摘要

世界汽車市場(chǎng)正在經(jīng)歷電動(dòng)汽車的重大轉(zhuǎn)換期。此前燃油汽車為了滿足尾氣排放限制，一直在改善 Powertrain。尾氣排放的限制、便利裝置的增加、自動(dòng)駕駛的發(fā)展，帶動(dòng)了汽車的電氣化(Electrification)。隨著電氣化所需的電裝設(shè)備增加，汽車所需的電量也隨之增加。為應(yīng)對(duì)增加的電量，我們需要高效的電力系統(tǒng)。電池電壓的上升與高效的系統(tǒng)息息相關(guān)。下面為大家介紹使用高電壓的電動(dòng)汽車技術(shù)和三星電機(jī)的車載用高壓MLCC。

汽車的電氣化和電池電壓的變化

汽車電池的電壓上升與汽車的電氣化有關(guān)。汽車電池的電壓是如何變化的呢？在二十世紀(jì)五十年代中期之前汽車電壓為6V。隨著汽車發(fā)動(dòng)機(jī)容量的增大，需要大功率的Starter Motor，之后增加的電裝設(shè)備使電池電壓標(biāo)準(zhǔn)變?yōu)?2V。初創(chuàng)期的汽車需要的電壓很小，僅用于帶動(dòng)Crank及收音機(jī)。但隨著汽車安全設(shè)備的增加、便利配置的改善等，隨著時(shí)間的推移，增加的電子設(shè)備越來越多。由于所需的電力也隨之增加，關(guān)于在12V系統(tǒng)中提高電壓的問題一直被討論。二十世紀(jì)九十年代提出了42V系統(tǒng)，2011年德國(guó)汽車制造商制定了48V電壓標(biāo)準(zhǔn)。此后混合動(dòng)力汽車和電動(dòng)汽車開始使用高電壓。電力(Watt)為電壓(V)*電流(A)。提高電壓能夠更有效地提升電力。提升電流的話必須加厚電纜厚度，連接器也需要變更。如果提升電流，硬件成本就會(huì)上升，因此提升電壓更為有效。

電池電壓的上升，48V Mild Hybrid系統(tǒng)
2010年代48V電壓系統(tǒng)出現(xiàn)的最大背景就是尾氣排放限制。生產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)的汽車制造商通過改善Powertrain，提高燃油效率來滿足尾氣排放標(biāo)準(zhǔn)。所謂的輕混合動(dòng)力(MHEV)就是廉價(jià)的混合動(dòng)力系統(tǒng)。汽車制造商們喜歡MHEV的原因是，生產(chǎn)起來簡(jiǎn)單。MHEV系統(tǒng)在當(dāng)前的內(nèi)燃機(jī)Powertrain上增加48V系統(tǒng)便可以制造，能夠以比Full-hybrid更低廉的成本實(shí)現(xiàn)尾氣排放的減少。但電壓值為什么定為48V呢？原因是各國(guó)規(guī)定對(duì)人體無害的安全電壓(SELV:Safety Extra Low Voltage)為60V。而且在過去的100年間，48V的電壓被證明為可以適用于電話的安全電壓。

使用高電壓的電動(dòng)汽車Application

電動(dòng)汽車Powertrain的基本構(gòu)成為儲(chǔ)存能源的高電壓電池、逆變器和電動(dòng)馬達(dá)。電動(dòng)汽車Powertrain使用高電壓。與電動(dòng)汽車耗電效率相關(guān)的部分是高效的電力轉(zhuǎn)換。電動(dòng)汽車中有LDC、OBC、Inverter等多種電力轉(zhuǎn)換裝置。采用多種DC/DC Converter Topology，可實(shí)現(xiàn)各裝置間的整合。實(shí)際上OBC（On Board Charger)和LDC(Low-Voltage DC/DC Converter)也在實(shí)現(xiàn)整合。若實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)整合，可以減少零件數(shù)和使用空間。

在高電壓下展現(xiàn)高可靠性的高壓MLCC結(jié)構(gòu)

高壓MLCC結(jié)構(gòu)與一般MLCC 相比有何不同呢？在高電壓環(huán)境下需要確保可靠性。暴露在高壓環(huán)境下的MLCC有Arc-ove的危險(xiǎn)，MLCC內(nèi)部存在短路的危險(xiǎn)。當(dāng)向MLCC施加高電壓時(shí)，MLCC周圍會(huì)形成強(qiáng)電場(chǎng)(Electric field)，進(jìn)而產(chǎn)生ionized air。尤其是在MLCC端電極部位集中了大的電場(chǎng)(Electric field)。如果在Ionized air中超過了啟動(dòng)電壓(inception voltage)就會(huì)發(fā)生電 Arc，MLCC 內(nèi)部就會(huì)有發(fā)生circuit short 的危險(xiǎn)。防止這種現(xiàn)象產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)是shield pattern。

Floating設(shè)計(jì)雖然是在MLCC 發(fā)生Crack時(shí)，能夠降低短路風(fēng)險(xiǎn)的結(jié)構(gòu)，但是在高電壓下也是非常有用的結(jié)構(gòu)。Floating 結(jié)構(gòu)在MLCC內(nèi)部將電壓按一半分配。例如在MLCC兩端施加1000V電壓時(shí)，利用Floating設(shè)計(jì)可將MLCC電介質(zhì)內(nèi)部的電壓降低到1000V的一半，也就是500V。因?yàn)镸LCC的壽命由溫度和電壓決定，而施加在MLCC電介質(zhì)上的Electric field變?nèi)酰栽诳煽啃苑矫姹阌辛藘?yōu)勢(shì)。

三星電機(jī)為大家介紹在高壓環(huán)境下仍能夠保障可靠性的高壓Automotive MLCC。Line up資料：