技术原理及应用场景
DC/DC变换器是将一种电平的直流电压变换为另一种电平的直流电压的电路。DC-DC转换器的主要部件是变压器。利用变压器改变电压时,变压器需通过交流电压。充电电池是直流电压,因此DC-DC转换器通过利用功率半导体ON/OFF来自充电电池的直流电压,将其转换成交流电压。然后,利用变压器转换交流电压,再利用功率半导体将交流电压转换成12V的直流电压。利用功率半导体转换交流和直流时,为抑制电压波形的噪声(平滑化),还使用了电容器。
通俗来讲,变换器的输入是一个已经经过滤波之后的直流电压,但是其可以是固定不变的;变换器的输出是可变的直流电压,也针对许多应用设计成多种输出电压。目前DC/DC变换器的效率可以很高,达到90%以上。
从类别来看,根据是否使用隔离变压器,DC/DC变换器可分为隔离式DC/DC变换器和非隔离式DC/DC变换器。非隔离式DC/DC变换器一般都有一个开关和一个二极管,有的可能还会有一个电感和一个电容等储能元件。还有一些其他类型的非隔离式DC/DC变换器,其电路拓扑中有两个开关、两个二极管和一些储能元件。在许多应用场合,包括在电动汽车和混合动力汽车中需要实现输入和输出的电气隔离,隔离式DC/DC变换器就是这样一种有高频隔离变压器的基本拓扑结构。
图表1 DC-DC转换器的类别
DC/DC变换器在电动汽车(包括混合动力)中主要有以下三种应用类型:
1)高压升压器
这种高压升压器,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。
2)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。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。
3)12V电压稳定器
12V电压稳定器,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。
图表2 纯电动汽车中DC-DC转换器应用场景
图表3 混合动力汽车中DC-DC转换器应用场景
市场应用情况
在实际应用过程中,对DC-DC转换器的选择很重要,合理使用DC-DC可以有效地控制高电压值的稳定,有利于电动汽车驱动性能的提升。目前从国内电动汽车研发设计思路来看,大多厂商采用单向DC-DC转换器。单向DC-DC转换器可以达到优化电机控制、提高电动汽车整体效率性能的作用,同时还可以避免出现反向制动无法控制和变换器出现浪涌电压的不利情况。从2015年以前开发设计的电动汽车来看,单向DC-DC转换器为主流,国内外企业涉及该领域的企业也较多,市场产品相对充足。
近两年来,双向DC-DC转换器也开始被市场接受。双向DC-DC转换器能更加方便地实现能量的双向传输,减少了其他电子器件的使用,一定程度上节约了成本,同时其还有体积小、效率高等优势。从趋势来看,双向DC-DC转换器应用将越来越普遍。
一览众咨询通过测算,2016年中国新能源汽车DC/DC转换器市场规模约15亿元,未来几年随着新能源汽车产量的逐年提升,一览众咨询预计到2022年国内电动汽车DC/DC转换器市场规模将超过60亿元。
图表4 2016-2022年中国新能源汽车DC/DC转换器市场规模预测(亿元)
主要企业
DC-DC转换器一般会配套其他部件供应给整车企业,企业很难依靠这单一部件来盈利,在产量较低的时候,BOM成本会很高,不易切入,因此市场供应格局相对稳定。总体来看,全球DC-DC转换器企业主要有以下几类:
1)日本企业:从全球来看,日本在这一领域有较大的优势:一方面由于DC/DC转换器使用磁性材料,日本在磁性材料和部件领域具有优势;另一方面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,具有成功的市场运营经验。其中典型企业是TDK,产品主要应用在本田的混合动力产品上。另外Denso和Toyota Industry的DC-DC产品也主要应用于混合动力汽车上,主要应用车型为普锐斯、凯美瑞。
2)传统的汽车部件供应商:如博世、大陆和德尔福,在汽车电气元器件领域切入较早,有较深厚的技术积累,目前为全球主流电动车企配套。这类型企业产品多与其他零部件打包供应,很少单独供应DC-DC转换器。
3)其他在工业功率电子中比较成功企业:如艾默生和台达电子,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。
4)国内企业:中国企业在这一领域由以前的工业及民用电气元器件逐渐发展起来,目前,国内企业开始注重技术研发,引进国内先进的电源电气技术,对自身产品进行升级,以适应新能源汽车行业发展需求。
综合来看,国内外涉足到车载充电机、DC/DC转换器业务的企业为电气电子企业,其中国外主要企业有:联合电子、博世、艾默生、法雷奥、科世达、台达、英飞凌等企业。
国内除了比亚迪自己配套车载充电机、DC/DC转换器外,其他企业大多选择通过第三方采购。涉及DC/DC转换器业务的企业包括欣锐科技、杭州铁成信息、杭州富特、英搏尔、通合科技、南京中港电力、合肥华耀电子等。
图表5 部分DC-DC转换器(含车载充电机)企业及配套情况
近两年来,一批具有发展潜力的新兴企业、其他领域优势企业进入DC/DC领域的企业也纷纷参与市场角逐,如麦格米特、华盛新能源等。
