電動(dòng)汽車(chē)拆解大容量電容器用3μm以下的薄膜制作下

電動(dòng)汽車(chē)拆解大容量電容器用3μm以下的薄膜制作下沖壓成偏平狀

這一制作過(guò)程其實(shí)十分困難。首先必須以平均1小時(shí)制作約30km薄膜的速度高速旋轉(zhuǎn)滾筒，同時(shí)，還要在既不損傷薄膜、又要使金屬厚度均勻的條件下進(jìn)行蒸鍍。如果金屬不均勻，就會(huì)影響到耐熱性。如果不注意金屬的冷卻方式，也會(huì)損傷薄膜。一邊通過(guò)多種傳感器監(jiān)視貼在滾筒上的薄膜的壓力、溫度及表面狀況等數(shù)值，一邊對(duì)滾筒的旋轉(zhuǎn)速度等進(jìn)行恰如其分的控制，才能夠制成。

接下來(lái)，將制成的電極薄膜按照目標(biāo)元件的寬度進(jìn)行裁切，再卷繞數(shù)千圈制成電容器元件。在這個(gè)階段，元件呈圓筒形。通過(guò)沖壓使其變成偏平狀（圖4）。此次開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品以15個(gè)元件為一個(gè)模塊，制成偏平狀后，元件無(wú)縫隙排列，容易實(shí)現(xiàn)小型化。

圖4：使電容器元件變得偏平

此次開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品平均每個(gè)模塊使用15個(gè)電容器元件。為了提高制成模塊時(shí)的充填密度，對(duì)圓筒形元件進(jìn)行沖壓，使其變成偏平狀。

模塊通過(guò)從元件的電極引出引線(xiàn)，連接到平坦的銅板上，將其放入樹(shù)脂造的殼體中組成。殼體的尺寸為：寬約240mm×縱深約170mm，體積為1.25L。

降低元件自身發(fā)熱在第（2）項(xiàng)提及的耐熱性方面，此次開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的耐熱溫度達(dá)到110℃左右，較以往產(chǎn)品的85℃大為提高。此次不僅采用了近期開(kāi)發(fā)的耐熱性較高的薄膜，而且由此避免了制造過(guò)程中薄膜因受熱而受到損傷。薄膜受熱后會(huì)變質(zhì)，導(dǎo)致無(wú)法得到薄膜原本的耐熱性。

尤其會(huì)產(chǎn)生熱負(fù)荷的是蒸鍍工序。這是因?yàn)?，高溫的金屬蒸氣要直接施加到薄膜上。在蒸鍍時(shí)提高冷卻滾筒與薄膜的貼附性，以便從內(nèi)側(cè)進(jìn)行冷卻，盡可能降低蒸鍍面的溫度。

要提高耐熱性，降低電容器自身的發(fā)熱至關(guān)重要。如果出現(xiàn)自身發(fā)熱，耐熱性會(huì)產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性下降。例如，如果耐熱性為110℃的元件有5℃的自身發(fā)熱，那么，容許環(huán)境的溫度就變成了105℃。要降低元件自身的發(fā)熱，必須在薄膜上均勻地蒸鍍金屬。金屬厚度較薄的部分電阻較大，發(fā)熱量也會(huì)增大。只要電極的一部分比較薄，整體的耐熱性便取決于這塊較薄的部分。

防止短路及過(guò)壓

第（3）項(xiàng)中提及的安全性方面，通過(guò)在金屬的蒸鍍圖案上下工夫，降低了發(fā)生短路時(shí)的不良影響。具體做法不是在整個(gè)薄膜表面上都蒸鍍金屬，而是做成了方格狀的圖案（圖5）。圖5中的白線(xiàn)為未蒸鍍金屬的部分。各個(gè)方格之間相互連接，整個(gè)薄膜表面起到一個(gè)電極的作用。

圖5：提高安全性

（a）在對(duì)薄膜進(jìn)行蒸鍍時(shí)形成方格狀圖案，以便形成當(dāng)大電流流過(guò)時(shí)發(fā)生短路的機(jī)關(guān)。（b）白線(xiàn)為沒(méi)有蒸鍍金屬的部分。

假設(shè)方格中有耐壓較低的部分，發(fā)生短路時(shí)就會(huì)流過(guò)較大的電流，導(dǎo)致發(fā)熱，連接方格的金屬便會(huì)蒸發(fā)掉。因?yàn)樵摲礁癫糠峙c其他方格絕緣，因此，不會(huì)有更多的電流流過(guò)，損害狀態(tài)便不會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)大。

要想提高安全性，除了電容器本身的對(duì)策之外，不對(duì)連接電容器的IGBT等開(kāi)關(guān)元件造成不良影響也至關(guān)重要。為此，防止過(guò)壓（浪涌電壓）十分重要（圖6）。如果來(lái)自電容器的電壓過(guò)高，超過(guò)IGBT的容許值，最壞的情況下會(huì)造成元件損壞。

圖6：防止IGBT的電壓破壞

如何降低電容器的浪涌電壓至關(guān)重要。為此而降低電感。

作為對(duì)策，理論上可以考慮采用容許電壓較大的IGBT、降低開(kāi)關(guān)速度以及增加對(duì)策部件等。但如果考慮到整體的成本，選擇這些對(duì)策都十分困難。IGBT方面，一般而言，容許電壓越大則導(dǎo)通電阻越大，損失也會(huì)越大。另外，由于線(xiàn)圈及電容器的電阻取決于開(kāi)關(guān)速度，因此，如果降低速度，則必須增大這兩者的體積以提高電阻。增加對(duì)策部件后，成本也會(huì)增加。因此，為了在不采取上述對(duì)策的情況下抑制過(guò)壓的方法，就只能降低電感。由于過(guò)壓取決于電感與電流變化量的乘積，因此，這兩者越小，過(guò)壓也就越小。在此要減小電流變化，則必須降低開(kāi)關(guān)速度，前面提到這將導(dǎo)致體積增大。剩下的辦法就只有降低電感。此次開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品的電感為5nH左右，與以往產(chǎn)品相比，這僅為以往產(chǎn)品的1/4。

要降低電感，可以通過(guò)減小所卷繞薄膜的寬度，以及增加卷數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。此次開(kāi)發(fā)產(chǎn)品的薄膜寬度比以往產(chǎn)品減小了約20％，卷數(shù)增加了數(shù)千圈。如果將薄膜的寬度減到比這更小，那么薄膜兩端殘留下的無(wú)法蒸鍍部分所占整體的比例會(huì)增大，容量密度將會(huì)下降。

指月電機(jī)制作所今后將繼續(xù)改進(jìn)薄膜電容器。為此已經(jīng)制定了發(fā)展藍(lán)圖（圖7）。除了小型化之外，還將采用更薄的薄膜。我們考慮到2013年采用比目前薄20％的薄膜。另外還將致力于提高耐熱性以及減少環(huán)境負(fù)荷材料等。（特約撰稿人：藤