新能源汽車(chē)中不得不說(shuō)的大功率DC-DC

聊這個(gè)主題，主要是想提一下功率電子在未來(lái)電氣化里面的作用，大功率的DC-DC在汽車(chē)電氣化系統里面起到了一個(gè)關(guān)鍵的作用，但也與逆變器這種和車(chē)輛安全有著(zhù)直接關(guān)聯(lián)的設備有著(zhù)本質(zhì)的區別，對于車(chē)輛的功能安全，在這里暫不展開(kāi)，實(shí)際上表1中不同產(chǎn)品的附加值，與是否涉及核心的車(chē)輛安全有直接的關(guān)系，更會(huì )影響到整車(chē)企業(yè)是否想把部件做成in-house的部件。

表1 功率電子在新能源汽車(chē)的基本分布

　
因此我們所涉及的DC-DC主要有三種類(lèi)型。

1）高低壓轉換器（輔助功率模塊）
此模塊的主要作用是取代傳統的12V發(fā)電機。如圖1所示，強混以上的系統之中，發(fā)動(dòng)機輸出的動(dòng)力直接驅動(dòng)高壓繼電器對高壓電池系統進(jìn)行補電，傳統的12V用電負荷，則完全依靠這個(gè)DC/DC變壓器供給，因此傳統的用電負荷補給也就落實(shí)到了這里。此類(lèi)器件，幾乎所有的新能源汽車(chē)都會(huì )應用，功率范圍從1KW～2.2KW，也是未來(lái)48V系統的一個(gè)核心元件，將對此器件進(jìn)行展開(kāi)。

圖1 高電壓轉換器的應用環(huán)境

2）12V電壓穩定器
12V電壓穩定器，如圖2所示，主要是用在部分Start-Stop系統（如果有可能，后續對Start-Stop將要做個(gè)分類(lèi)，目前在歐洲SS系統已經(jīng)應用非常廣泛了。在啟動(dòng)過(guò)程中，如果采用某種架構用來(lái)防止電壓波動(dòng)對一些敏感器件產(chǎn)生影響。這里的敏感負載，主要包括用戶(hù)可見(jiàn)的用電負載，如內飾燈和收音機等。電壓穩壓器的功率等級，隨著(zhù)敏感用電器的負荷而定，一般為200～400W；總體而言，此類(lèi)器件功率等級較小，成本要求較為苛刻，歐洲的零部件廠(chǎng)家切入較早，這類(lèi)器件的技術(shù)已經(jīng)非常成熟。

圖2 12V電壓

3）高壓升壓器
這種高壓升壓器，如圖3所示是一種選擇性的架構，主要是某些整車(chē)企業(yè)，為了提高動(dòng)力系統的效率，選擇用一個(gè)Boost的升壓器來(lái)提高逆變器輸入的總線(xiàn)電壓。因此，這個(gè)部件集成在逆變器里面，作為動(dòng)力總成的一部分。此類(lèi)器件，由于在特定的部件條件下，通過(guò)系統設計優(yōu)化出來(lái)的一個(gè)附帶產(chǎn)物，并不是每個(gè)整車(chē)企業(yè)都需要選擇，特別是隨著(zhù)鋰電化帶來(lái)的系統電壓等級的升高，這個(gè)器件對于普通的零配件企業(yè)而言不是很好的機會(huì )。

圖3 高壓升壓器

高低壓轉換器部件的歷史
由于在磁性材料和部件領(lǐng)域的優(yōu)勢，加之日本混合動(dòng)力汽車(chē)市場(chǎng)的培育較為成功，與日本整車(chē)汽車(chē)同步發(fā)展，在這個(gè)領(lǐng)域耕耘比較好的，是日本供應商，比如TDK；其產(chǎn)品線(xiàn)一代代進(jìn)化如圖所示，產(chǎn)品主要應用在本田的混合動(dòng)力產(chǎn)品線(xiàn)上。其競爭對手Denso和Toyota Industry的產(chǎn)品，在不同的普銳斯/凱美瑞的混合動(dòng)力車(chē)上使用，在整體銷(xiāo)量上，是處于領(lǐng)先地位的，如圖5所示。其他日本廠(chǎng)家如Shindengen Electric和Nichicon，也在依托其部件優(yōu)勢擠入汽車(chē)功率電子零部件市場(chǎng)。傳統的汽車(chē)部件供應商，如博世、大陸和德?tīng)柛?，雖然切入這個(gè)領(lǐng)域不算太晚，但這個(gè)部件的特點(diǎn)就決定較難依靠單一部件來(lái)盈利，在產(chǎn)量較低的時(shí)候，BOM成本會(huì )很高，不易切入。其他在工業(yè)功率電子中比較成功的艾默生和臺達電子，特別是后者依托其工業(yè)消費功率電子的份額，在積極開(kāi)拓這個(gè)市場(chǎng)。

圖4 TDK DC-DC產(chǎn)品進(jìn)化藍圖

圖5 Denso和Toyota Industry的DC-DC 產(chǎn)品

性能評價(jià)指標
表2 DC-DC產(chǎn)品性能表

DC-DC的部件主要有以下的技術(shù)指標，如表2所示：
1. 功率等級：不同等級的車(chē)輛，往往在配置上存在非常大的差異，導致14V系統的動(dòng)態(tài)功率需求變化。按照模塊化開(kāi)發(fā)的理念，選擇不同的功率等級，來(lái)匹配不同等級的車(chē)輛，經(jīng)過(guò)電氣平衡之后，就可以覆蓋很多的車(chē)型。這算是目前較為流行的做法。
2. 效率：對這個(gè)部件而言，效率是個(gè)極端重視的目標。它既決定了整個(gè)部件的散熱方式，也決定了整個(gè)部件的壽命。評價(jià)效率的時(shí)候，往往采用與輸出電流對應的效率曲線(xiàn)來(lái)表征，單個(gè)點(diǎn)上的最大效率其實(shí)是個(gè)很有欺騙性的數據。
3. 容積重量功率密度：部件一體化的設計，目前對于部件的體積和重量都有著(zhù)苛刻的要求，從上面的圖形來(lái)看，在這兩個(gè)指標上，演進(jìn)是較為迅速的。
4. 散熱方式：同大部分功率電子部件一樣，在2KW左右的等級上，有主動(dòng)風(fēng)冷和液冷兩種方式。前者對于系統風(fēng)道有要求，后者對于冷卻液管路的排布有著(zhù)限制。即使開(kāi)發(fā)出來(lái)可用的部件，在整車(chē)集成的時(shí)候，散熱也是一個(gè)很大的問(wèn)題點(diǎn)。
5. 成本：目前來(lái)說(shuō)，這個(gè)部件的成本要求是非常嚴格的，所以后面全橋這樣的拓撲結構所需要的MOSFET較多，也會(huì )被人放棄掉。

圖6 基于模塊化開(kāi)發(fā)的DC-DC部件戰略

拓撲結構
早期的混合動(dòng)力汽車(chē)上裝的DC-DC基本是以全橋結構的拓撲來(lái)實(shí)現的，如圖7，其優(yōu)點(diǎn)是：
1. 全橋應用早期在大功率電器設備內非常常見(jiàn)，所以早期的混合動(dòng)力系統從中學(xué)習。
2. 輸入范圍寬：全橋電路在較寬的范圍內都有比較好的特性。
缺點(diǎn)：
1. 顯而易見(jiàn)的是，用了較多MOSFET，成本較高。
2. 控制較為復雜，一般需要獨立的控制單元。

如果感興趣，可以看看英飛凌和ST所推薦的評估系統，其本身是以全橋系統為藍本設計的。根據有限的資料和信息來(lái)看，目前的發(fā)展使用拓撲結構，也是借鑒工業(yè)上使用的經(jīng)驗，有源鉗位正激和2 Stage直流變化拓撲都是值得嘗試的。

圖7 普銳斯中的全橋拓撲結構和當前Denso的新一代拓撲結構

圍墻瓶頸
對于這個(gè)部件來(lái)說(shuō)，先進(jìn)的拓撲結構其實(shí)并不是很高的壁壘，對于安全性要求較高的電動(dòng)汽車(chē)來(lái)說(shuō)，隔離設計是必須的。其設計難點(diǎn)為：
1.熱設計：對DC-DC需要進(jìn)行良好的熱設計，對液冷需要設計較好的流道。
2.EMC設計：需要設計輸入濾波器以及輸出濾波器，以確保EMC能過(guò)關(guān)，這點(diǎn)在汽車(chē)上應用尤其關(guān)鍵。
3.效率：在不同的輸入電壓條件下，達到較高的效率曲線(xiàn)。
4.保護功能設計：設計各種保護功能，以匹配整個(gè)輸入電壓曲線(xiàn)，以及12V保護系統要求。
5.可制造性要求：至少要可能達到半自動(dòng)化的要求，因此對于整個(gè)板級的設計以及功率電路的連接都比較關(guān)鍵。如果電氣化的量能夠按照混合動(dòng)力這么發(fā)展，未來(lái)制程的要求就成為篩選供應商的一個(gè)重要的條件。

在國內做這個(gè)部件，可能最大的挑戰，是找不到好的車(chē)用磁性元件，向日本廠(chǎng)家買(mǎi)又是很困難的事情。從部件級別上面來(lái)看，有以下幾點(diǎn)看法：

圖8 變壓器的發(fā)展

1.變壓器：車(chē)用的2KW大功率變壓器，似乎沒(méi)有國內合格的供應商，想要繞開(kāi)這個(gè)又是不可能的事情。而變壓器的設計，本身就是整個(gè)功率電子里面一個(gè)核心的事情，出來(lái)產(chǎn)品的特性，很大一部分是源于材料。按照TDK的說(shuō)明，其變壓器的鐵氧體材料“PC95”（PC95 ferrite core material），原料為Fe（鐵）、Mn（錳）、Zn（鋅），Fe的混合比例等與原產(chǎn)品（“PC44”、“PC45”等）不同。
1）平板變壓器：我初次接觸充電機，美國人想法就是用平板變壓器，這種對PCB和制程工藝要求極高的做法，固然是一種路徑，但是參數差異風(fēng)險也直接與制程工藝聯(lián)系起來(lái)了。
2）集成化：Denso的說(shuō)明文檔里面是將變壓器與Chock coil合在一起，根據各個(gè)展會(huì )的資料，這不是它一家的想法。在我看來(lái)，DC-DC的硬件工程師有時(shí)候只能就地取材，這種器件級別的突破，已經(jīng)不是工程師選個(gè)好方案那么簡(jiǎn)單的事情了。
2.MOSFET：能選用的，只有有限的幾家，根據性能的情況來(lái)看，選擇更加有限。所以這塊的成本，居高不下。
3. 濾波電感：情況與變壓器類(lèi)似，由于工藝相對簡(jiǎn)單，主要問(wèn)題在于材料。

上次偶然吃飯的時(shí)候，聽(tīng)到朋友談及其友人，拿新能源車(chē)DC-DC作為創(chuàng )業(yè)產(chǎn)品，我個(gè)人以為還是有些難的。在國內走訪(fǎng)的供應商里面，看到的積極因素不多。

參考文件
1.日經(jīng)技術(shù)在線(xiàn)【電動(dòng)汽車(chē)拆解】DC-DC轉換器提高電壓轉換效率，保留鉛蓄電池和DC-DC轉換器的性能
2. A High Power DC/DC Converter Designed for Single oolant Loop Hybrid Electric Vehicle Application Zhu, Miaosen Shen and Matthew Obrigkeit Continental Automotive Systems
3. TDK DC-DC Converter for Automotive
4. Highly Efficient and Compact DC-DC Converter for Ultra-Fast Charging of Electric Vehicles D. Christen, S. Tschannen, J. Biela Laboratory for High Power Electronic Systems
5. Cars to drive electronic component demand Industry overview Bank of America Merrill Lynch
6. 英飛凌 HV to LV DC/DC-Converter Evaluation Kit with Easy Automotive Module F4-50R07W1H3_B11A
7. ST DC-DC converter for Hybrid Electric Vehicle and EV

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