Vai trò của thanh cái tụ điện màng trong hệ thống điện phương tiện năng lượng mới

Với sự mở rộng nhanh chóng trên toàn cầu của ngành công nghiệp xe năng lượng mới, xe điện (EV) và xe điện hybrid (HEV) đang đặt ra những yêu cầu ngày càng nghiêm ngặt về hiệu suất, mật độ năng lượng và độ tin cậy của hệ thống truyền động. Là thành phần cốt lõi liên kết pin kéo với động cơ truyền động, biến tần chịu trách nhiệm chuyển đổi nguồn điện và điều khiển chính xác, yêu cầu hoạt động ổn định trong các điều kiện khắc nghiệt đặc trưng bởi điện áp cao, dòng điện cao và chuyển đổi tần số{1}}cao. Trong bối cảnh này, tụ điện màng liên kết DC- và cụm thanh cái liên quan của chúng đóng vai trò then chốt, đóng vai trò là thành phần thiết yếu đảm bảo hiệu suất điện và khả năng tương thích điện từ của hệ thống truyền động điện cao áp-.

 

Thanh cái tụ điện màng không chỉ là một đầu nối dẫn điện đơn giản; nó là một thành phần điện có độ chính xác cao-tích hợp khả năng truyền dòng điện, tản nhiệt và hỗ trợ cấu trúc. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả truyền tải, khả năng quản lý nhiệt và tuổi thọ hoạt động lâu dài của hệ thống. Đặc biệt với việc áp dụng rộng rãi các chất bán dẫn thế hệ{4} thứ ba, các bộ dây truyền thống gặp khó khăn trong việc đáp ứng các yêu cầu về hoạt động tần số cao- và độ tự cảm thấp. Do đó, các thanh cái tụ điện tổng hợp-có độ tự cảm ký sinh thấp, độ tin cậy cách điện cao và khả năng tích hợp cao-đang trở thành xu hướng phát triển không thể thiếu trong ngành công nghiệp điện tử phương tiện sử dụng năng lượng mới, vì chúng ngăn chặn một cách hiệu quả-các xung điện áp tần số cao trong quá trình chuyển mạch và giảm tổn thất hệ thống.

 

 

Hệ thống truyền động của phương tiện sử dụng năng lượng mới bao gồm pin điện, bộ điều khiển động cơ, bộ biến tần và các kết nối điện áp cao -. Là thành phần cốt lõi để chuyển đổi năng lượng điện, biến tần phải chuyển đổi dòng điện một chiều (DC) thành dòng điện xoay chiều (AC) để điều khiển động cơ; trong quá trình này, tụ điện liên kết DC- đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định điện áp bus DC. Trong các điều kiện vận hành phức tạp-chẳng hạn như khởi động, tăng tốc và phục hồi năng lượng-các biến động hiện tại rất dữ dội. Nếu không có các bộ phận lọc hiệu quả, các mô-đun nguồn rất dễ bị giảm hiệu suất và tuổi thọ sử dụng bị rút ngắn do hiện tượng giật và gợn sóng điện áp.

 

Tụ điện màng liên kết DC-làm dịu các dao động điện áp một cách hiệu quả, hấp thụ dòng điện gợn tần số-cao và giảm thiểu sự tăng điện áp, nhờ đó nâng cao đáng kể độ ổn định của mô-đun nguồn. Trong số này, tụ điện màng polypropylen (BOPP) định hướng hai trục đã nổi lên như một giải pháp ưa thích cho bộ biến tần lực kéo trong các phương tiện sử dụng năng lượng mới nhờ tổn hao thấp, khả năng chịu được điện áp cao và đáp ứng tần số cao-vượt trội. Tuy nhiên, việc nhận ra đầy đủ tiềm năng hoạt động của tụ điện không chỉ phụ thuộc vào cấu trúc bên trong của nó mà còn phụ thuộc vào phương pháp kết nối điện bên ngoài.

 

Nếu sử dụng hệ thống dây điện truyền thống để kết nối tụ điện với mô-đun nguồn, thì các đường dẫn vật lý dài tạo ra sẽ tạo ra điện cảm ký sinh đáng kể. Trong quá trình chuyển đổi-tốc độ cao của các thiết bị nguồn, điện cảm ký sinh này gây ra các xung điện áp tắt-nghiêm trọng; những điều này không chỉ làm tăng đáng kể tổn thất nhiệt của hệ thống mà còn có nguy cơ gây ra sự cố điện môi trong các chip bán dẫn nhạy cảm. Do đó, việc khắc phục những hạn chế về điện từ vốn có trong hệ thống dây điện truyền thống đã trở thành một bước đột phá quan trọng để cải thiện hiệu suất và độ an toàn tổng thể của hệ thống truyền động điện-cao áp.

 

Các thanh cái chuyên dụng dành cho tụ điện phương tiện sử dụng năng lượng mới đã nổi lên như một giải pháp kiến ​​trúc quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất Liên kết-DC. Bằng cách sử dụng cấu trúc liên kết nhiều lớp có độ tự cảm thấp,-chồng chéo chặt chẽ, thanh cái tận dụng khả năng triệt tiêu lẫn nhau của từ trường được tạo ra bởi các dòng điện ngược chiều để giảm độ tự cảm ký sinh của vòng lặp xuống phạm vi nanohenry (nH). Về cơ bản, điều này ngăn chặn sự tăng vọt điện áp chuyển đổi tần số cao và giảm tổn thất hệ thống, đồng thời tăng cường tích hợp hệ thống và đảm bảo hoạt động ổn định của hệ thống truyền động điện cao áp.

 

 

Thanh cái tụ điện màng EV là cấu trúc kết nối dẫn điện tổng hợp được thiết kế đặc biệt cho hệ thống truyền động điện cao áp-của các phương tiện sử dụng năng lượng mới. Nó chủ yếu dùng để kết nối các tụ điện màng liên kết DC-, mô-đun nguồn IGBT, mô-đun nguồn SiC MOSFET và bộ biến tần điều khiển động cơ.

 

Không giống như các thanh cái bằng đồng tiêu chuẩn, các thanh cái của tụ điện EV thường có thiết kế nhiều lớp bao gồm nhiều lớp chức năng. Đầu tiên là lớp dẫn điện. Lớp này thường sử dụng-vật liệu đồng có độ dẫn điện cao-chẳng hạn như đồng T2, đồng nguyên chất C1100 hoặc OFC (đồng-không chứa oxy)-có khả năng dẫn điện và nhiệt tuyệt vời để đáp ứng nhu cầu vận hành-cao hiện tại của các phương tiện sử dụng năng lượng mới. Lớp thứ hai là lớp cách nhiệt. Các vật liệu phổ biến bao gồm màng polyester PET, màng polyimide PI và vật liệu cách nhiệt PEN. Lớp này có tác dụng ngăn ngừa đoản mạch giữa cực dương và cực âm, nâng cao khả năng chịu điện áp và cải thiện độ tin cậy về môi trường. Lớp thứ ba bao gồm các cấu trúc bảo vệ và kết nối.

Tùy thuộc vào yêu cầu cụ thể của dự án phương tiện, thanh cái có thể kết hợp các phương pháp xử lý bề mặt (chẳng hạn như mạ thiếc, niken hoặc bạc), cấu trúc đầu cuối và vùng kết nối được đóng dấu-độ chính xác. Thông qua thiết kế hỗn hợp nhiều{2}}lớp này, thanh cái nhiều lớp cho phép truyền dòng điện-cao trong một không gian nhỏ gọn đồng thời giảm thiểu diện tích vòng lặp mạch, nhờ đó giảm điện cảm ký sinh.

 

 

Giảm độ tự cảm ký sinh để nâng cao hiệu suất biến tần. Bộ biến tần phương tiện năng lượng mới (NEV) đang chuyển đổi từ công nghệ IGBT truyền thống sang công nghệ bán dẫn điện SiC. Thiết bị SiC cung cấp tần số chuyển mạch cao hơn, tổn thất chuyển mạch thấp hơn, nhiệt độ hoạt động cao hơn và mật độ năng lượng lớn hơn. Đối với các bộ biến tần NEV thế hệ-tiếp theo sử dụng mô-đun nguồn SiC, thiết kế thanh cái có độ tự cảm-thấp đã trở thành một yêu cầu kỹ thuật quan trọng.

 

Tăng cường tích hợp các hệ thống truyền động NEV. NEV yêu cầu sử dụng không gian ngày càng hiệu quả. Các phương pháp kết nối truyền thống thường yêu cầu nhiều cáp đồng, nhiều thiết bị đầu cuối và cấu trúc lắp đặt phức tạp; những cách tiếp cận như vậy không chỉ tiêu tốn dung lượng mà còn dễ xảy ra lỗi kết nối. Ngược lại, thanh cái cho tụ điện màng NEV có thiết kế mô-đun có thể được tùy chỉnh để phù hợp với kiến ​​trúc biến tần cụ thể. Đối với nền tảng NEV 800V, hệ thống-điện áp cao yêu cầu các giải pháp kết nối nhỏ gọn, an toàn và đáng tin cậy hơn, khiến các cụm thanh cái tích hợp trở thành xu hướng chính trong hệ thống điện tử NEV.

 

Cải thiện khả năng quản lý nhiệt trong môi trường có dòng điện cao. Hệ thống truyền động NEV thường phải chịu được những biến động đáng kể về dòng điện. Trong môi trường hoạt động có dòng điện-cao, thanh cái tạo ra nhiệt Joule (P=I²R), trong đó P biểu thị tổn thất điện năng, I là dòng điện vận hành và R là điện trở. Do đó, việc lựa chọn vật liệu thanh cái, diện tích mặt cắt ngang và thiết kế kết cấu đều ảnh hưởng đến mức tăng nhiệt độ của hệ thống. Thanh cái bằng đồng chất lượng cao-có điện trở thấp, độ dẫn nhiệt cao và độ bền cơ học ổn định. Việc tối ưu hóa độ dày lớp đồng và đường tản nhiệt giúp giảm mức tăng nhiệt độ khi vận hành, từ đó nâng cao độ tin cậy lâu dài của hệ thống truyền động NEV.

 

 

Trong hệ thống truyền động của phương tiện sử dụng năng lượng mới (NEV), tụ điện màng liên kết DC{0}}đóng vai trò quan trọng trong việc ổn định điện áp DC, trong khi các thanh cái kết nối các tụ điện này với mô-đun nguồn xác định hiệu suất truyền tải điện và độ tin cậy của hệ thống. Khi đánh giá hệ truyền động NEV, người ta thường tập trung vào dung lượng pin, hiệu suất động cơ, hiệu suất biến tần và công nghệ bán dẫn điện.

Tuy nhiên, các bộ phận kết nối đóng một vai trò quan trọng không kém trong các hệ thống truyền động điện hiệu suất cao.

Đường truyền dòng điện ngắn hơn sẽ giảm thiểu tổn thất hệ thống, đồng thời cấu trúc điện nhỏ gọn hơn giúp giảm các tham số ký sinh. Do đó, thanh cái-hiệu suất cao dành cho tụ điện màng liên kết DC-đã trở thành trọng tâm chính trong việc tối ưu hóa hệ thống điện tử công suất NEV.

 

Bằng cách giảm hiệu ứng điện cảm ký sinh, sự tích hợp này giúp tăng cường độ ổn định tổng thể của hệ thống đồng thời tăng cường-khả năng truyền tải dòng điện cao. Đồng thời, nó tối ưu hóa khả năng quản lý nhiệt và cải thiện đáng kể hiệu suất tương thích điện từ (EMC) trong các hoạt động có điện áp cao-có yêu cầu cao.

 

 

Thanh cái tụ điện màng được sử dụng rộng rãi trong các bộ phận cốt lõi của phương tiện sử dụng năng lượng mới, chẳng hạn như bộ biến tần truyền động chính, bộ sạc trên bo mạch (OBC), bộ chuyển đổi DC/DC và bộ phân phối điện áp cao (PDU). Trong bộ biến tần và hệ thống truyền động điện "tất cả{3}}trong{4}}một", thanh cái được ghép chặt với tụ điện màng liên kết DC-; nó không chỉ làm mượt điện áp DC và hấp thụ các dòng điện gợn sóng cường độ cao và các xung điện áp được tạo ra bởi quá trình chuyển đổi tần số-cao trong chất bán dẫn điện mà còn phân phối dòng điện cao một cách hiệu quả và cân bằng nhiều nhánh tụ điện trong cấu trúc-động cơ kép và PDU. Nhờ cấu trúc liên kết hình học nhỏ gọn, thanh cái hỗn hợp đáp ứng các yêu cầu về truyền tải điện cảm thấp, cách điện đáng tin cậy, tản nhiệt hiệu quả và khả năng che chắn tương thích điện từ (EMC){10}}trong phạm vi diện tích tối thiểu và ở mật độ công suất cao.

 

Được thúc đẩy bởi việc áp dụng nhanh chóng nền tảng điện áp cao 800V-và chất bán dẫn silicon cacbua (SiC), các thanh cái tụ điện dạng màng trong tương lai đang phát triển theo hướng cấu trúc liên kết có độ tự cảm cực thấp dưới{2}}nanohenry (sub{3}}nH). Thông qua việc sử dụng cấu trúc liên kết tấm-song song chính xác, khoảng cách cán theo tỷ lệ micron-và thiết kế khử từ trường 3D, thanh cái tổng hợp có thể giảm đáng kể độ tự cảm ký sinh, nhờ đó loại bỏ các xung điện áp tắt-tần số cao{10}}tại nguồn. Đồng thời, thanh cái đang vượt qua vai trò truyền thống chỉ là "đầu nối điện" để tích hợp liền mạch với lõi tụ điện, tấm đế làm mát bằng chất lỏng và mô-đun nguồn. Điều này tạo ra các mô-đun vật lý đa cấu trúc "điện từ{14}}nhiệt{15}}" tích hợp cao kết hợp truyền dòng điện, dẫn nhiệt và gắn cảm biến, đáp ứng hiệu quả nhu cầu về thiết kế gọn nhẹ và tận dụng không gian tối ưu trong hệ thống truyền động điện.

 

Để giải quyết những thách thức về tích tụ nhiệt cục bộ và điện trường xoay chiều có điện áp cao-liên quan đến mật độ năng lượng cao, trong tương laithanh cái tụ điện màng xe năng lượng mới (NEV)sẽ áp dụng rộng rãi các vật liệu cách nhiệt mới có đặc điểm là-khả năng chịu nhiệt độ cao (trên 150 độ ) và độ dẫn nhiệt cao-chẳng hạn như màng PI biến tính và nhựa epoxy dẫn nhiệt. Bằng cách kết hợp các vật liệu này với quy trình ép nóng chân không và quy trình hàn kín cạnh liền mạch-, nhà sản xuất có thể đảm bảo hoạt động không phóng điện một phần- (< 10 pC) under long-term high-voltage conditions and extend the component's service life and environmental durability. Furthermore, driven by the need for vehicle lightweighting and cost optimization, the adoption of high-conductivity aluminum busbars and copper-aluminum composite busbars will continue to rise; when combined with selective micron-level salt-spray-resistant coatings and precision ultrasonic or laser welding technologies, these solutions significantly reduce system weight while ensuring high-frequency conductivity and welding reliability.