汽車技術(shù)的進(jìn)步大幅增加了現(xiàn)代汽車中的電子內(nèi)容,，而電子技術(shù)的發(fā)展又讓汽車越來越安全,、智能,、舒適、環(huán)保和節(jié)能,。兩者的發(fā)展相輔相成,，相得益彰，為人們的生活提供了極大的便利,，但與此同時,，電子元件的可靠性也成為了保證汽車安全的重要因素，特別是應(yīng)用于日漸普及的高級駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）的產(chǎn)品將對汽車安全性產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

　　目前,，我國 ADAS 新車滲透率尚不足 4%，與發(fā)達(dá)國家相比相差很遠(yuǎn),。隨著相關(guān)政策的陸續(xù)出臺,，國內(nèi) ADAS 市場將快速增長。根據(jù)預(yù)測,，2020 年中國 ADAS 市場規(guī)模將達(dá) 963 億元,，平均年復(fù)合增長率達(dá) 52%，遠(yuǎn)超國際市場,。

　　惡劣環(huán)境挑戰(zhàn)電子元件

　　汽車是一個惡劣的環(huán)境,，存在著極寬溫度范圍（瞬間加熱和冷卻）、機(jī)械振動,、噪聲,、氣體污染，以及瞬變電壓,、大電流等的潛在風(fēng)險,。而這些正是影響現(xiàn)代汽車功能穩(wěn)定性、可靠性和駕駛體驗(yàn)的重要因素,。

　　汽車高溫不僅是發(fā)動機(jī)艙

　　隨著近年來以自動駕駛為目的的汽車多功能化,，如現(xiàn)階段研發(fā)重點(diǎn) ADAS 的不斷發(fā)展，各類電子控制單元（ECU）的機(jī)電一體化不斷完善,。汽車中搭載的電子設(shè)備越來越多,，而電子元件的可靠性對汽車整體可靠性的影響也越來越大。特別是在溫度急劇變化及機(jī)械強(qiáng)度（應(yīng)力）很高的汽車應(yīng)用中,，更需要有耐久性的電子元件來滿足更高的要求,。此外，在實(shí)現(xiàn)高性能的同時還需要滿足解決空間緊張的小型化要求,。

　　直面挑戰(zhàn),，電容器各顯神通

　　電動汽車的發(fā)展大幅增加了片式多層陶瓷電容器（MLCC）用量，傳統(tǒng)汽車的用量約為 2400 顆,，而特斯拉等新能源車的用量在 8000 顆左右,，其中每輛車的 ADAS 平均用量已達(dá) 2000-3000 顆。

　　為了滿足自動駕駛汽車零部件更高水平可靠性和魯棒性要求,，電容器的先進(jìn)功能性,、易用性、物理替代性等方面都在不斷改進(jìn),。傳統(tǒng) MLCC 采用了一些新技術(shù),，而鉭聚合物電容又欲取而代之；超級電容也在發(fā)力 ADAS 應(yīng)用市場,。

　　·MLCC 技術(shù)推陳出新

　　在提高駕駛安全性方面,，ADAS 變得越來越重要,，支持這類功能的 IC 越來越多，為了抑制噪聲需要使用更多平滑去耦 MLCC,。從節(jié)省空間的設(shè)計(jì)角度看,，對小型化、高電容 MLCC 的需求將不斷增加,。

　　與汽車安全裝置 ADAS/AD ECU 相關(guān)的 MLCC

　　MLCC 具有體積小,、比容大、壽命長,、可靠性高,、適合表面安裝等特點(diǎn)，但在環(huán)境惡劣的汽車中,，它難免出現(xiàn)一些故障,。為了滿足車載級要求，TDK 開發(fā)的高可靠性產(chǎn)品樹脂電極型（Soft TerminaTIon,，也叫柔性端電極）MLCC 應(yīng)運(yùn)而生,。它可以解決彎曲裂紋及焊錫裂紋的問題，保證應(yīng)用的可靠性,。

　　通常,，元件發(fā)生彎曲裂紋的主要原因是基板的彎曲應(yīng)力，包括焊錫量導(dǎo)致的焊錫應(yīng)力,、基板分割時的應(yīng)力及制造時的應(yīng)力等,。元件體裂紋時可能會發(fā)生“短路模式”或“開路模式”故障。

　　發(fā)生彎曲的主要原因和過程

　　在車載應(yīng)用中,，基板彎曲應(yīng)力及熱沖擊會導(dǎo)致電容焊錫接合部發(fā)生膨脹或收縮,，普通 MLCC 端子電極的 Cu（銅）底材層均鍍了 Ni（鎳）及 Sn（錫）。而樹脂電極產(chǎn)品是一種在鍍 Cu 及鍍 Ni 層中加入導(dǎo)電性樹脂層的結(jié)構(gòu),。這種結(jié)構(gòu)具有一定柔性,，可以吸收其產(chǎn)生的應(yīng)力，與普通電極產(chǎn)品相比可改善連接的可靠性,。

　　普通電極 MLCC 與樹脂電極產(chǎn)品端子的不同

　　樹脂層可以吸收熱沖擊導(dǎo)致焊錫接合部膨脹收縮而產(chǎn)生的應(yīng)力以及基板彎曲應(yīng)力等,，防止元件體產(chǎn)生裂紋。

　　據(jù)介紹,，與普通電極產(chǎn)品相比,，TDK 的 MLCC 樹脂電極產(chǎn)品在耐基板彎曲性（極限彎曲）試驗(yàn)中具有 2 倍以上的彎曲耐性。測試表明,，普通電極產(chǎn)品的陶瓷元件體內(nèi)發(fā)生裂紋時,，雖然導(dǎo)電性樹脂電極產(chǎn)品鍍鎳層開始與導(dǎo)電性樹脂層剝離，但并未產(chǎn)生裂紋，因此確認(rèn)樹脂電極產(chǎn)品可以抑制裂紋,。

　　電子元件的焊錫裂紋源于制造中焊接工序及嚴(yán)酷的使用條件等,。主要原因是，在汽車反復(fù)溫度變化的環(huán)境中,，元件電極部與基板的熱膨脹系數(shù)之差導(dǎo)致了熱應(yīng)力施加于焊錫接合部位,。同時，出于環(huán)?？紤]，汽車用電子元件中使用了無鉛焊錫,，從溫度管理及焊錫組成來看,，比以往的共晶焊錫發(fā)生焊錫裂紋的風(fēng)險更高。

　　發(fā)生焊錫裂紋的主要原因

　　一般情況下,，經(jīng)過熱沖擊后會發(fā)生粘合強(qiáng)度降低,，普通電極 MLCC 在 3000 次熱循環(huán)（-55 至 125℃）沖擊試驗(yàn)后，粘合強(qiáng)度降低了約 90%,，而樹脂電極產(chǎn)品僅降低了約 50%,。樹脂電極產(chǎn)品優(yōu)異的耐熱沖擊性特點(diǎn)得到了熱沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)的確認(rèn)。

　　MLCC 熱沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　TDK 認(rèn)為,，在汽車發(fā)動機(jī)艙或有其他熱源設(shè)備等溫度變化較大的場合,，所使用的電子元件會因元件體裂紋、與基板接合部應(yīng)力引起焊錫裂紋,，可能導(dǎo)致元件脫落,、短路、開路故障,。使用樹脂電極產(chǎn)品可以在占用空間不變的前提下,，防止因基板翹曲、彎曲及熱沖擊而產(chǎn)生裂紋,，還可抑制外部應(yīng)力,，從而改善 ADAS 系統(tǒng)的連接可靠性。

　　9 月份,，TDK 已開始量產(chǎn)車載等級 CGA 系列樹脂電極 MLCC 新產(chǎn)品,，實(shí)現(xiàn)了更大電容量，其中 2012 規(guī)格電容為 22μF,，3216 規(guī)格電容為 47μF,。

　　·鉭聚合物電容搶占地盤

　　汽車中電子元件越來越多，而能夠容納它們的空間卻越來越小,。一些公司一直在探索縮小汽車級電容器,、節(jié)省板卡空間的機(jī)會。

　　Kemet 高級技術(shù)營銷經(jīng)理 Wilmer Companioni 認(rèn)為，汽車應(yīng)用具有特殊性,，MLCC 的穩(wěn)定性及容量精度與其采用的介質(zhì)材質(zhì)存在對應(yīng)關(guān)系,。其失效的主要原因是 MLCC 外部或內(nèi)部存在開裂、孔洞,、分層等各種微觀缺陷,。這些缺陷會直接影響 MLCC 的電性能、可靠性,，最終影響 ADAS 系統(tǒng)的功能,。

　　那么，有沒有一種既可靠又小巧的產(chǎn)品可以替代市場上的 MLCC 呢,？有,，鉭聚合物電容（Ta Polymer）為汽車設(shè)計(jì)師提供了一種新的潛在解決方案，有助于實(shí)現(xiàn)板空間節(jié)省,、無壓電噪聲和小型化的解決方案,。

　　他介紹說，自 2015 年以來,，Kemet 就推出了鉭聚合物 SMD 產(chǎn)品組合,，開啟了汽車元件小型化和降低整體解決方案成本的機(jī)會，并挑戰(zhàn)了 MLCC 供應(yīng)鏈,。

　　2018 年開始,，MLCC 供應(yīng)鏈顯示出一些松動，一些客戶在尋找 MLCC 的替代解決方案,。為了驗(yàn)證可行技術(shù),，Kemet 進(jìn)行了大量研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn),，工程師在 75V 以下和 1uF 到 1mF 之間電容范圍時,，可以使用鉭聚合物電容器。

　　不同電容器技術(shù)的電容和電壓

　　不過,，從 MLCC 轉(zhuǎn)換為鉭聚合物 SMD 元件的過程并不是“一對一”的,，需要遵循幾個注意事項(xiàng)。其中機(jī)械和尺寸特性是首先要驗(yàn)證的參數(shù),。

　　MLCC 轉(zhuǎn)為鉭聚合物 SMD 要考慮的參數(shù)

　　MLCC 和鉭聚合物電容之間能不能直接替代,，必須進(jìn)行尺寸比較：MLCC EIA 代碼 0805 和 1206 可以使用 P-2012 和 A-3216 尺寸直接替代。盡管替代不是直接的,，更大的 MLCC EIA 代碼 1210 和 2220 也可以用 B3528 和 D7343 來替代,。

　　MLCC 與鉭聚合物尺寸比較

　　為了確定什么樣的解決方案合適，就需要比較電氣特性,。MLCC 技術(shù)具有電容降偏效應(yīng),、溫容降效應(yīng)和最終壽命老化效應(yīng)的特點(diǎn),。另一方面，MLCC 技術(shù)泄漏電流極低,，絕緣電阻范圍為 100 至 1000MΩ,；鉭聚合物電容器的 DCL（漏電電流）指標(biāo)定義為 0.1×C×V μA（C：以μF 計(jì)的額定電容；V：以 V 計(jì)額定電壓）,。

　　MLCC 和鉭聚合物技術(shù)的電容效應(yīng)

　　在過去幾年里，鉭聚合物汽車產(chǎn)品組合最小尺寸為 3528-21,，現(xiàn)在,，已有了超小型外殼尺寸 3216-12（又名 1206）和 2012-10（又名 0805）。Kemet 的 T597 系列采用 3216-12 超小外殼尺寸,，已做到 125℃,，完全符合 AEC-Q200 標(biāo)準(zhǔn)。

　　今年推出的 T597 系列

　　除 AEC-Q200 要求外,，T597 系列也在撓性板（5mm,，60 秒）中進(jìn)行了測試,，顯示了所有電氣特性,，符合規(guī)范且無裂紋。

　　T597 EIA 3216-12 的撓性板測試

　　新型鉭聚合物 SMD T597 新的外殼尺寸為滿足汽車市場 ADAS 小型化趨勢提供了解決空間問題的方法,。例如,，作為前后攝像頭 5V 輸出電源軌，為超小型化 ADAS 應(yīng)用節(jié)省了板上空間,。

　　在這種類型應(yīng)用中,，0805 和 1206 MLCC 與 10μF 和 22μF 很常見，最高工作溫度限制在 105℃,。在汽車級解決方案中,，可考慮使用最高電容量的鉭聚合物 SMD P2012-10（與 0805 相同）和 S3216-10（與 1206 相同）來替代。

　　Wilmer Companioni 指出,，在用鉭聚合物電容替代 MLCC 時,，解決方案的總成本是主要驅(qū)動因素，而不是每個元件的成本,。

　　·超級電容助力汽車電氣化未來

　　自 2019 年 4 月起,，我國強(qiáng)制要求 9 米以上大客車裝備 AEB（自動緊急制動）裝置。因?yàn)?AEB 是 ADAS 的基本功能,，有人說國內(nèi) ADAS 系統(tǒng)迎來了政策紅利,。

　　ADAS 要使用各種先進(jìn)的傳感器、控制器,、執(zhí)行器等裝置,，這些都需要有可靠穩(wěn)定的分布式多電源網(wǎng)絡(luò)來提供能量,，以實(shí)現(xiàn)一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策,、多等級輔助駕駛等功能于一體的綜合系統(tǒng),；同時，作為汽車電氣和電子系統(tǒng)的統(tǒng)一安全要求,，ISO26262-18 新版的功能安全標(biāo)準(zhǔn)也將逐步執(zhí)行,，其執(zhí)行器用電安全已成為供電系統(tǒng)的關(guān)鍵要素之一。

　　伴隨 ADAS 部署,，對整車用電功率提出了更高的要求,。單靠原本就重量不菲、續(xù)航里程吃緊的鋰電池已經(jīng)力不從心,。怎么解決電力不足的問題呢,？

　　作為儲能裝置，超級電容器具有高功率密度,、快速充放電,、工作溫度范圍寬、免維護(hù),、綠色環(huán)保,、高可靠性和超長壽命的特點(diǎn)。它的理想應(yīng)用是需要高功率和恒定循環(huán)的場合,，例如 KERS（動能回收系統(tǒng)）,，其制動能量可以儲存并重新為車載設(shè)備供電。

　　隨著技術(shù)的進(jìn)步,，電池和超級電容器已成為互補(bǔ)技術(shù)：電池提供長期能源,，而超級電容器提供快速反應(yīng)和高功率。所以說,，超級電容器加電池是汽車電氣化的未來,。

　　電池的能量與超級電容的大電流快放電互補(bǔ)

　　NAWA Technologies 首席執(zhí)行官 Ulrik Grape 說，他的公司用 15 年開發(fā)了一種新型超級電容器,，可以提供現(xiàn)有超級電容器功率和能量的三到五倍,。這種超快速碳電池填補(bǔ)了現(xiàn)有超級電容器和鋰電池之間的鴻溝。其超級電容器型電池可以使電動汽車的續(xù)航里程提高一倍以上,，一次充電就可以行駛 1000 公里,，也可以在 5 分鐘內(nèi)充電到 80%的容量。

　　他也承認(rèn),，即使是最具創(chuàng)新性的超級電容器,，在儲能方面仍無法與鋰離子電池競爭。他說：“當(dāng)然可以用超級電容器給一輛小型車供電,，但續(xù)航里程很短,，需要經(jīng)常充電,。對于整個汽車行業(yè)，混合動力電池才可以釋放我們技術(shù)的全部潛力,?！?/p>

　　談到開發(fā)混合動力電池的初衷，Ulrik Grape 說：“毫無疑問,，汽車電池系統(tǒng)正在顯著改善,，但如果結(jié)合兩種不同的技術(shù)，就能帶來最好的混合能源儲存和動力,?！被旌想姵乇澈蟮睦碚撌卿囯x子電池和超級電容器的結(jié)合，它可以顯著降低電池組重量,，提高整體效率和系統(tǒng)壽命,。

　　NAWA 的超級電容器的金屬板采用 VACNT（垂直排列碳納米管）工藝制造，稱為超快速碳電池,。這些排列成陣列管子就像刷子上的刷毛,，大大增加了可容納電荷的表面積。

　　超快速碳電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)

　　Ulrik Grape 還表示：“通過超級電容器與鋰電池的結(jié)合,，可以使鋰電池更小,，降低能量和熱管理系統(tǒng)的復(fù)雜性，將總重量從 300 公斤減少到 210 公斤,，而具有相同的總功率,。重量減輕了 30%,，但性能更高,，行駛里程更長?！?/p>

　　其實(shí),，國內(nèi)在超級電容器應(yīng)用方面并不落后，作為首家將超級電容器應(yīng)用于乘用車的公司,，烯晶碳能全系列 3V 超級電容單體完全滿足 AEC-Q200 車規(guī)級要求和 ISO16750-3 Table12 要求,，已在紅旗 H5/H9、Volvo-XC40 等車型裝車十幾萬臺,，有近十個項(xiàng)目定點(diǎn),，其中用戶包括歐洲多家知名車企品牌。

　　烯晶碳能相關(guān)人士認(rèn)為,，汽車功能安全分析表明,，在 L2.5 級及以上自動駕駛模式（Hands Off）狀態(tài)下，車輛電源出現(xiàn)故障會導(dǎo)致車輛駕駛安全負(fù)載和自動駕駛負(fù)載無法工作,。為了提醒駕駛員立即接管駕駛并確保接管期間的駕駛安全,，需要有備用電源對這些負(fù)載進(jìn)行供電,，以確保駕駛安全。這時就是超級電容器的用武之地,。

　　應(yīng)用超級電容拓?fù)?/p>

　　經(jīng)過多年摸索,，烯晶碳能成功掌握了干法電極和超級電容器組合技術(shù)，擁有 40 多項(xiàng)相關(guān)專利,，成為全球少數(shù)幾家有技術(shù)能力提供 3V 體系的公司之一,。

　　在“干電極電池+超級電容器”技術(shù)體系中，干電極電池如同一個耐力很強(qiáng)的長跑選手,，提供源源不斷的動力,；超級電容器則是一個爆發(fā)力驚人的百米選手，為汽車提供瞬間需要的強(qiáng)勁能量,，并且沒有化學(xué)反應(yīng),，經(jīng)過上百萬次充放電而不影響使用壽命。不僅如此,，烯晶碳能也在研發(fā)另一種新型干電極電池,，預(yù)估能量密度比市場上的動力電池提高 50%，成本能降低 30%,。

　　超級電容器單體

　　另外,，隨著汽車“四化”的發(fā)展，車載控制器和執(zhí)行器數(shù)量越來越多,，當(dāng)故障發(fā)生時,，冗余電源快速供電，使車輛進(jìn)入失效安全或失效可運(yùn)行狀態(tài),。超級電容快速響應(yīng),、瞬時供電、長壽命,、使用溫度范圍寬,、安全可靠、體積小功率大的特性正是冗余電源的最佳選擇,。

　　下一個藍(lán)海市場

　　ADAS 被視為實(shí)現(xiàn) ADS（自動駕駛）的前提,，雖然完全實(shí)現(xiàn)汽車自動駕駛還有待時日，但市場對 ADAS 的需求在持續(xù)增長,。據(jù)估計(jì),，到 2025 年全球 ADAS 市場規(guī)模將達(dá) 275 億歐元，有助于汽車安全行駛的 ADAS 正成為大眾消費(fèi)的興奮點(diǎn),。

　　近年來,，在消費(fèi)市場遭遇利潤“紅海”的 MLCC 廠商紛紛轉(zhuǎn)攻車用市場,，不過與一般市場相比,，車用市場可靠性要求嚴(yán)苛,，對 MLCC 的性能需求也有很大的不同，因此必須有所創(chuàng)新,。

　　而超級電容在 ADAS 等車用領(lǐng)域還是一個藍(lán)海市場,，當(dāng)然，機(jī)會總是留給有準(zhǔn)備的人的,，看誰有這個能力吧,！