電動(dòng)汽車(chē)拆解002 DC-DC轉(zhuǎn)換器

1、【電動(dòng)汽車(chē)拆解】（二）DC-DC轉(zhuǎn)換器：提高電壓轉(zhuǎn)換效率近藤朋之，TDK電力系統(tǒng)業(yè)務(wù)集團(tuán)EV電源部部長(zhǎng)圖1：本田新款混合動(dòng)力車(chē)“Insight”的后座周?chē)捎眯⌒突疨CU（功率控制單元）。原來(lái)配置在后座后面，通過(guò)小型化，得以配置在行李艙下面。后座后面可以當(dāng)作行李艙空間使用。 TDK已開(kāi)始向混合動(dòng)力車(chē)及電動(dòng)汽車(chē)提供“DC-DC轉(zhuǎn)換器”。電動(dòng)汽車(chē)充電電池的電壓高達(dá)數(shù)百伏。DC-DC轉(zhuǎn)換器將充電電池的電壓降至14V，提供給鉛蓄電池。再把鉛蓄電池作為電源驅(qū)動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)的輔機(jī)類(lèi)、雨刷及前照燈等器件。世界首款量產(chǎn)混合動(dòng)力車(chē)的投入使用已經(jīng)12年。包括TDK在內(nèi)，DC-DC轉(zhuǎn)換器單位體積的功率密度逐年提高，估計(jì)今

2、后也是這一趨勢(shì)。TDK的DC-DC轉(zhuǎn)換器于1997年實(shí)際應(yīng)用于混合動(dòng)力車(chē)。本田將在現(xiàn)行的“思域混合動(dòng)力車(chē)”和新款I(lǐng)nsight上采用（圖1）。還被部分海外廠商應(yīng)用于混合動(dòng)力車(chē)。 圖2：Insight采用的DC-DC轉(zhuǎn)換器將混合動(dòng)力車(chē)配備的數(shù)100V的充電電池電壓降至鉛蓄電池的14V電壓。Insight采用的空冷散熱方式。Insight之所以采用TDK制造的DC-DC轉(zhuǎn)換器，是因?yàn)槟軌驖M足小型化與輕量化的要求。本田對(duì)Insight減小了包括DC-DC轉(zhuǎn)換器和逆變器在內(nèi)的PCU（功率控制單元）尺寸及鎳氫充電電池的尺寸。這些器件在思域混合動(dòng)力車(chē)中曾配置在后座后面，而在Insight中，卻配置在行李艙

3、下面，以使行李艙的可用空間比以前增大。DC-DC轉(zhuǎn)換器的小型化有利于擴(kuò)大行李艙容量，降低成本。Insight之所以采用TDK制造的DC-DC轉(zhuǎn)換器，是因?yàn)槟軌驖M足小型化與輕量化的要求。本田對(duì)Insight減小了包括DC-DC轉(zhuǎn)換器和逆變器在內(nèi)的PCU（功率控制單元）尺寸及鎳氫充電電池的尺寸。這些器件在思域混合動(dòng)力車(chē)中曾配置在后座后面，而在Insight中，卻配置在行李艙下面，以使行李艙的可用空間比以前增大。DC-DC轉(zhuǎn)換器的小型化有利于擴(kuò)大行李艙容量，降低成本。省去交流發(fā)電機(jī)混合動(dòng)力車(chē)及電動(dòng)汽車(chē)導(dǎo)入DC-DC轉(zhuǎn)換器之后，可省去交流發(fā)電機(jī)。交流發(fā)電機(jī)利用發(fā)動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)發(fā)電，發(fā)出的電為鉛蓄電池充電（

4、圖3）。電動(dòng)汽車(chē)的充電電池容量很大。因此，以充電電池為電源，能夠利用DC-DC轉(zhuǎn)換器為鉛蓄電池充電。從而可以省去原來(lái)的交流發(fā)電機(jī)（圖4）。Insight就未配備交流發(fā)電機(jī)（圖5）。 圖3：汽油發(fā)動(dòng)機(jī)車(chē)配備交流發(fā)電機(jī)利用發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)交流發(fā)電機(jī)，為鉛蓄電池充電。圖5：Insight的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)未配備交流發(fā)電機(jī)。圖4：混合動(dòng)力車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)不需要交流發(fā)電機(jī)利用DC-DC轉(zhuǎn)換器降低充電電池的電壓，為鉛蓄電池充電。 使用充電電池和DC-DC轉(zhuǎn)換器，可以不必考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速而為鉛蓄電池充電。原來(lái)的汽油發(fā)動(dòng)機(jī)車(chē)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速低時(shí)，如果同時(shí)使用空調(diào)、立體聲及車(chē)燈等，有時(shí)“電池的電量會(huì)用盡”。即使發(fā)動(dòng)機(jī)仍在運(yùn)行，

5、有些條件下也會(huì)出現(xiàn)電力不足現(xiàn)象。而如果像混合動(dòng)力車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)這樣使用充電電池和DC-DC轉(zhuǎn)換器，便可不必考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速而使用電力。保留鉛蓄電池混合動(dòng)力車(chē)和電動(dòng)汽車(chē)按說(shuō)也能省去鉛蓄電池，但實(shí)際上還是保留了鉛蓄電池（圖6）。Insight也保留了鉛蓄電池。這樣做有兩大原因。一是保留鉛蓄電池更能夠降低整個(gè)車(chē)輛的成本。二是確保電源的冗余度。圖6：包括DC-DC轉(zhuǎn)換器的混合動(dòng)力車(chē)系統(tǒng)構(gòu)成現(xiàn)在的DC-DC轉(zhuǎn)換器為單向電流，而今后有可能變成雙向。有些車(chē)型還追加DC/AC輸出端及升壓轉(zhuǎn)換器等轉(zhuǎn)換器部件。鉛蓄電池能在短時(shí)間內(nèi)向空調(diào)、雨刷及車(chē)燈等釋放大電流。如果省去鉛蓄電池而將充電電池的電力用于補(bǔ)機(jī)類(lèi)、空調(diào)及雨

6、刷等，DC-DC轉(zhuǎn)換器的尺寸勢(shì)必就要增大，從而使整體成本增加。鉛蓄電池便宜，因此目前將鉛蓄電池置換成充電電池還沒(méi)有成本上的優(yōu)勢(shì)。二是鉛蓄電池還有確保向補(bǔ)機(jī)類(lèi)供電的冗余度的作用。DC-DC轉(zhuǎn)換器出現(xiàn)故障停止供電時(shí)，如果沒(méi)有鉛蓄電池，補(bǔ)機(jī)類(lèi)就會(huì)立即停止運(yùn)行。夜間車(chē)燈不亮，雨天雨刷停止運(yùn)行等，就會(huì)影響駕駛。如果有鉛蓄電池，便能夠?qū)⑵?chē)就近開(kāi)到家里或者工廠。今后DC-DC轉(zhuǎn)換器功能改進(jìn)的方向之一是雙向化?，F(xiàn)在使用的DC-DC轉(zhuǎn)換器只是單向改變電壓?，F(xiàn)在也存在要求雙向的需求。當(dāng)充電電池的電力不足時(shí)，便可將鉛蓄電池的電力輸入充電電池，以備緊急之需。雙向化是今后將繼續(xù)探討的課題，這也是確保冗余度的方法。TD

7、K分代開(kāi)發(fā)了DC-DC轉(zhuǎn)換器基本電路（平臺(tái)）（圖7）。其中包括2001年開(kāi)始量產(chǎn)的“GEN3”（第3代）、2005年量產(chǎn)的“GEN4” （第4代）、2008年量產(chǎn)的“GEN4.5”（第4.5代）?，F(xiàn)在正在開(kāi)發(fā)的是“GEN5”（第5代）。根據(jù)基本電路，制成符合各汽車(chē)公司要求的產(chǎn)品。圖7：DC-DC轉(zhuǎn)換器的發(fā)展藍(lán)圖公布了該公司2001年以來(lái)的產(chǎn)品。DC-DC轉(zhuǎn)換器不斷小型·輕量化，效率不斷提高。DC-DC轉(zhuǎn)換器不同的代規(guī)定了變壓器的種類(lèi)及DC-DC轉(zhuǎn)換器電路的基本構(gòu)造。水冷/空冷、端子位置，主體形狀等根據(jù)采用車(chē)型進(jìn)行設(shè)計(jì)。基本構(gòu)造以嚴(yán)酷環(huán)境下的空冷為前提設(shè)計(jì)。按產(chǎn)品來(lái)看，轉(zhuǎn)換效率由第2代

8、到第5代一直在提高（圖8）。電流為10A時(shí)，轉(zhuǎn)換效率分別為約84（第2代）、約86（第4代）、約 89（第4.5代）。電流為70A時(shí)，轉(zhuǎn)換效率由約86（第2代）提高到約88（第4.5代）。預(yù)計(jì)下一代第5代將超過(guò)90。DC-DC轉(zhuǎn)換器的性能DC-DC轉(zhuǎn)換器的主要部件是變壓器。變壓器由一次側(cè)（輸入側(cè)、充電電池側(cè)）和二次側(cè)（輸出側(cè)、鉛蓄電池側(cè)）兩種線圈構(gòu)成。線圈比與電壓比成比例。利用變壓器改變電壓時(shí)，變壓器需通過(guò)交流電壓。充電電池是直流電壓，因此DC-DC轉(zhuǎn)換器通過(guò)利用功率半導(dǎo)體ON/OFF來(lái)自充電電池的直流電壓，將其轉(zhuǎn)換成交流電壓。然后，利用變壓器轉(zhuǎn)換交流電壓，再利用功率半導(dǎo)體將交流電壓轉(zhuǎn)換成14

9、V的直流電壓。利用功率半導(dǎo)體轉(zhuǎn)換交流和直流時(shí)，為抑制電壓波形的噪聲（平滑化），還使用了電容器。圖8：DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率效率逐代進(jìn)化。最新一代GEN4.5的轉(zhuǎn)換效率為90左右。下一代將超過(guò)90。決定DC-DC轉(zhuǎn)換器性能的主要因素是變壓器。變壓器的大小、形狀及支持的開(kāi)關(guān)頻率隨著更新?lián)Q代而進(jìn)化（圖9）。開(kāi)關(guān)頻率由70kHz提高到110kHz，變壓器鐵芯的重量由215g左右減輕至61g左右。變壓器的線圈通過(guò)采用層疊平面線圈的類(lèi)型，降低了高度。通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率，可減小變壓器和整流電路的尺寸。因?yàn)轭l率提高，可使功率半導(dǎo)體單位時(shí)間的開(kāi)關(guān)次數(shù)增加。不過(guò)，為防止接近收音機(jī)AM廣播的頻率，過(guò)去一直采用70kH

10、z頻帯。最近由于抑制噪聲的技術(shù)取得進(jìn)步，采用了比原來(lái)高40kHz的110kHz頻帯。變壓器的鐵芯材料采用的是最新的鐵氧體材料“PC95”。PC95的原料為Fe（鐵）、Mn（錳）、Zn（鋅）。Fe的混合比例等與原產(chǎn)品 （“PC44”、“PC45”等）不同。原產(chǎn)品在有些溫度下，會(huì)出現(xiàn)鐵損增大、效率降低現(xiàn)象。最新的鐵芯可在很大的溫度范圍內(nèi)減小鐵損。鐵損以磁滯損耗為主，還包括渦流損耗。與二次側(cè)變壓器相連的整流二極管采用了比上代熱損耗低的產(chǎn)品。這樣，整流二極管的封裝面積比原來(lái)減小40。圖9：變壓器鐵芯逐代進(jìn)化（a）產(chǎn)品越新（PC95），溫度特性越高。（b）隨著產(chǎn)品更新?lián)Q代，重量減輕、能量效率提高、進(jìn)化成易于散熱的形狀?；旌蟿?dòng)