新能源電動空調中薄膜電容器的研究及應用

盧明書，牛 犇，尚 鋒，趙東槐

（山東朗進科技股份有限公司，山東 萊蕪 271100）

隨著全球環境問題和能源危機的不斷凸顯，世界各國都在積極采取措施以實現經濟、社會的良性發展。汽車作為石油消耗和二氧化碳排放的大戶，需要進行革命性的變革，因此發展新能源電動汽車已經成為世界各國的共識，隨著國家政策的大力扶持，各城市在持續推進新能源電動汽車產業的發展。

傳統空調由于啟動電流大和輸入電壓低等缺點不能適用于電動汽車，因此必須配置電動變頻空調來滿足新能源汽車的電池供電要求。DC－Link電容器作為新能源電動空調中的關鍵器件，一般要求大容量、承受大紋波電流以及高電壓等特性，傳統的電解電容已經不適合高電壓、大紋波電流的應用。隨著金屬化蒸鍍技術以及薄膜電容器技術的發展，通過薄膜電容器的相關運用分析，在額定工作電壓高、承受高紋波電流、有過電壓要求、有電壓反向應用、有高沖擊電流 （di／dt）以及長壽命要求的電路設計中，選擇薄膜電容器是設計者的首選方案，如何進行薄膜電容器的選型及應用成為更多工程師的關注點。

1 薄膜電容器替代電解電容器分析

在新能源電動變頻空調系統中，直流電直接向變頻器供電，直流電源和變頻器之間需要DC－Link電容器做支撐，變頻器既從DC－Link獲得峰值較高的脈沖電流又在DC－Link上產生較高的脈沖電壓，必須選擇合適的DC－Link電容器來吸收脈沖電壓，使直流母線上的電壓波動保持在允許范圍，也防止變頻器受到輸入電壓過沖和瞬時過電壓的影響。

DC－Link電容器在新能源電動空調中的應用如圖1所示。圖1中額定輸入電壓為DC600V，電壓波動范圍DC400～800V，如采用額定電壓DC400V的電解電容，需要3只串聯使用，由于每個電解電容器的絕緣電阻存在一定的差異，因此電解電容器串聯需要可靠的電壓均衡技術，否則所串聯的電容器的單體電壓就會不平衡，甚至損壞電容器。另外電解電容器作為有極性的電氣部件，當施加反向電壓超過1．5倍額定電壓且施加時間超過電容器的耐受時間，則電解電容器會損壞或發生爆炸。電解電容器的電容量隨溫度變化而變化，隨著使用溫度的升高，內部的電解液會蒸發或產生化學變化，導致靜電容量減少或等效串聯電阻增大，可能會出現擊穿或電參數惡化等現象，嚴重時電解電容器的壽命也就終止了［1］。電解電容器使用在環境溫度0℃至高溫限值時，其電容量增加一般不超過10%，當使用環境溫度在0℃以下時，由于電解液的原因，導致電容量顯著減小，對于最低溫度－40℃，有的電解電容器的電容量甚至下降到40%。并且電解電容長期不使用后，電解液易蒸發易泄漏，也會導致容量的縮小。

圖1 DC-Link電容器應用

圖1 中不需要整流電路，該位置電容器的平滑作用不再具有意義，主要用作直流母線電壓的支撐、吸收直流母線的交流電流分量，因此不再需要極大的電容量，而是需要適當的電容量和優異的性能吸收高頻紋波電流，抑制高頻紋波電流對直流母線的影響，薄膜電容器是最理想的選擇，選用薄膜電容器的電容量僅是電解電容的1／3甚至更低。而且薄膜電容器的電容量隨溫度變化不大，其電容量主要由介質膜的溫度特性決定，例如聚丙烯膜作為介質膜，其介電系數隨溫度變化范圍 （－40～+85℃）的變化量接近4%，制成薄膜電容器的電容量精度可達到5%。

相比電解電容器，薄膜電容器具有很長的壽命期望，其壽命的長短主要由工作電壓與電容器內部的熱點溫度決定。在工作電壓為額定電壓、熱點溫度為70℃的情況下，壽命結束以電容值減小15%為標準，薄膜電容器設計壽命可長達100 kh。如果在實際應用中允許電容量減小20%，則薄膜電容器的壽命將得到顯著增加［1］。相比電解電容器，薄膜電容器具有更強的短時過電壓能力，承受1．5倍額定電壓，可持續時間一般為10 s～2 min，且薄膜電容器具有“自愈”的特性可延長使用壽命。

通過以上分析，在直流高電壓條件下，薄膜電容器是比電解電容器更理想的選擇，薄膜電容器以金屬箔片 （或者是在塑料上進行金屬化處理而得的箔片）作為電極板，以塑料作為電介質，通過繞卷或層疊工藝而得，同體積的薄膜電容器比電解電容器可承受更高的工作電壓。當選取小容量的電容器時，在相同體積的前提下，電解電容器的容量遠大于薄膜電容器的容量。

2 設計選型

根據電路設計要求，薄膜電容器的選型主要考慮額定電壓、電容量、紋波電流等參數。

2.1 額定電壓選擇

薄膜電容器通常有一個瞬時過電壓能力，一般為其額定電壓的1．2～1．5倍，持續時間為10 s～2 min，持續的過電壓時間越長，說明該薄膜電容的過電壓能力越強。

當變頻空調正常工作時，由于DC600V存在過電壓的情況，為提高薄膜電容器的使用壽命，一般選取1．2倍的最高電壓作為薄膜電容器額定電壓的選型依據。

2.2 電容量計算

分析DC－Link電容器的工作過程，在一個PWM周期內，開關器件導通時，由輸入直流電源和DC－Link電容器同時為變頻器提供能量；開關管關斷時，輸入直流電源便向DCLink電容充電，一個工作周期結束。

設輸入直流電源輸出的最大功率為P0，DC－Link電容假設為理想電容，則在一個開關周期內，輸入直流電源提供的能量為：

式中：η——變頻器的效率；fs——載波頻率。

根據電容器兩端的紋波電壓，計算出一個開關周期內電容器所釋放的能量：

式中：U——直流母線電壓，計算時采用直流母線電壓最小值；Δu——母線紋波電壓。

2.3 紋波電流計算

紋波電流是指流經DC－Link電容器的交流電流，主要是變頻器三相輸出頻率下的紋波電流和開關頻率下的紋波電流疊加而成的，其中流過DC－Link電容器的紋波電流有效值可用公式 （4）計算。

式中：Iacrms——流過DC－Link電容器的紋波電流有效值；Iorms——變頻器輸出側總電流有效值；m——調制比；φ——相位角。

3 計算實例

3.1 輸入條件

輸入額定電壓DC600V，電壓波動范圍DC400V～DC800V；輸入功率15 kW；效率90%；開關頻率5 kHz；紋波系數5%；變頻器輸出側總電流30 A。

3.2 計算過程

1）額定電壓

需要選擇額定電壓大于DC960V的薄膜電容器，根據車輛供電實測經驗數據，本文選取額定電壓DC1200V的薄膜電容器。

如果采用電解電容器，則需要采用3只耐壓DC400V或DC450V的電解電容器串聯。

2）電容量

根據公式 （3）得出：

本文選取電容量為70 μF的薄膜電容器。

3）紋波電流

設cosφ=0．85，m=0．65，根據公式 （4） 得出：

根據薄膜電容器的規格書，70 μF的薄膜電容器工作在1 200 V下可承受60 A的紋波電流，滿足設計要求。

如果采用電解電容器，則需要電容量為C=18 A／0．02 μF=900 μF （按照20 mA／μF計算），考慮到電解電容的額定電壓，則需要9只1 000 μF電解電容器 （每組電容器有3個電解電容器串聯，需3組電解電容器并聯）。

4）實際選型

考慮到薄膜電容器放置在密閉的電控箱內，空調正常工作時電控箱內的溫度達到50℃，為提高電容的使用壽命，將薄膜電容器額定電流提高到紋波電流有效值的2倍，選取1只電容量為70 μF、額定電流為60 A的薄膜電容使用，電壓電容量紋波電流滿足計算要求。

4 試驗驗證

4.1 紋波電壓測試

如圖2所示，紋波電壓測試峰峰值為36 V，則紋波系數測試值如下：

實際測試結果滿足紋波系數5%的要求。

圖2 紋波電壓測試

4.2 紋波電流測試

圖3 為未增加DC-Link電容器前測試直流母線紋波電流，有效值為21.6 A，電流峰峰值為71.5 A；圖4為增加DC-Link電容后測試直流母線紋波電流，有效值為22.5 A，電流峰峰值為14.2 A，說明絕大部分紋波電流流經薄膜電容器，減小了線纜發熱量，同時提高變頻器運行的可靠性。

圖3 紋波電流測試 （無DC-Link電容器）

圖4 紋波電流測試 （有DC-Link電容器）

4.3 溫升測試對比

1）薄膜電容器 環境溫度45℃，空調機組4 h運行，薄膜電容器表面為60℃，溫升僅15 K。

2）電解電容器 環境溫度45℃，空調機組4 h運行，電解電容器表面溫度為80℃，溫升35 K。

因此，薄膜電容器相比電解電容器表面溫升更小，壽命更長。

5 行業應用前景

作為直流支撐濾波電容，由于電解電容器受到額定電壓、紋波電流承受能力、電容量等因素的影響，需要用多個電解電容器進行串并聯設計才能滿足高電壓和大容量使用場合，同時需要考慮電解電容器的額定電壓、電容量、紋波電流、溫升、散熱、壽命等因素。

隨著薄膜電容器技術的發展，和電解電容相比較，相同體積下可以設計生產額定電壓1 000 V甚至更高電壓的大容量薄膜電容器，體積的減小使得相應成本隨之大幅度下降。同時，薄膜電容器具有可以承受高紋波電流、過電壓、電壓反向應用、高沖擊電流的特性，在更多的應用場合可以替代電解電容器。

在新能源及新能源汽車領域中，對于薄膜電容器業而言，對新能源控制系統、電源管理系統、電源逆變及直流交流切換系統的相關上游企業來講是一次難得的歷史性機遇，同時給不可或缺的電容器行業也帶來了一次難得的發展機遇。

6 結束語

隨著技術的不斷進步以及國家新能源政策的推廣，純電動變頻空調成為新能源汽車應用的必然趨勢，電動變頻空調的變頻調速系統選擇薄膜電容器作為DC-Link電容器將成為電氣工程師設計選擇的最佳方案。