直流支撐鋁電解電容器在車載充電器中的應用

電動汽車(EV)市場的持續增長帶動了車載充電器 (OBC) 的需求的快速發展。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間內充電。這種系統目前的功率可達22kW，工作電壓可達800V。OBC的功能是按照電池管理系統的要求，將外部交流電壓轉換為特定的直流電壓。這種方法能節約電池并實現快速充電過程。尤其是在快速直流充電基礎設施尚不夠健全的偏遠地區，OBC能有效提高人們對電動汽車的購買欲。

考慮到系統的復雜性，OBC通常需要需要特定的大電容來穩定為電池充電的直流電壓。鋁電解電容器滿足關鍵要求，比如具有高達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

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

圖1：車載充電器的應用挑戰

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。其中額定電壓 (VR) 由OBC的工作電壓決定，并且應涵蓋平均值加峰值紋波電壓。對于電壓>500 V的系統，可以考慮串聯電容器。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的任務配置。工作溫度范圍應涵蓋整個使用壽命期間的預期環境溫度。

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商或客戶進行優化。鋁電解電容器的使用壽命主要受其磁芯溫度的影響。通常，高紋波電流和環境溫度升高都會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驗法則，磁芯溫度沒增加10 K，電容器使用壽命會縮短50%。因此，在相同負載條件下降低磁芯溫度，能有效降低組件的ESR(等效串聯電阻)和優化熱管理。TDK專門開發的B43652*系列是一種大尺寸電容器，能在整個壽命周期內維持超低的ESR并改善內部熱阻。其配備外部冷卻系統，在電容器的罐底和散熱片之間實現了高效的熱傳遞，極大地的改善了電容器的可用性，比如實現了高紋波電流能力，大幅延長的使用壽命。從經濟性角度來看，相比于使用多個并聯電容器或具有更長的額定壽命的電容器設計，這種優化更具優勢。

圖2：影響使用壽命的關鍵因素

兼顧電容器冷卻的內部設計

鋁電解電容器的內部包含一個繞組元件，天生具有比徑向設計更好的軸向熱導率。增加底座冷卻選項后，B43652系列的軸向熱導率進一步提高。繞組元件和罐底之間的直接金屬接觸明顯降低了從熱點到罐體的熱阻，同時罐底的穩定性也得到了改善，能有效避免電容器在使用壽命期間內發生膨脹，從而損壞這種熱連接。考慮在電容器底部設置通風孔容易被散熱片堵塞，因此特意改到電容器的側壁。總之，TDK的新型B43652系列電容器是一種側面通風的大尺寸電容器，專為OBC應用而設計，具有底座冷卻選項。

圖3：鋁電解電容器的內部設計及其對散熱的影響

關于設計的改進詳情，請參見圖4。對于一個標準的35 x 40 mm電容器，軸向內部熱阻為4.49 K/W;而側面通風設計的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，從磁芯到環境的總熱阻也從15.1 K/W降低到12 K/W，降幅達

圖4：以尺寸為35x40mm大型電容器為例，底部通風孔(左)和側通風孔設計(右)的Rth值比較

圖5為自然連接的底部通風設計(左)和帶底座冷卻選項的側面通風設計(右)的熱模擬(溫度和熱流)比較。

在85°C環境溫度下對每個電容器施加1 W的負載時，非冷卻版本的磁芯溫度達到106至109°C。而處于相同場景下的側通風設計和帶底座冷卻選項的電容器版本，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計，溫度低了約20k，意味著延長了約200%的使用壽命。

通過熱通量模擬對比可以發現，帶底座冷卻選項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)側的傳熱較弱，底部傳熱較強。非冷卻版本則呈現另一個方向的梯度，傳熱主要發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稱的。同時，非冷卻版本的磁芯溫度也呈現了擴散趨勢，這意味著具有更高磁芯溫度的中心電容器存在熱不不對稱，而帶底座冷卻選項的版本則沒有這樣的擴散，顯著降低了溫升風險。

圖5：非冷卻標準設計和帶冷卻選項的側通風設計的電容器組的熱模擬

關于在OBC應用中可實現的整體改進，請參見圖6。通過兩個具有相同尺寸、額定電壓和額定電容的B43652系列電容器的對比可以發現，相比與結構相同的自然對流設計的電容器，帶底座冷卻選項的電容器的紋波電流能力要高出85%。自然對流設計的電容器的最大紋波電流IAC,max為6.11 a，而帶底座冷卻選項的電容器版本的紋波電流IAC,max則高達11.28 a。此外，在相同負載條件，兩個帶底座冷卻選項的電容器的使用壽命幾乎是四個非冷卻電容器的兩倍。

基于上述結果可以明顯看出，TDK的B43652*系列大尺寸電容器針對OBC應用進行了優化，配備底座冷卻選項，能顯著減少直流支撐電容器組的數量，在技術和經濟方面都具有明顯優勢。

圖6：自然對流與帶底座冷卻選項的設計比較

審核編輯：湯梓紅