新能源汽車中不得不說的大功率DC-DC

聊這個主題，主要是想提一下功率電子在未來電氣化里面的作用，大功率的DC-DC在汽車電氣化系統(tǒng)里面起到了一個關鍵的作用，但也與逆變器這種和車輛安全有著直接關聯(lián)的設備有著本質的區(qū)別，對于車輛的功能安全，在這里暫不展開，實際上表1中不同產品的附加值，與是否涉及核心的車輛安全有直接的關系，更會影響到整車企業(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的基本分布

　
因此我們所涉及的DC-DC主要有三種類型。

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(tǒng)的12V發(fā)電機。如圖1所示，強混以上的系統(tǒng)之中，發(fā)動機輸出的動力直接驅動高壓繼電器對高壓電池系統(tǒng)進行補電，傳統(tǒng)的12V用電負荷，則完全依靠這個DC/DC變壓器供給，因此傳統(tǒng)的用電負荷補給也就落實到了這里。此類器件，幾乎所有的新能源汽車都會應用，功率范圍從1KW～2.2KW，也是未來48V系統(tǒng)的一個核心元件，將對此器件進行展開。

圖1 高電壓轉換器的應用環(huán)境

2）12V電壓穩(wěn)定器
12V電壓穩(wěn)定器，如圖2所示，主要是用在部分Start-Stop系統(tǒng)（如果有可能，后續(xù)對Start-Stop將要做個分類，目前在歐洲SS系統(tǒng)已經應用非常廣泛了。在啟動過程中，如果采用某種架構用來防止電壓波動對一些敏感器件產生影響。這里的敏感負載，主要包括用戶可見的用電負載，如內飾燈和收音機等。電壓穩(wěn)壓器的功率等級，隨著敏感用電器的負荷而定，一般為200～400W；總體而言，此類器件功率等級較小，成本要求較為苛刻，歐洲的零部件廠家切入較早，這類器件的技術已經非常成熟。

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，主要是某些整車企業(yè)，為了提高動力系統(tǒng)的效率，選擇用一個Boost的升壓器來提高逆變器輸入的總線電壓。因此，這個部件集成在逆變器里面，作為動力總成的一部分。此類器件，由于在特定的部件條件下，通過系統(tǒng)設計優(yōu)化出來的一個附帶產物，并不是每個整車企業(yè)都需要選擇，特別是隨著鋰電化帶來的系統(tǒng)電壓等級的升高，這個器件對于普通的零配件企業(yè)而言不是很好的機會。

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域的優(yōu)勢，加之日本混合動力汽車市場的培育較為成功，與日本整車汽車同步發(fā)展，在這個領域耕耘比較好的，是日本供應商，比如TDK；其產品線一代代進化如圖所示，產品主要應用在本田的混合動力產品線上。其競爭對手Denso和Toyota Industry的產品，在不同的普銳斯/凱美瑞的混合動力車上使用，在整體銷量上，是處于領先地位的，如圖5所示。其他日本廠家如Shindengen Electric和Nichicon，也在依托其部件優(yōu)勢擠入汽車功率電子零部件市場。傳統(tǒng)的汽車部件供應商，如博世、大陸和德爾福，雖然切入這個領域不算太晚，但這個部件的特點就決定較難依靠單一部件來盈利，在產量較低的時候，BOM成本會很高，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，在積極開拓這個市場。

圖4 TDK DC-DC產品進化藍圖

圖5 Denso和Toyota Industry的DC-DC 產品

性能評價指標
表2 DC-DC產品性能表

DC-DC的部件主要有以下的技術指標，如表2所示：
1. 功率等級：不同等級的車輛，往往在配置上存在非常大的差異，導致14V系統(tǒng)的動態(tài)功率需求變化。按照模塊化開發(fā)的理念，選擇不同的功率等級，來匹配不同等級的車輛，經過電氣平衡之后，就可以覆蓋很多的車型。這算是目前較為流行的做法。
2. 效率：對這個部件而言，效率是個極端重視的目標。它既決定了整個部件的散熱方式，也決定了整個部件的壽命。評價效率的時候，往往采用與輸出電流對應的效率曲線來表征，單個點上的最大效率其實是個很有欺騙性的數據。
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苛刻的要求，從上面的圖形來看，在這兩個指標上，演進是較為迅速的。
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，有主動風冷和液冷兩種方式。前者對于系統(tǒng)風道有要求，后者對于冷卻液管路的排布有著限制。即使開發(fā)出來可用的部件，在整車集成的時候，散熱也是一個很大的問題點。
5. 成本：目前來說，這個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，也會被人放棄掉。

圖6 基于模塊化開發(fā)的DC-DC部件戰(zhàn)略

拓撲結構
早期的混合動力汽車上裝的DC-DC基本是以全橋結構的拓撲來實現的，如圖7，其優(yōu)點是：
1. 全橋應用早期在大功率電器設備內非常常見，所以早期的混合動力系統(tǒng)從中學習。
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：
1. 顯而易見的是，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(tǒng)，其本身是以全橋系統(tǒng)為藍本設計的。根據有限的資料和信息來看，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
對于這個部件來說，先進的拓撲結構其實并不是很高的壁壘，對于安全性要求較高的電動汽車來說，隔離設計是必須的。其設計難點為：
1.熱設計：對DC-DC需要進行良好的熱設計，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能過關，這點在汽車上應用尤其關鍵。
3.效率：在不同的輸入電壓條件下，達到較高的效率曲線。
4.保護功能設計：設計各種保護功能，以匹配整個輸入電壓曲線，以及12V保護系統(tǒng)要求。
5.可制造性要求：至少要可能達到半自動化的要求，因此對于整個板級的設計以及功率電路的連接都比較關鍵。如果電氣化的量能夠按照混合動力這么發(fā)展，未來制程的要求就成為篩選供應商的一個重要的條件。

在國內做這個部件，可能最大的挑戰(zhàn)，是找不到好的車用磁性元件，向日本廠家買又是很困難的事情。從部件級別上面來看，有以下幾點看法：

圖8 變壓器的發(fā)展

1.變壓器：車用的2KW大功率變壓器，似乎沒有國內合格的供應商，想要繞開這個又是不可能的事情。而變壓器的設計，本身就是整個功率電子里面一個核心的事情，出來產品的特性，很大一部分是源于材料。按照TDK的說明，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，但是參數差異風險也直接與制程工藝聯(lián)系起來了。
2）集成化：Denso的說明文檔里面是將變壓器與Chock coil合在一起，根據各個展會的資料，這不是它一家的想法。在我看來，DC-DC的硬件工程師有時候只能就地取材，這種器件級別的突破，已經不是工程師選個好方案那么簡單的事情了。
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：情況與變壓器類似，由于工藝相對簡單，主要問題在于材料。

上次偶然吃飯的時候，聽到朋友談及其友人，拿新能源車DC-DC作為創(chuàng)業(yè)產品，我個人以為還是有些難的。在國內走訪的供應商里面，看到的積極因素不多。

參考文件
1.日經技術在線【電動汽車拆解】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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