上半年COVID-19疫情的爆發(fā)，給IT設(shè)備領(lǐng)域創(chuàng)造了新的行業(yè)熱點(diǎn)，但對(duì)交通出行行業(yè)造成了重創(chuàng)。從中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)(CAAM)的數(shù)據(jù)來(lái)看，今年一季度，乘用車(chē)銷(xiāo)量相比去年同期降低了42.4%。上汽大眾和上汽通用這一季的銷(xiāo)量跌幅達(dá)到了50.4%和47.7%。

但好的信號(hào)是，全國(guó)乘聯(lián)會(huì)(CPCA)數(shù)據(jù)顯示，3月份國(guó)內(nèi)汽車(chē)銷(xiāo)量雖然同比降低，但降幅已經(jīng)遠(yuǎn)低于2月份的水平，表明市場(chǎng)正在回暖。另外，疫情之后的汽車(chē)市場(chǎng)，正從燃油車(chē)轉(zhuǎn)向EV(電動(dòng)汽車(chē))或xEV(混合動(dòng)力等類(lèi)型的汽車(chē))等新能源汽車(chē)。雖然油價(jià)在降，但國(guó)內(nèi)針對(duì)汽車(chē)電動(dòng)化保持著長(zhǎng)期策略目標(biāo)。

國(guó)家在政策層面給予了新能源汽車(chē)以進(jìn)一步的補(bǔ)貼刺激，國(guó)內(nèi)至少10個(gè)城市發(fā)布刺激計(jì)劃。比如廣州宣布針對(duì)今年3-12月份新能源汽車(chē)銷(xiāo)量，補(bǔ)貼10000元人民幣;另外全國(guó)范圍內(nèi)，針對(duì)新能源汽車(chē)的補(bǔ)貼從原本的今年年底結(jié)束，延后至2022年。與此同時(shí)，針對(duì)新能源汽車(chē)的基建工作還在持續(xù)，典型如國(guó)家電網(wǎng)預(yù)計(jì)在2020年投資27億元打造7.8萬(wàn)充電站。

市場(chǎng)對(duì)于EV規(guī)模的擴(kuò)大始終在持續(xù)，即便整個(gè)汽車(chē)行業(yè)從去年開(kāi)始便受制于種種市場(chǎng)因素，EV帶來(lái)的市場(chǎng)熱點(diǎn)，對(duì)于市場(chǎng)參與者的誘惑仍然是不可忽視的。早前我們?cè)奶徇^(guò)電動(dòng)車(chē)帶來(lái)的各種市場(chǎng)新機(jī)遇：在這篇文章中，我們嘗試從電容器來(lái)觀(guān)察這一技術(shù)轉(zhuǎn)變，探討伴隨汽車(chē)電動(dòng)化趨勢(shì)，電容器表現(xiàn)出的尖端技術(shù)轉(zhuǎn)變。

電動(dòng)車(chē)核心部件進(jìn)化

電動(dòng)汽車(chē)中，電容器的作用主要是阻斷紋波電流、消除直流總線(xiàn)電壓波動(dòng)，另外還用于保護(hù)功率器件：典型如現(xiàn)在的IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)。要理解當(dāng)代電容技術(shù)，在其間發(fā)生的轉(zhuǎn)變，還是需要首先看一看電動(dòng)車(chē)內(nèi)部構(gòu)造上的變化，以及在此間電容器技術(shù)轉(zhuǎn)變的關(guān)鍵位置。

上面這張圖是EV純電動(dòng)車(chē)的簡(jiǎn)單框圖，內(nèi)部完全不再使用內(nèi)燃機(jī)引擎。在剎車(chē)制動(dòng)時(shí)，電機(jī)可作為發(fā)電機(jī)存在，將動(dòng)能轉(zhuǎn)為電能的方式為電池充電。與此同時(shí)，對(duì)于不同形式的EV汽車(chē)而言，系統(tǒng)內(nèi)都會(huì)有電池傳輸電流至高壓組件，為汽車(chē)提供電動(dòng)動(dòng)力。

其中，逆變器(Inverter)與DC-DC變換器，在整個(gè)車(chē)內(nèi)是核心高壓模塊。逆變器將來(lái)自電池的直流電，轉(zhuǎn)為電機(jī)所需的三相交流電。DC-DC變換器，則將車(chē)內(nèi)馬達(dá)(如剎車(chē)制動(dòng))產(chǎn)生的高壓，轉(zhuǎn)為典型的電池電壓(如12V/20V)。這兩者，再加上電池系統(tǒng)，就是電動(dòng)車(chē)的核心要件，都有各自的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

以逆變器為例，逆變器內(nèi)部的功率晶體管必須針對(duì)高壓電流，進(jìn)行無(wú)縫轉(zhuǎn)換、開(kāi)關(guān)、調(diào)節(jié)動(dòng)作，而且是在高溫這樣的惡劣環(huán)境下。IGBT、WGB(寬禁帶)、SiC、GaN一類(lèi)技術(shù)也因此開(kāi)始盛行，體現(xiàn)出市場(chǎng)參與者對(duì)功率及效率提升的要求。而且這些材料能夠經(jīng)受高溫、高壓。但與此同時(shí)，新技術(shù)的采用也給穩(wěn)定、安全的設(shè)計(jì)帶來(lái)了挑戰(zhàn)。比如說(shuō)GaN功率晶體管以極快的速度開(kāi)關(guān)，那么系統(tǒng)設(shè)計(jì)就很大程度需要考慮EMI電磁干擾或者寄生電感導(dǎo)致的問(wèn)題。

DC-DC變換器的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)也在于，傳統(tǒng)硅器件要求采用昂貴的水冷系統(tǒng)。WGB寬禁帶器件能夠降低這方面的成本和需求，但也帶來(lái)了一些潛在的安全問(wèn)題——因?yàn)槎鄠€(gè)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用要集成到單個(gè)模塊中，增加了工作電壓。

從整個(gè)電動(dòng)車(chē)的角度來(lái)說(shuō)，電子元器件受到的挑戰(zhàn)主要來(lái)自于：(1)電動(dòng)車(chē)是基于高壓電池系統(tǒng)的;(2)較快的充電速度，要求的高功率;(3)電動(dòng)車(chē)內(nèi)部子系統(tǒng)要求做到更小的體積，提升整個(gè)系統(tǒng)的組件密度;(4)隨上述挑戰(zhàn)，包括高頻率驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)換器，以及各子系統(tǒng)尺寸縮減要求，造就的高溫工作環(huán)境;(5)高可靠性要求——這原本就是車(chē)載系統(tǒng)的基本要求。

尺寸越來(lái)越敏感的電容

在汽車(chē)電動(dòng)化的技術(shù)演進(jìn)過(guò)程中，電力電子系統(tǒng)的集成化和小型化，始終是趨勢(shì)。這是汽車(chē)電動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)聯(lián)化、智能化過(guò)程中的必由之路，因?yàn)槠?chē)內(nèi)部系統(tǒng)開(kāi)始變得復(fù)雜，且空間越來(lái)越局限。過(guò)去30年，汽車(chē)內(nèi)部的技術(shù)、解決方案都趨向于越來(lái)越高的功率密度。

隨汽車(chē)內(nèi)部空間的緊張，及系統(tǒng)的復(fù)雜化，機(jī)電系統(tǒng)的整合，又不只是增加功率密度。器件、互聯(lián)、散熱等等共同構(gòu)成了集合體，以降低電力電子系統(tǒng)的整體成本。其中一個(gè)非常關(guān)鍵的組成部分是被動(dòng)器件，尤其是被提的很多的直流側(cè)電容(DC-link Capacitors)、電磁干擾過(guò)濾器、轉(zhuǎn)換器電感等。

尺寸縮減，外加更高的結(jié)構(gòu)彈性，對(duì)溫度的適應(yīng)性，都是滿(mǎn)足系統(tǒng)整合挑戰(zhàn)的必要條件。上述功率器件新技術(shù)的發(fā)展，即是這一趨勢(shì)的體現(xiàn)。而被動(dòng)器件，更是電力電子系統(tǒng)成本和尺寸的重要組成部分，尤其是提供低阻抗DC環(huán)節(jié)、滿(mǎn)足EMI限制需求的電容器，在其中占了很大一部分。

針對(duì)這樣的需求，能夠具體落實(shí)的電容產(chǎn)品主要有三大類(lèi)，分別是MLCC(多層陶瓷電容)、鋁電解電容以及薄膜電容。

MLCC有著較小的尺寸、較高的交流額定電流，而且工作溫度可以很高——包括儲(chǔ)能密度等參數(shù)也滿(mǎn)足需求，但成本及機(jī)械敏感性可能會(huì)限制其在高壓汽車(chē)DC環(huán)節(jié)的應(yīng)用。

鋁電解電容有著最高的儲(chǔ)能密度，但ESR(等效串聯(lián)電阻)或者AC電流額定值不夠理想。針對(duì)這些問(wèn)題當(dāng)然也都有改良方案，但在ESR抑制方面，由于實(shí)際特性的限制，額定電壓、工作溫度范圍、ESR很難同時(shí)做到完全理想化。

薄膜電容則在形態(tài)、尺寸方面展現(xiàn)出了明顯比較高的彈性，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)上會(huì)有較大的優(yōu)勢(shì)。DC環(huán)節(jié)薄膜電容作為逆變器中占用體積很大的一部分，更高的儲(chǔ)能密度就顯得相當(dāng)重要。在EV系統(tǒng)中，電容需要在DC環(huán)節(jié)中擔(dān)綱解耦、過(guò)濾器的角色。電解電容器相比薄膜電容器，需要高出許多的最小電容量，才能承受相同的電流值。從應(yīng)對(duì)高RMS電流的角度來(lái)看，金屬化薄膜電容(Metallised Film Capacitor)因此具備節(jié)省空間、節(jié)約成本的特性。

而且如前所述，這種電容器在形態(tài)上明顯更具彈性，環(huán)形、同軸，甚至在薄膜堆疊上直接鉆孔都可行。這就讓系統(tǒng)設(shè)計(jì)變得更為簡(jiǎn)單，可更輕松地滿(mǎn)足電機(jī)本身的形狀需求。

理論上，影響儲(chǔ)能密度的參數(shù)主要包括了最大工作場(chǎng)強(qiáng)、相關(guān)介電常數(shù)。不同的陶瓷電容器也存在溫度穩(wěn)定性，以及在直流偏置電壓下介電常數(shù)驟降等問(wèn)題?？紤]到薄膜電容還有自我修復(fù)這樣的能力，薄膜電容在上述場(chǎng)景下因此更是各種電容器中的優(yōu)選。

當(dāng)然在實(shí)現(xiàn)電力電子系統(tǒng)減小體積的問(wèn)題上，本身還有更多系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要關(guān)注的問(wèn)題。而且薄膜電容的薄膜材料有較大的熱膨脹系數(shù)——即隨溫度變化，尺寸會(huì)發(fā)生較大幅度的變化，這是必須考慮的問(wèn)題。

高溫高壓耐受/耐久性要求

除了提升空間利用率之外，在實(shí)際應(yīng)用中，薄膜電容作為針對(duì)電動(dòng)車(chē)逆變器的濾波電容也表現(xiàn)出了相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)。去年的CEATEC 2019展會(huì)上，我們采訪(fǎng)薄膜電容供應(yīng)商之一的尼吉康時(shí)，尼吉康的工程師告訴我們：

“薄膜電容器壽命比電解電容器長(zhǎng)得多，可以達(dá)到20年以上;另外在電壓等級(jí)方面，電解電容電壓比較低，薄膜電容則電壓高;電解電容受溫度影響大——在溫度變化時(shí)，其容量、損耗率會(huì)發(fā)生變化，而薄膜電容是非常穩(wěn)定的?！?

一般來(lái)說(shuō)，薄膜電容器所用不同的薄膜材料呈現(xiàn)出的耐熱性、電容溫度特性、交流擊穿電壓、尺寸等都有差異。耐熱性比較出色的是PEN(聚苯二甲酸乙二醇)與PPS(聚苯硫醚)薄膜，成本相較PP(聚丙烯)、PET(聚酯)也會(huì)略高一些——其中PET可以做得更薄，相比PP可提供更高的相對(duì)介電常數(shù)。

但總的來(lái)說(shuō)，大容量、高耐壓都是薄膜電容的特點(diǎn)——尼吉康也因此將其應(yīng)用在電力電子行業(yè)。薄膜電容在面向汽車(chē)應(yīng)用時(shí)，ESR、溫度區(qū)間、成本、強(qiáng)度都是相對(duì)平衡的選擇。其中還特別值得一說(shuō)是尼吉康工程師所說(shuō)的“壽命長(zhǎng)得多”，畢竟器件的耐久性是車(chē)載組件的核心要求之一。除了自身壽命超長(zhǎng)的特性，如前文所述，金屬化薄膜電容的一大特色便是自我修復(fù)能力。

尼吉康的金屬化薄膜電容器是通過(guò)蒸鍍的方式，在薄膜表面形成很薄的金屬層作為電極。這種薄膜電容器的一大特點(diǎn)就是具有自我修復(fù)能力，如果電容內(nèi)部有擊穿損壞點(diǎn)，氣化金屬就能在損壞處形成氣化集合面，達(dá)到自我修復(fù)的目的，避免短路、失效的問(wèn)題，雖然會(huì)有較少的電容量損失。

針對(duì)高可靠性的進(jìn)一步提升，主流的電容器制造商也普遍有一些技術(shù)方案加成，比如說(shuō)尼吉康為之加入的一種保險(xiǎn)絲結(jié)構(gòu)——這是一種蜂窩狀的熔絲。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)，可將故障部分的電容器從電路中隔開(kāi)，作為另一重可靠性方案。

在汽車(chē)駕駛過(guò)程中，城市道路的加速和剎車(chē)等頻繁動(dòng)作，體現(xiàn)在逆變器上就是瞬間的大電流變化，電容需要頻繁地充放電?？紤]每200米就有一次加速或制動(dòng)，則超過(guò)20萬(wàn)公里的行駛里程，就會(huì)有100萬(wàn)次主動(dòng)的動(dòng)力循環(huán)。顯然薄膜電容的諸多特點(diǎn)，應(yīng)對(duì)這樣的使用場(chǎng)景顯得非常得益。

薄膜電容市場(chǎng)增長(zhǎng)潛力有多大?

從宏觀(guān)市場(chǎng)數(shù)據(jù)來(lái)看，Allied Market Research統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)給出，預(yù)計(jì)到2026年薄膜電容器市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到25.9億美元，近7年的年復(fù)合增長(zhǎng)率在2.5%左右，電動(dòng)汽車(chē)系統(tǒng)是其中的最主要驅(qū)動(dòng)力。這是在預(yù)料之中的。

如果看更具體的企業(yè)行為，尼吉康的主營(yíng)業(yè)務(wù)恰巧就包含了三大塊，分別是鋁電解電容器、薄膜電容器和電路產(chǎn)品。去年尼吉康的工作人員就向我們解釋說(shuō)，汽車(chē)和5G會(huì)成為尼吉康未來(lái)的發(fā)展重點(diǎn)。

尼吉康的鋁電解電容器在市場(chǎng)上還是相當(dāng)知名的，在汽車(chē)領(lǐng)域的布局也比較廣泛，我們?cè)谙惹暗奈恼轮幸脖容^詳細(xì)地介紹過(guò)。對(duì)于薄膜電容器，尼吉康是將其作為業(yè)務(wù)成長(zhǎng)潛力對(duì)待的。尼吉康恰好是觀(guān)察EV市場(chǎng)發(fā)展中，電容器技術(shù)趨勢(shì)的一個(gè)最佳窗口。

在薄膜電容器方面，尼吉康官方介紹中列出的主要就是面向EV、針對(duì)逆變器的濾波電容，“薄膜電容器在高電壓上的應(yīng)用很理想”;而尼吉康傳統(tǒng)強(qiáng)項(xiàng)的鋁電解電容則“針對(duì)低中電壓更為理想”，這兩種電容器的配合，實(shí)現(xiàn)了面向電動(dòng)車(chē)和各類(lèi)需求。

這家公司現(xiàn)有的的薄膜電容器產(chǎn)品已經(jīng)應(yīng)用在了電動(dòng)車(chē)、混合動(dòng)力車(chē)、高鐵等傳動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域。尼吉康很早之前就認(rèn)為，薄膜電容器作為EV驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)用逆變器的關(guān)鍵部件，未來(lái)隨EV的普及，薄膜電容器在日本和海外的采用率會(huì)增大。所以去年尼吉康的工程師就告訴我們，針對(duì)薄膜電容器，尼吉康有在宿遷建立新廠(chǎng)，以及在日本草津做增產(chǎn)的計(jì)劃。

實(shí)際早在2011年，尼吉康就在宿遷開(kāi)設(shè)了工廠(chǎng)專(zhuān)門(mén)制造和銷(xiāo)售鋁電解電容器。這次則是針對(duì)薄膜電容器制造，也要在宿遷工廠(chǎng)開(kāi)工?？紤]到汽車(chē)會(huì)成為尼吉康的重點(diǎn)發(fā)展對(duì)象，薄膜電容器應(yīng)該也會(huì)是尼吉康未來(lái)實(shí)現(xiàn)業(yè)績(jī)?cè)鲩L(zhǎng)的熱點(diǎn)。

上個(gè)月月初，尼吉康(宿遷)有限公司薄膜電容器項(xiàng)目投產(chǎn)，計(jì)劃總投資5.1億元人民幣，著力于新能源車(chē)用薄膜電容器，面向中國(guó)一線(xiàn)興能源汽車(chē)整車(chē)制造商——這也是及尼康在日本以外的市場(chǎng)布局的第一條薄膜電容器生產(chǎn)線(xiàn)。

尼吉康在去年年報(bào)中提到，預(yù)期電動(dòng)及混合動(dòng)力車(chē)所用馬達(dá)驅(qū)動(dòng)逆變器所需的薄膜電容，銷(xiāo)售額將會(huì)翻番。從統(tǒng)計(jì)機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)，以及在電容器市場(chǎng)上更具代表性的尼吉康的決策及EV市場(chǎng)變化，便不難發(fā)現(xiàn)薄膜電容器未來(lái)的市場(chǎng)空間有多大。