解決指南

Vol.2 在EV無線充電系統中的應用

概要

隨著材料技術與積層技術的不斷精進，在進一步實現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，溫度補償用(種類1)MLCC的耐電壓與電容量的擴大也得到了顯著發展。
由TDK開發的C0G特性·高耐壓MLCC是一款通過C0G特性，在行業最高等級的廣電容量范圍(1nF～33nF)內實現了1000V耐電壓的產品。在諧振電路等用途中，以往使用薄膜電容器的領域中也逐漸被MLCC所取代。
以下就將該C0G特性·高耐壓MLCC的特點，以及在EV無線充電系統中替換薄膜電容器及其優點為中心進行說明。

替換為MLCC的事例：EV無線充電系統

無線充電在包括智能手機在內的各類移動設備中得到廣泛普及。TDK的C0G特性MLCC具備尺寸小的特點，同時因其溫度特性優異，作為移動設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)無線充電技術開發也在不斷發展。
從環境問題與油耗角度來看，世界各國的大型汽車生產商正聚焦于環保汽車中最被重視的EV，并開發出了各種車型。而充電設備等基礎設施的完善以及續航距離的延長正是EV得到普及所不可或缺的一項因素。充電基礎設施方面，雖然在高速公路的服務區/停車區、機場、購物廣場等停車場等場所增加設置了充電樁，但今后作為充電基礎設施而頗受期待的則是可進行無線非接觸式充電的無線充電系統。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。
TDK在開發為移動設備內置電池充電的電磁感應式無線充電方式的同時，還走在近年來頗受關注的磁共振式無線充電技術開發的前列，并且至今為止在自動導引運輸車(AGV)及電梯等產業設備領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磁性體技術及介電質技術等的先進磁共振式系統。

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式無線充電系統與切斷變壓器鐵芯，并設置空隙的結構相同。該方式的優點在于成本低，但當輸電/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，部分磁通會變為漏磁通，從而會使線圈間的磁耦合減弱。而該磁耦合程度則以耦合系數(k)表示。耦合系數是在0≦k≦1范圍內的值，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，則漏磁通會越多，從而導致耦合系數下降，最終將會變為0。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與受電側分別插入電容器，形成LC諧振電路，并使輸電側與受電側諧振頻率一致，從而進行電力傳輸的方式。其特點在于即使線圈間的距離多少會出現擴大，或偏離中心位置的情況等在耦合系數較低的狀態下也能實現高傳輸效率。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通過無線方式高效供應大電力，要求在高耐電壓狀態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有力產品。但為了延長續航距離及確保車內空間，EV要求實現進一步小型及輕量化，在此之中，替換為能夠實現節約電路空間的C0G特性MLCC則能夠帶來巨大優勢。以往幾乎沒有在C0G特性下實現1000V耐電壓的產品，但通過TDK新開發的C0G特性·高耐壓MLCC則可有效進行替換。

通過替換為C0G特性、1000V、MLCC，實現更為小型、輕量化的產品

圖2所示為通過磁共振式無線充電為EV電池進行充電的示意圖，以及受電側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規格的薄膜電容器替換為串聯及并聯的多個TDK的C0G特性MLCC時，以往630V的C0G特性MLCC中需要180個。即便如此，也大幅實現了小型化，但如果替換為新開發的1000V的C0G特性MLCC，則單純計算后可以只需使用80個，因此可進一步節約空間以及削減數量。

通過極低的ESR可大幅削減使用的MLCC數量能

圖3是以往產品C0G特性·630V·MLCC與新開發的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中流經的電流值將增加至大約1.5倍，但當ESR值與以往MLCC相同時，則因發熱導致壽命劣化的危險性將會提高。
新開發的C0G特性·1000V·MLCC的ESR為50%，達到了極低的水平，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，為了進一步提高可靠性，對于基板彎曲導致的元件體開裂、熱沖擊導致的焊錫開裂以及振動等外部環境因素具有較強耐受性的金屬支架電容及樹脂電極品系列也一應俱全。
EV及自動駕駛等新一代汽車的發展關鍵在于對電池進行高效充電的無線充電技術。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。實現耐電壓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將通過擴大耐電壓及電容量范圍等方式，進一步豐富產品線。

* C0G：–55～+125°C中溫度系數在0±30ppm/°C以內