功率電子在新能源汽車的基本分布
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的設備有著本質的區別，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的12V發電機。如圖1所示，強混以上的系統之中，發動機輸出的動力直接驅動高壓繼電器對高壓電池系統進行補電，傳統的12V用電負荷，則完全依靠這個DC/DC變壓器供給，因此傳統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境
DC-DC的三種類型
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將要做個分類，目前在歐洲SS系統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，為了提高動力系統的效率，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，通過系統設計優化出來的一個附帶產物，并不是每個整車企業都需要選擇，特別是隨著鋰電化帶來的系統電壓等級的升高，這個器件對于普通的零配件企業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及性能評價指標
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，也在依托其部件優勢擠入汽車功率電子零部件市場。傳統的汽車部件供應商，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&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
|
|
|
Denso
|
TDK
|
|
1
|
輸入電壓范 圍
|
288V(norminal)
|
|
|
2
|
輸出電壓范 圍
|
13 ～15V
|
14.5V
|
|
3
|
最大輸出電 流
|
120A
|
100A
|
|
4
|
最大效 率
|
96%
|
94%
|
|
5
|
半載效 率
|
|
|
|
6
|
尺 寸
|
360mm × 95mm × 105mm
|
|
|
7
|
重 量
|
2.7kg
|
|
拓撲結構
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系統的動態功率需求變化。按照模塊化開發的理念，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 基于模塊化開發的DC-DC部件戰略
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，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看，目前的發展使用拓撲結構，也是借鑒工業上使用的經驗，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
DC-DC圍墻&瓶頸
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，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作為創業產品，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。 |
