解決指南

Vol.2 在EV無線充電系統(tǒng)中的應(yīng)用

概要

隨著材料技術(shù)與積層技術(shù)的不斷精進(jìn)，在進(jìn)一步實現(xiàn)MLCC(積層貼片陶瓷片式電容器)小型化及大容量化的趨勢中，近年來，溫度補(bǔ)償用(種類1)MLCC的耐電壓與電容量的擴(kuò)大也得到了顯著發(fā)展。
由TDK開發(fā)的C0G特性·高耐壓MLCC是一款通過C0G特性，在行業(yè)最高等級的廣電容量范圍(1nF～33nF)內(nèi)實現(xiàn)了1000V耐電壓的產(chǎn)品。在諧振電路等用途中，以往使用薄膜電容器的領(lǐng)域中也逐漸被MLCC所取代。
以下就將該C0G特性·高耐壓MLCC的特點，以及在EV無線充電系統(tǒng)中替換薄膜電容器及其優(yōu)點為中心進(jìn)行說明。

替換為MLCC的事例：EV無線充電系統(tǒng)

無線充電在包括智能手機(jī)在內(nèi)的各類移動設(shè)備中得到廣泛普及。TDK的C0G特性MLCC具備尺寸小的特點，同時因其溫度特性優(yōu)異，作為移動設(shè)備的無線充電諧振用電容器得到廣泛使用。而另一方面，TDK的EV(電動車)無線充電技術(shù)開發(fā)也在不斷發(fā)展。
從環(huán)境問題與油耗角度來看，世界各國的大型汽車生產(chǎn)商正聚焦于環(huán)保汽車中最被重視的EV，并開發(fā)出了各種車型。而充電設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)施的完善以及續(xù)航距離的延長正是EV得到普及所不可或缺的一項因素。充電基礎(chǔ)設(shè)施方面，雖然在高速公路的服務(wù)區(qū)/停車區(qū)、機(jī)場、購物廣場等停車場等場所增加設(shè)置了充電樁，但今后作為充電基礎(chǔ)設(shè)施而頗受期待的則是可進(jìn)行無線非接觸式充電的無線充電系統(tǒng)。同時，無線充電在自動駕駛實用化階段中是不可或缺的一項技術(shù)。
TDK在開發(fā)為移動設(shè)備內(nèi)置電池充電的電磁感應(yīng)式無線充電方式的同時，還走在近年來頗受關(guān)注的磁共振式無線充電技術(shù)開發(fā)的前列，并且至今為止在自動導(dǎo)引運輸車(AGV)及電梯等產(chǎn)業(yè)設(shè)備領(lǐng)域中滿足著客戶的使用需求。此處介紹的EV無線充電也是采用了TDK磁性體技術(shù)及介電質(zhì)技術(shù)等的先進(jìn)磁共振式系統(tǒng)。

磁共振式無線充電的原理以及特點

得到廣泛運用的電磁感應(yīng)式無線充電系統(tǒng)與切斷變壓器鐵芯，并設(shè)置空隙的結(jié)構(gòu)相同。該方式的優(yōu)點在于成本低，但當(dāng)輸電/受電線圈間隔增大時，傳輸效率會大幅降低。隨著線圈距離的增加，部分磁通會變?yōu)槁┐磐ǎ瑥亩鴷咕€圈間的磁耦合減弱。而該磁耦合程度則以耦合系數(shù)(k)表示。耦合系數(shù)是在0≦k≦1范圍內(nèi)的值，在沒有漏磁通的理想情況下為1，線圈間隔越大，或線圈偏離中心位置越遠(yuǎn)，則漏磁通會越多，從而導(dǎo)致耦合系數(shù)下降，最終將會變?yōu)?。而磁共振式無線充電則是為克服該難點而誕生的全新方式。
磁共振式是在輸電側(cè)與受電側(cè)分別插入電容器，形成LC諧振電路，并使輸電側(cè)與受電側(cè)諧振頻率一致，從而進(jìn)行電力傳輸?shù)姆绞健Ｆ涮攸c在于即使線圈間的距離多少會出現(xiàn)擴(kuò)大，或偏離中心位置的情況等在耦合系數(shù)較低的狀態(tài)下也能實現(xiàn)高傳輸效率。其基本原理如圖1所示。

圖1：磁共振式無線充電的基本原理

在通過磁共振無線充電的EV充電系統(tǒng)中，高電力用諧振電容器是其重要元件之一。這是因為在短時間內(nèi)通過無線方式高效供應(yīng)大電力，要求在高耐電壓狀態(tài)下保持高精度的諧振電路。
而薄膜電容器則是能夠滿足這一要求的強(qiáng)有力產(chǎn)品。但為了延長續(xù)航距離及確保車內(nèi)空間，EV要求實現(xiàn)進(jìn)一步小型及輕量化，在此之中，替換為能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)約電路空間的C0G特性MLCC則能夠帶來巨大優(yōu)勢。以往幾乎沒有在C0G特性下實現(xiàn)1000V耐電壓的產(chǎn)品，但通過TDK新開發(fā)的C0G特性·高耐壓MLCC則可有效進(jìn)行替換。

通過替換為C0G特性、1000V、MLCC，實現(xiàn)更為小型、輕量化的產(chǎn)品

圖2所示為通過磁共振式無線充電為EV電池進(jìn)行充電的示意圖，以及受電側(cè)諧振電容器尺寸的比較示例。

圖2：通過磁共振式無線充電為EV電池進(jìn)行充電以及受電用諧振電容器尺寸比較示例（示意圖）

將滿足電容量20nF、AC2kVrms規(guī)格的薄膜電容器替換為串聯(lián)及并聯(lián)的多個TDK的C0G特性MLCC時，以往630V的C0G特性MLCC中需要180個。即便如此，也大幅實現(xiàn)了小型化，但如果替換為新開發(fā)的1000V的C0G特性MLCC，則單純計算后可以只需使用80個，因此可進(jìn)一步節(jié)約空間以及削減數(shù)量。

通過極低的ESR可大幅削減使用的MLCC數(shù)量能

圖3是以往產(chǎn)品C0G特性·630V·MLCC與新開發(fā)的C0G特性·1000V·MLCC阻抗-頻率特性以及ESR-頻率特性的比較。

圖3：630V·MLCC與1000V·MLCC的阻抗-頻率特性以及ESR-頻率特性的比較

1000V·MLCC的ESR相比630V·MLCC降低了50%。額定電壓從630V到1000V時，1個MLCC中流經(jīng)的電流值將增加至大約1.5倍，但當(dāng)ESR值與以往MLCC相同時，則因發(fā)熱導(dǎo)致壽命劣化的危險性將會提高。
新開發(fā)的C0G特性·1000V·MLCC的ESR為50%，達(dá)到了極低的水平，因此在圖2的替換示例中，可從180個到80個，實現(xiàn)大幅削減。需要注意的是，將其他電容器替換為MLCC時，ESR值同樣也是十分重要的因素。

車載等級MLCC（積層貼片陶瓷片式電容器）CGA系列 C0G特性

TDK提供車載等級及CGA系列的中耐壓MLCC(額定電壓100~630V)、高耐壓MLCC(額定電壓1000V以上)等各類MLCC。其中，額定電壓為1000V、溫度特性為C0G特性、電容量為1nF~33nF的產(chǎn)品擁有以下類型。除了磁共振式無線充電共振電容器之外，在時間常數(shù)電路、濾波器電路、振蕩電路等在有高精度的要求時，需要實現(xiàn)小型化和SMT化的情況下可以用于替換薄膜電容。同時，為了進(jìn)一步提高可靠性，對于基板彎曲導(dǎo)致的元件體開裂、熱沖擊導(dǎo)致的焊錫開裂以及振動等外部環(huán)境因素具有較強(qiáng)耐受性的金屬支架電容及樹脂電極品系列也一應(yīng)俱全。
EV及自動駕駛等新一代汽車的發(fā)展關(guān)鍵在于對電池進(jìn)行高效充電的無線充電技術(shù)。在磁共振式無線充電中，諧振電容器的特性與電力傳輸效率息息相關(guān)。實現(xiàn)耐電壓1000V的TDK的C0G特性·高耐壓MLCC是作為EV無線充電中的諧振電容器，具備最佳特性的溫度補(bǔ)償用(種類1)MLCC。同時，由于ESR極低，這也是C0G特性·高耐壓MLCC所不可忽視的重要因素。TDK將通過擴(kuò)大耐電壓及電容量范圍等方式，進(jìn)一步豐富產(chǎn)品線。

* C0G：–55～+125°C中溫度系數(shù)在0±30ppm/°C以內(nèi)