全球汽車直流/直流(DC-DC) 變換器市場(chǎng)預(yù)計(jì)到2026年將增長(zhǎng)到170億美元的規(guī)模。這標(biāo)志著從2021年到2026年的復(fù)合年增長(zhǎng)率將會(huì)超過10%。直流/直流變換器是車輛上的一個(gè)必備零部件，它通過轉(zhuǎn)換電壓為各種車載系統(tǒng)供電，例如越來越復(fù)雜的信息娛樂系統(tǒng)，以及使用先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 的增強(qiáng)型安全系統(tǒng)。電動(dòng)汽車 (EV) 無論是純電型還是混動(dòng)型 (HEV) 的日益普及，也在刺激著直流/直流變換器的需求迅猛增長(zhǎng)。我們現(xiàn)在來看看哪些行業(yè)趨勢(shì)和技術(shù)有助于推動(dòng)更高效直流/直流變換器的發(fā)展。混動(dòng)汽車和電動(dòng)汽車有許多架構(gòu)上的差異。圖1和圖2顯示了這兩種架構(gòu)的簡(jiǎn)化示意圖。強(qiáng)混動(dòng)(或并行混動(dòng))和純電動(dòng)汽車的電氣化動(dòng)力總成都是由大容量電池提供的高電壓 (HV) 總線來驅(qū)動(dòng)的。

　　圖1、 強(qiáng)混動(dòng)/全混動(dòng)汽車的簡(jiǎn)化示意圖

　　逆變器和電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)的功率電平最低大約60kW，最高可以超過180kW。除了大容量鋰電池以外，另外一項(xiàng)重大投資就是開發(fā)這些架構(gòu)。大多數(shù)組件都是雙向的，允許電力從電池流向逆變器，使電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)和推動(dòng)汽車運(yùn)動(dòng)起來(牽引驅(qū)動(dòng))。而在減速時(shí)，汽車的動(dòng)量又驅(qū)使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，再通過逆變器回收電力并為電池重新充電(再生制動(dòng))。在中度混動(dòng) (MH) 汽車中，電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)、逆變器和電池也都是雙向的。它們雖然不足以完全獨(dú)立驅(qū)動(dòng)汽車(像在混動(dòng)汽車或電動(dòng)汽車中一樣)，但仍然可在加速期間為發(fā)動(dòng)機(jī)補(bǔ)充電力，并在減速時(shí)為電池重新充電。中度混動(dòng)汽車的電壓電平通常是48V，可使高電壓總線保持在60V的安全額定電壓內(nèi)，也能以相同的額定電流為12V總線提供四倍的電力。

　　圖2、中度混動(dòng)汽車的簡(jiǎn)化示意圖

　　直流/直流變換器是這兩種架構(gòu)中的關(guān)鍵組件，它將高電壓總線(中度混動(dòng)汽車為- 48V;電動(dòng)汽車/混動(dòng)汽車為100V)轉(zhuǎn)換為傳統(tǒng)的12V電力總線，后者為大多數(shù)電子負(fù)載供電。在強(qiáng)混動(dòng)汽車或電動(dòng)汽車應(yīng)用中，直流/直流變換器的作用是將高電壓總線中的電力轉(zhuǎn)換到12V，從而為12V電池充電。目前還沒有將12V總線的電力“提升”到高電壓總線的應(yīng)用，因此這些架構(gòu)中的直流/直流變換器基本都是單向的。然而，在中度混動(dòng)架構(gòu)中，直流/直流變換器除了要從48V總線為12V電池充電外，還需要將12V總線中的電力轉(zhuǎn)換到48V總線。主要的應(yīng)用是，在使用接觸器將48V電池連接到該總線之前對(duì)48V總線(即逆變器的輸入電容)進(jìn)行預(yù)充電。預(yù)充電對(duì)電池電壓和逆變器輸入進(jìn)行均衡，從而能最大程度減小接觸器的電弧現(xiàn)象。隨著這兩種架構(gòu)的市場(chǎng)不斷發(fā)展，高壓總線上還會(huì)增加新的負(fù)載。高壓總線上的負(fù)載通常比低壓總線上的負(fù)載效率更高。此外，電子負(fù)載僅在需要時(shí)(比如泵)進(jìn)行電子控制和通電，效率遠(yuǎn)超機(jī)械負(fù)載，因?yàn)楹笳吲c機(jī)械動(dòng)力總成始終保持連接。隨著越來越多的負(fù)載過渡到使用高壓總線，這就可能額 外產(chǎn)生將12V總線上的電力提升到高壓總線的需求。例如，鋰離子電池在低溫下性能不佳。因此，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)器由高壓總線供電時(shí)，采用12V鉛酸電池就會(huì)多有益處。因?yàn)樗哂辛己玫睦鋯?dòng)能力，可以通過直流/直流變換器將電力返回到高壓總線，幫助啟動(dòng)器驅(qū)使發(fā)動(dòng)機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　圖3、直流/直流變換器在汽車中的位置示意

　?、?、不同直流/直流變換器的應(yīng)用模式

　　新能源汽車直流/直流變換器有降壓型變換器、穩(wěn)壓型變換器和升壓型變換器。降壓變換器幾乎所有新能源汽車都會(huì)應(yīng)用，穩(wěn)壓器主要用在Start-Stop系統(tǒng)，升壓器個(gè)別整車企業(yè)會(huì)應(yīng)用，主要集成在逆變器里。降壓型DC/DC變換器的作用是將動(dòng)力電池輸出的高壓電轉(zhuǎn)換成低壓電，給汽車低壓電氣設(shè)備供電，同時(shí)給低壓蓄電池充電。當(dāng)車輛啟動(dòng)時(shí)，低壓蓄電池為低壓電氣設(shè)備供電，當(dāng)行駛時(shí)，DC/DC變換器為低壓電氣設(shè)備供電。

　　圖4、直流/直流變換器供電示意圖

　　12V穩(wěn)壓型DC/DC變換器是防止在車輛啟動(dòng)過程中，電壓的波動(dòng)對(duì)一些敏感器件產(chǎn)生影響。升壓型DC/DC變換器的作用是為了提高新能源汽車的動(dòng)力系統(tǒng)的效率，選擇用一個(gè)Boost的升壓器來提高逆變器輸入的總線電壓。

　　1、DC/DC變換器在純電動(dòng)汽車中的應(yīng)用純電動(dòng)汽車中的DC/DC變換器應(yīng)用主要包括對(duì)低壓蓄電池充電、低壓電氣設(shè)備供電、減速或制動(dòng)時(shí)的能量回收以及提供驅(qū)動(dòng)電機(jī)所需要電壓等。在車輛行駛過程中，DC/DC變換器將動(dòng)力電池電壓轉(zhuǎn)換為電動(dòng)機(jī)所需要的電壓，再經(jīng)過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　圖5、純電模式

　　當(dāng)車輛減速制動(dòng)時(shí)，DC/DC變換器將車輛減速/制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電能經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換輸入給動(dòng)力電池，完成能量回收。

　　圖6、制動(dòng)能量回收模式

　　最重要的是，DC/DC變換器將動(dòng)力電池的高電壓轉(zhuǎn)換成低電壓為低壓蓄電池充電，同時(shí)為整車低壓電氣設(shè)備供電。

　　2、雙向DC/DC變換器在混合動(dòng)力汽車中的應(yīng)用當(dāng)混合動(dòng)力汽車啟動(dòng)或極低車速時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)在低效率區(qū)域中工作，能量管理系統(tǒng)將切斷燃油，使發(fā)動(dòng)機(jī)停止，僅由電動(dòng)機(jī)提供機(jī)械能。此時(shí)DC/DC變換器將動(dòng)力電池電壓轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)所需要的電壓，再經(jīng)過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　圖7、混動(dòng)汽車雙向DC/DC變換器

　　汽車在正常行駛時(shí)，此時(shí)啟動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，輸出兩路能量，一路提供汽車運(yùn)行的機(jī)械能。另一路使得電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，向動(dòng)力電池充電，直至合理狀態(tài)，以備加速爬坡時(shí)提供輔助能量或回收制動(dòng)能量。此時(shí)DC/DC變換器將電動(dòng)機(jī)發(fā)出的電能經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換輸入給動(dòng)力電池，完成充電。

　　圖8、串聯(lián)混動(dòng)模式

　　當(dāng)混合動(dòng)力汽車爬坡或加速時(shí)，除了發(fā)動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)外，還需啟動(dòng)動(dòng)力電池輸出電能，使得電機(jī)工作在電動(dòng)狀態(tài)提供輔助機(jī)械能，增加車輪的驅(qū)動(dòng)力，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在最佳效率區(qū)間。此時(shí)DC/DC變換器將動(dòng)力電池電壓轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)所需要的電壓，在經(jīng)過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

　　圖9、并聯(lián)混動(dòng)模式

　　汽車在減速或制動(dòng)時(shí)，車輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，電機(jī)工作在發(fā)電狀態(tài)，能量回饋給儲(chǔ)能裝置。此時(shí)DC/DC變換器將電動(dòng)機(jī)的電能經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換輸入給動(dòng)力電池，完成能量回收過程。

　　圖10、制動(dòng)能量回收模式

　　汽車在怠速狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)一般自動(dòng)停止，沒有常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)那樣的怠速，但當(dāng)動(dòng)力電池沒有達(dá)到規(guī)定的電量狀態(tài)時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)給動(dòng)力電池充電，直至達(dá)到合理的電量狀態(tài)。此時(shí)DC/DC變換器將電動(dòng)機(jī)所發(fā)的電能經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換輸入給動(dòng)力電池，完成充電。

　　3、雙向DC/DC變換器在新能源汽車復(fù)合電源中的應(yīng)用雙向DC/DC變換器與超級(jí)電容串聯(lián)，車輛加速時(shí)，DC/DC變換器將超級(jí)電容提供的額外大電流傳遞給逆變器。減速制動(dòng)時(shí)，DC/DC變換器將電機(jī)回饋的能量傳遞給超級(jí)電容，使能量?jī)?chǔ)存在超級(jí)電容中。

　　圖11、復(fù)合電源

　　DC/DC變換器與超級(jí)電容串聯(lián)，超級(jí)電容與動(dòng)力電池并聯(lián)組成復(fù)合電源，這種連接方式更適合用于新能源汽車輔助儲(chǔ)能系統(tǒng)。

　?、?、電氣隔離DC/DC變換器

　　DC/DC變換器還可被分為隔離式和非隔離式。電氣隔離，就是將電源與用電回路作電氣上的隔離，即將用電的分支電路與整個(gè)電氣系統(tǒng)隔離，使之成為一個(gè)在電氣上被隔離的、獨(dú)立的不接地安全系統(tǒng)，以防止在裸露導(dǎo)體故障帶電情況下發(fā)生間接觸電危險(xiǎn)。實(shí)現(xiàn)電氣隔離以后，兩個(gè)電路之間沒有電氣上的直接聯(lián)系。即，兩個(gè)電路之間是相互絕緣的。同時(shí)還要保證兩個(gè)電路維持能量傳輸?shù)年P(guān)系。電氣隔離的作用主要是減少兩個(gè)不同的電路之間的相互干擾，降低噪聲。

　　圖12、隔離型與非隔離型雙向DC/DC變換器綜合比較

　　非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，每個(gè)部件直接相連，額外能量損失少，工作效率較高，但其實(shí)際應(yīng)用中對(duì)升壓側(cè)的電容要求較高，主要產(chǎn)品有降壓電路、升壓電路、降壓-升壓電路等。非隔離式DC/DC變換器，按有源功率器件的個(gè)數(shù)，可以分為單管、雙管和四管三類。單管DC/DC轉(zhuǎn)換器共有六種，即降壓式(Buck)DC/DC轉(zhuǎn)換器 ，升壓式(Boost)DC/DC轉(zhuǎn)換器、升壓降壓式(Buck Boost)DC/DC轉(zhuǎn)換器、Cuk DC/DC轉(zhuǎn)換器、Zeta DC/DC轉(zhuǎn)換器和SEPIC DC/DC轉(zhuǎn)換器。在這六種單管DC/DC轉(zhuǎn)換器中，Buck和Boost式DC/DC轉(zhuǎn)換器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC轉(zhuǎn)換器是從中派生出來的。雙管DC/DC轉(zhuǎn)換 器有雙管串接的升壓式(Buck-Boost)DC/DC轉(zhuǎn)換器。四管DC/DC轉(zhuǎn)換器常用的是全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器(Full-Bridge Converter)。

　　圖13、非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器電路圖例

　　隔離式DC/DC變換器具有功率開關(guān)較多，電壓變比較大，帶電隔離等優(yōu)點(diǎn)，但其結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，成本相對(duì)較高。因此，非隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器相比隔離式在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用更具備優(yōu)勢(shì)。隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器也可以按有源功率器件的個(gè)數(shù)來分類。單管的DC/DC轉(zhuǎn)換器有正激式(Forward)和反激式(Flyback)兩種。雙管DC/DC轉(zhuǎn)換器有雙管正激式(DoubleTransistor Forward Converter)，雙管反激式(Double Transistr Flyback Converter)、推挽式(Push-Pull Converter) 和半橋式(Half-Bridge Converter)四種。四管DC/DC轉(zhuǎn)換器就是全橋DC/DC轉(zhuǎn)換器(Full-Bridge Converter)。

　　圖14、隔離式DC/DC轉(zhuǎn)換器電路圖例

　　作為新能源電動(dòng)汽車車載電源的重要部分，DC/DC轉(zhuǎn)換器必須滿足以下要求：

　　1、作為能量傳遞部件，提高能源的利用率，要求轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換效率高;

　　2、具有降壓功能，從而降低對(duì)燃料電池的輸出電壓要求;

　　3、由于燃料電池包的輸出電壓不穩(wěn)定，通過DC/DC變換器閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行穩(wěn)壓，需要具有良好的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)能力;

　　4、綜合使用環(huán)境和需求，具有體積小重量輕的特點(diǎn)。

　　圖15、新能源汽車結(jié)構(gòu)組成

　　在實(shí)際的應(yīng)用過程中，DC/DC轉(zhuǎn)換器的合理使用非常重要，可以控制高電壓值的穩(wěn)定，有利于提升電動(dòng)汽車的驅(qū)動(dòng)性能。而目前的國(guó)內(nèi)大多數(shù)廠商采用情況看，單向DC/DC轉(zhuǎn)換器是市場(chǎng)主流，逐漸走向雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器。單向DC-DC轉(zhuǎn)換器可以達(dá)到優(yōu)化電機(jī)控制、提高電動(dòng)汽車整體效率性能的作用，同時(shí)還可以避免出現(xiàn)反向制動(dòng)無法控制和變換器出現(xiàn)浪涌電壓的不利情況。