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新能源汽车中不得不说的大功率DC-DC
发布时间:2019-06-12
 

聊这个主题,主要是想提一下功率电子在未来电气化里面的作用,大功率的DC-DC在汽车电气化系统里面起到了一个关键的作用,但也与逆变器这种和车辆安全有着直接关联的设备有着本质的区别,对于车辆的功能安全,在这里暂不展开,实际上表1中不同产品的附加值,与是否涉及核心的车辆安全有直接的关系,更会影响到整车企业是否想把部件做成in-house的部件。


表1 功率电子在新能源汽车的基本分布



 
因此我们所涉及的DC-DC主要有三种类型。


1)高低压转换器(辅助功率模块)
此模块的主要作用是取代传统的12V发电机。如图1所示,强混以上的系统之中,发动机输出的动力直接驱动高压继电器对高压电池系统进行补电,传统的12V用电负荷,则完全依靠这个DC/DC变压器供给,因此传统的用电负荷补给也就落实到了这里。此类器件,几乎所有的新能源汽车都会应用,功率范围从1KW~2.2KW,也是未来48V系统的一个核心元件,将对此器件进行展开。



图1 高电压转换器的应用环境

DC-DC的三种类型


2)12V电压稳定器
12V电压稳定器,如图2所示,主要是用在部分Start-Stop系统(如果有可能,后续对Start-Stop将要做个分类,目前在欧洲SS系统已经应用非常广泛了。在启动过程中,如果采用某种架构用来防止电压波动对一些敏感器件产生影响。这里的敏感负载,主要包括用户可见的用电负载,如内饰灯和收音机等。电压稳压器的功率等级,随着敏感用电器的负荷而定,一般为200~400W;总体而言,此类器件功率等级较小,成本要求较为苛刻,欧洲的零部件厂家切入较早,这类器件的技术已经非常成熟。

图2 12V电压


3)高压升压器
这种高压升压器,如图3所示是一种选择性的架构,主要是某些整车企业,为了提高动力系统的效率,选择用一个Boost的升压器来提高逆变器输入的总线电压。因此,这个部件集成在逆变器里面,作为动力总成的一部分。此类器件,由于在特定的部件条件下,通过系统设计优化出来的一个附带产物,并不是每个整车企业都需要选择,特别是随着锂电化带来的系统电压等级的升高,这个器件对于普通的零配件企业而言不是很好的机会。



图3 高压升压器

高低压转换器部件的历史及性能评价指标


高低压转换器部件的历史
由于在磁性材料和部件领域的优势,加之日本混合动力汽车市场的培育较为成功,与日本整车汽车同步发展,在这个领域耕耘比较好的,是日本供应商,比如TDK;其产品线一代代进化如图所示,产品主要应用在本田的混合动力产品线上。其竞争对手Denso和Toyota Industry的产品,在不同的普锐斯/凯美瑞的混合动力车上使用,在整体销量上,是处于领先地位的,如图5所示。其他日本厂家如Shindengen Electric和Nichicon,也在依托其部件优势挤入汽车功率电子零部件市场。传统的汽车部件供应商,如博世、大陆和德尔福,虽然切入这个领域不算太晚,但这个部件的特点就决定较难依靠单一部件来盈利,在产量较低的时候,BOM成本会很高,不易切入。其他在工业功率电子中比较成功的艾默生和台达电子,特别是后者依托其工业消费功率电子的份额,在积极开拓这个市场。



图4 TDK DC-DC产品进化蓝图


图5 Denso和Toyota Industry的DC-DC 产品



性能评价指标
表2 DC-DC产品性能表



Denso

TDK

1

输入电压范围

288V(norminal)


2

输出电压范围

13~15V

14.5V

3

最大输出电流

120A

100A

4

最大效率

96%

94%

5

半载效率



6

尺寸

360mm × 95mm × 105mm


7

重量

2.7kg


拓扑结构


DC-DC的部件主要有以下的技术指标,如表2所示:
1. 功率等级:不同等级的车辆,往往在配置上存在非常大的差异,导致14V系统的动态功率需求变化。按照模块化开发的理念,选择不同的功率等级,来匹配不同等级的车辆,经过电气平衡之后,就可以覆盖很多的车型。这算是目前较为流行的做法。
2. 效率:对这个部件而言,效率是个极端重视的目标。它既决定了整个部件的散热方式,也决定了整个部件的寿命。评价效率的时候,往往采用与输出电流对应的效率曲线来表征,单个点上的最大效率其实是个很有欺骗性的数据。
3. 容积重量功率密度:部件一体化的设计,目前对于部件的体积和重量都有着苛刻的要求,从上面的图形来看,在这两个指标上,演进是较为迅速的。
4. 散热方式:同大部分功率电子部件一样,在2KW左右的等级上,有主动风冷和液冷两种方式。前者对于系统风道有要求,后者对于冷却液管路的排布有着限制。即使开发出来可用的部件,在整车集成的时候,散热也是一个很大的问题点。
5. 成本:目前来说,这个部件的成本要求是非常严格的,所以后面全桥这样的拓扑结构所需要的MOSFET较多,也会被人放弃掉。


图6 基于模块化开发的DC-DC部件战略


拓扑结构
早期的混合动力汽车上装的DC-DC基本是以全桥结构的拓扑来实现的,如图7,其优点是:
1. 全桥应用早期在大功率电器设备内非常常见,所以早期的混合动力系统从中学习。
2. 输入范围宽:全桥电路在较宽的范围内都有比较好的特性。
缺点:
1. 显而易见的是,用了较多MOSFET,成本较高。
2. 控制较为复杂,一般需要独立的控制单元。

如果感兴趣,可以看看英飞凌和ST所推荐的评估系统,其本身是以全桥系统为蓝本设计的。根据有限的资料和信息来看,目前的发展使用拓扑结构,也是借鉴工业上使用的经验,有源钳位正激和2 Stage直流变化拓扑都是值得尝试的。



图7 普锐斯中的全桥拓扑结构和当前Denso的新一代拓扑结构


DC-DC围墙瓶颈


围墙瓶颈
对于这个部件来说,先进的拓扑结构其实并不是很高的壁垒,对于安全性要求较高的电动汽车来说,隔离设计是必须的。其设计难点为:
1.热设计:对DC-DC需要进行良好的热设计,对液冷需要设计较好的流道。
2.EMC设计:需要设计输入滤波器以及输出滤波器,以确保EMC能过关,这点在汽车上应用尤其关键。
3.效率:在不同的输入电压条件下,达到较高的效率曲线。
4.保护功能设计:设计各种保护功能,以匹配整个输入电压曲线,以及12V保护系统要求。
5.可制造性要求:至少要可能达到半自动化的要求,因此对于整个板级的设计以及功率电路的连接都比较关键。如果电气化的量能够按照混合动力这么发展,未来制程的要求就成为筛选供应商的一个重要的条件。

在国内做这个部件,可能最大的挑战,是找不到好的车用磁性元件,向日本厂家买又是很困难的事情。从部件级别上面来看,有以下几点看法:


图8 变压器的发展


1.变压器:车用的2KW大功率变压器,似乎没有国内合格的供应商,想要绕开这个又是不可能的事情。而变压器的设计,本身就是整个功率电子里面一个核心的事情,出来产品的特性,很大一部分是源于材料。按照TDK的说明,其变压器的铁氧体材料“PC95”(PC95 ferrite core material),原料为Fe(铁)、Mn(锰)、Zn(锌),Fe的混合比例等与原产品(“PC44”、“PC45”等)不同。
1)平板变压器:我初次接触充电机,美国人想法就是用平板变压器,这种对PCB和制程工艺要求极高的做法,固然是一种路径,但是参数差异风险也直接与制程工艺联系起来了。
2)集成化:Denso的说明文档里面是将变压器与Chock coil合在一起,根据各个展会的资料,这不是它一家的想法。在我看来,DC-DC的硬件工程师有时候只能就地取材,这种器件级别的突破,已经不是工程师选个好方案那么简单的事情了。
2.MOSFET:能选用的,只有有限的几家,根据性能的情况来看,选择更加有限。所以这块的成本,居高不下。
3. 滤波电感:情况与变压器类似,由于工艺相对简单,主要问题在于材料。

上次偶然吃饭的时候,听到朋友谈及其友人,拿新能源车DC-DC作为创业产品,我个人以为还是有些难的。在国内走访的供应商里面,看到的积极因素不多。


参考文件
1.日经技术在线【电动汽车拆解】DC-DC转换器提高电压转换效率,保留铅蓄电池和DC-DC转换器的性能
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. 英飞凌 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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