Siirtyminen sähköautoihin mullistaa ajoneuvojen voimansiirron ja vaatii uusia komponenttiratkaisuja. Tässä artikkelissa esittelemme korkeajännitesovelluksia käyttävää sähköajoneuvojen tekniikkaa ja esittelemme Samsung Electro-Mechanicsin korkeajännitteisen autojen MLCC-komponentit (monikerroksiset keraamiset kondensaattorit).

Globaaleilla automarkkinoilla on käynnissä massiivinen siirtymä sähköajoneuvoihin. Toistaiseksi polttomoottoriajoneuvoissa on vastattu kiristyneisiin päästörajoituksiin parantamalla voimansiirtoa. Päästösäännökset, ajomukavuutta lisäävät teknologiat ja itse ajaminen ovat johtaneet autojen sähköistymiseen. Elektroniikkayksiköiden määrän lisääntyessä ajoneuvon virrankulutus kasvoi. Akkujännitteet ovat muuttuneet vastaamaan lisääntyneitä virrankulutusvaatimuksia, ja ne liittyvät tehokkaisiin sähköjärjestelmiin.

Ajoneuvojen sähköistyminen ja akkujännitteet

Auton akun jännitteen nousu liittyy sähköistymistrendiin. Sähköistystrendin ymmärtämiseksi meidän on ensin katsottava taaksepäin, kuinka auton akun jännite on muuttunut. Ennen 1950-luvun puoliväliä ajoneuvojen käyttöjännite oli 6 V. Siitä lähtien moottorin iskutilavuudet kasvoivat ja vaativat suuremman sähkökäynnistysmoottorin.

12 V järjestelmä standardisoitui, kun tarvittiin lisää elektronisia laitteita. Historiallisesti varhaiset autot tarvitsivat vain pienen akun moottorin käynnistämiseen ja radion käynnistämiseen.

Koska ajoneuvojen elektroniikkalaitteiden määrä on kasvanut ajan myötä, on myös tullut tarve lisätä tehoa. Tämän ongelman ratkaisemiseksi käytiin keskusteluja jännitteen nostamisesta 12 V:sta korkeampaan jännitejärjestelmään, joka pystyy käsittelemään ylimääräisen tehontarpeen. 1990-luvulla ehdotettiin 42 V järjestelmää, ja vuonna 2011 saksalaiset autonvalmistajat laativat 48 V:n standardin.

Siitä lähtien hybridiautot ja sähköajoneuvot ovat alkaneet käyttää korkeampia jännitteitä. Teho (W) on jännite (V)*virta (A). Tehoa nostettaessa on tehokkaampaa nostaa jännitettä kuin virtaa. Kun virtaa lisätään, tarvitaan paksumpia kaapeleita ja myös liittimen nastat on vaihdettava. Molemmat vaikuttavat laitteiston hintaan. Siispä akun jännitteet nousivat virran sijaan.

Akun jännite kasvaa, 48 V kevythybridijärjestelmät tulevat

Pääsyy siihen, miksi 48V järjestelmä syntyi 2010-luvulla, oli päästöjen rajoittaminen. Polttomoottoreita valmistavien autonvalmistajien oli saavutettava päästötavoitteensa ja nostettava polttoainetehokkuutta parantamalla voimansiirtoja. MHEV- eli ns. kevythybridijärjestelmän sanotaan olevan yksinkertainen ja edullinen hybridijärjestelmä.

Syy siihen, miksi autonvalmistajat suosivat MHEV:ää, johtuu siitä, että se oli helppo valmistaa. MHEV-järjestelmä voidaan valmistaa lisäämällä 48 V järjestelmä olemassa olevaan polttomoottorin voimansiirtoon, jolloin päästöjä voidaan vähentää halvemmalla kuin täyshybridillä. Mutta kysymys on edelleen; miksi valittiin erityisesti 48V? Syynä on se, että monissa maissa 60 V:tä pidetään matalana jännitteenä, joka ei ole vaarallinen ihmiskeholle. Edellä mainittujen lisäksi puhelinlinjoissa on käytetty 48 V:n tehojärjestelmiä viimeiset 100 vuotta, mikä todistaa entisestään, että ajoneuvoissakin 48 V järjestelmä on turvallinen.

Korkea jännite sähköautoissa

Sähköajoneuvojen perusvoimansiirtokokoonpano koostuu suurjänniteakusta, invertteristä ja sähkömoottorista. Sähköautojen voimansiirrot käyttävät korkeaa jännitettä. Sähköauton tehokkuus liittyy DC/DC-muuntimen tehokkuuteen. Sähköautoissa on erilaisia tehonmuunnossovelluksia, kuten LDC, OBC ja invertteri. Erilaisia DC/DC-muuntimen topologioita käytetään integroimaan samanlaisia sovelluksia. Esimerkiksi OBC (On Board Charger) ja LDC (Low-Voltage DC/DC Converter) ovat kehitteillä järjestelmäintegraatiota varten, joilla on etu vähentää komponentteja ja säästää tilaa.

Korkeajännitteinen MLCC takaa luotettavuuden

Miten suurjännite-MLCC:n rakenne eroaa yleisen MLCC:n rakenteesta? Luotettavuus on taattava korkeajänniteympäristöissä. Korkeajännitesovelluksiin käytettävä MLCC on alttiina valokaaririskille, ja MLCC:n sisällä voi tapahtua oikosulku.

Korkealla jännitteellä MLCC:n ympärille muodostuu voimakas sähkökenttä, joka ionisoi ympäröivän ilman. Erityisesti voimakas sähkökenttä on keskittynyt MLCC:n molempiin johtimiin. Jos se ylittää ionisoidun ilman aloitusjännitteen, syntyy sähkökaaria, jotka lopulta johtavat oikosulkuun MLCC:n sisällä. Tämän ilmiön estävä rakenne on MLCC:n sisällä oleva suojakuvio.

Kelluva rakenne on suunnittelu, joka pienentää oikosulkuriskiä MLCC-murtumisissa, mutta se on hyödyllinen myös korkeajännitetuotteissa. Kelluva rakenne jakaa jännitettä, joten MLCC:n sisällä oleva jännite on vain puolet johtimiin syötetystä jännitteestä. Esimerkiksi kun 1000V syötetään MLCC:n molempiin päihin, jos kelluvaa mallia käytetään, MLCC:n eristävään kerrokseen syötetään vain puolet eli 500V. Tämä on ehdottomasti etu luotettavuuden kannalta, koska eristekerrosten väliin kohdistuva sähkökenttä pienenee. Jännite ja lämpötila ovat avaintekijöitä MLCC:n käyttöiän määrittämisessä.

Samsung Electro-Mechanicsin korkeajännite-MLCC takaa luotettavuuden suurjännitesovelluksissa. Lisätietoa ja yksityiskohtia yrityksen kokoonpanosta löytyy nettisivuilta. Lisätietoja on saatavissa täältä.

Komponentti	Koko (mm)	Kapasitanssi (jännite)	Lämpötila	Datalehti
CL31C471JIH3PNE	1206 tuumaa (3216 mm)	470pF (1000V)	C0G (-55 ~ +125℃)
CL31B222KIFXPNE	1206 tuumaa (3216 mm)	2.2nF (1000V)	X7R (-55 ~ +125℃)
CL31C472JHH1PNE	1206 tuumaa (3216 mm)	4.7nF (630V)	C0G (-55 ~ +125℃)
CL31B103KHFXPNE	1206 tuumaa (3216 mm)	10nF (630V)	X7R (-55 ~ +125℃)