสริมการอัพเกรดระบบขับเคลื่อนไฟฟ้าของรถยนต์พลังงานใหม่ให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้น ความน่าเชื่อถือสูงขึ้น และความกะทัดรัดมากขึ้น