新能源電動(dòng)汽車中直流/直流變換器的主要應(yīng)用

新能源電動(dòng)汽車的大三電是指電池、電機(jī)和高壓“電控”，小三電則指車載充電機(jī)(OBC)、直流/直流變換器(DC/DC變換器)和高壓直流配電盒(PDU)。

圖1、新能源汽車核心零部件

這篇文章我們分析一下直流/直流變換器的芯片方案。直流/直流變換器(DC/DC變換器)可以將動(dòng)力電池輸出的高壓直流電轉(zhuǎn)變?yōu)橛秒娫O(shè)備和低壓蓄電池可直接使用的低壓直流電，具有低電壓高電流的特點(diǎn)。動(dòng)力電池輸出的電壓較高，通常為100V~400V甚至是800V架構(gòu)，不能被車輛中的用電器直接使用，因此需要降壓型的DC/DC變換器將高壓直流電轉(zhuǎn)換為恒定的12V、14V、28V或48V低壓直流電，才能為燈光照明、電動(dòng)車窗、刮水器、除霜器、儀表系統(tǒng)、娛樂系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)、駕駛控制、電動(dòng)座椅、喇叭等用電器供電或給蓄電池充電。由于整車用電器消耗功率較大而所需電壓較低，因此DC/DC變換器具有低電壓、高電流的特點(diǎn)。

圖2、直流/直流變換器的主要應(yīng)用

直流/直流變換器可以將動(dòng)力電池輸出的某一數(shù)值的直流電源電壓轉(zhuǎn)化為另一數(shù)值的直流電源電壓，起到調(diào)節(jié)電源輸出、穩(wěn)定電源電壓的作用。通?？梢苑譃槿N：高壓轉(zhuǎn)高壓DC/DC變換器、高壓轉(zhuǎn)低壓 DC/DC變換器、低壓穩(wěn)壓DC/DC變換器。

圖3、新能源汽車的核心模塊

直流/直流變換器輸入端連接動(dòng)力電池高壓輸出端，輸出端連接呈并聯(lián)關(guān)系的低壓用電器和蓄電池。當(dāng)整車控制器(VCU)未接到高壓指令時(shí)，蓄電池給低壓用電器供電。當(dāng)VCU收到上高壓指令后，直流/直流變換器啟動(dòng)，動(dòng)力電池輸出的高壓電經(jīng)直流/直流變換器轉(zhuǎn)換后輸出穩(wěn)定的低壓電。直流/直流變換器要根據(jù)車輛用電器實(shí)際用電情況和蓄電池的充放電平衡給低壓用電器和蓄電池供電。

圖4、DC/DC變換器控制原理示意圖

直流/直流變換器可以單獨(dú)安裝，也可以集成在電源分配單元(PDU)或電力電子集成模塊(PEU)內(nèi)部。DC/DC分為自然冷卻和水冷卻。DC/DC變換器具有輸入過電壓、欠電壓保護(hù)，輸出過電壓、欠電壓保護(hù)，輸出過載、短路保護(hù)，過溫保護(hù)等功能。DC/DC內(nèi)部的高壓部分和低壓部分是相互隔離的，低壓部分輸出負(fù)極仍采用與車身搭鐵，這就使得低壓用電設(shè)備的12V供電網(wǎng)絡(luò)與燃油汽車保持一致。DC/DC變換流程如下圖所示。DC/DC變換器的高壓部件有動(dòng)力電池、高壓線束、高壓盒、DC/DC;低壓部件有蓄電池正極線束、蓄電池、蓄電池負(fù)極線束。

圖5、DC/DC變換流程

工程師設(shè)計(jì)一款直流/直流變換器，需要充分考慮的主要技術(shù)指標(biāo)有：

1、輸入輸出電壓范圍：這指的是直流/直流變換器能夠接受的輸入電壓和輸出電壓的范圍。通常，輸入電壓范圍在6V至28V之間，而輸出電壓范圍則根據(jù)具體的應(yīng)用需求來確定，常見的有5V、12V、19.2V、24V、36V、48V等。

2、輸出電流能力：這指的是直流/直流變換器能夠提供的最大輸出電流。這個(gè)指標(biāo)直接影響到汽車電子系統(tǒng)的功率需求。

3、功率等級(jí)：不同等級(jí)的車輛在配置上可能存在很大的差異，這會(huì)導(dǎo)致14V系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)功率需求發(fā)生變化。因此，需要根據(jù)車輛等級(jí)選擇合適的功率等級(jí)的DC/DC變換器。例如，乘用車通常匹配1.5KW-2KW的DC/DC變換器，而客車可能需要3KW-5KW的大功率DC/DC變換器。

4、轉(zhuǎn)換效率：這是DC/DC變換器的一個(gè)重要指標(biāo)，它決定了汽車電力能源的利用率，同時(shí)也影響整個(gè)部件的散熱方式和使用壽命。目前，一些先進(jìn)的DC/DC變換器，轉(zhuǎn)換效率普遍達(dá)到了90%以上，部分產(chǎn)品甚至達(dá)到了95%。

5、體積、重量和功率密度：由于電動(dòng)汽車的整體空間有限，因此DC/DC變換器的體積越小、功率密度越高，對(duì)整車空間的節(jié)約越有利。目前，主流的設(shè)計(jì)趨勢(shì)是將DC/DC變換器與其他部件進(jìn)行集成，以提高功率密度并減少體積。

6、散熱方式：同大部分功率電子部件一樣，DC/DC變換器在功率2KW左右的等級(jí)上，有主動(dòng)風(fēng)冷和液冷兩種散熱方式。選擇哪種散熱方式取決于系統(tǒng)的具體需求和設(shè)計(jì)。

7、成本：考慮到汽車部件的成本要求非常嚴(yán)格，因此在設(shè)計(jì)DC/DC變換器時(shí)，需要充分考慮到成本因素，以實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

此外，DC/DC變換器還兼?zhèn)涔ぷ鞣€(wěn)定可靠、使用壽命長、安全性高等特點(diǎn)，以滿足電動(dòng)汽車對(duì)部件性能的高要求。同時(shí)，它還應(yīng)滿足整車復(fù)雜運(yùn)行環(huán)境的需求，并具備IP67的防塵防水性能。

圖6、DC/DC變換器

DC/DC變換器由控制芯片、電感線圈、二極管、晶體管、電容器組成，通過重復(fù)通斷開關(guān)，將直流電壓轉(zhuǎn)換成高頻方波電壓，再經(jīng)整流平滑變?yōu)橹绷麟妷狠敵?，電?dòng)汽車DC/DC采用的是降壓型，常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)類型主要有以下幾種：1、全橋PWM硬開關(guān)變換器：這種變換器采用硬開關(guān)工作，效率相對(duì)較低，副邊有電壓過沖現(xiàn)象。其輸出波紋較小，對(duì)Co的ESR要求較低，典型效率約為92%。2、移相全橋ZVS變換器：這種變換器在電路拓?fù)渖吓c全橋PWM硬開關(guān)變換器相差無幾，主要區(qū)別在于控制上M1和M4有相位差。由于電壓較小(如13.4V)，可能導(dǎo)致電感Ld上有大電流，Ip有環(huán)流，變壓器會(huì)發(fā)熱，典型效率約為94%。目前這是行業(yè)內(nèi)使用最多的方案。3、LLC變換器：在移掉Ld電感后，二級(jí)電路采用LLC拓?fù)?，前面加上BOOST并聯(lián)交錯(cuò)升壓電路，電壓范圍在200-400V之間。這種設(shè)計(jì)可以提高效率至大于95.5%，且不需要大電流輸出電感Ld。4、雙向半橋Buck/Boost電路：這是一種常用的非隔離型拓?fù)洌浣Y(jié)構(gòu)簡單，所需器件數(shù)量少，因此電路損耗小，效率高。此外，這種電路通過電感傳遞能量，無需耐高壓大容量電容。在同樣的工作條件下，其開關(guān)器件的電壓應(yīng)力最小，因此可以選擇電壓額定值較小的器件。5、隔離型雙向DC/DC變換器：在大多數(shù)應(yīng)用場合，如電動(dòng)汽車電池充電，出于安全考慮，電氣隔離是必要的，因此大多采用隔離型的拓?fù)?。這種拓?fù)湟话阌梢粋€(gè)逆變網(wǎng)絡(luò)、一個(gè)高頻隔離變壓器和一個(gè)整流網(wǎng)絡(luò)組成。也可分為不同類型，例如半橋、全橋、反激式、正激式和推挽式DC-DC轉(zhuǎn)換器。直流/直流變換器的參考設(shè)計(jì)方案：1、意法半導(dǎo)體

意法半導(dǎo)體的基于SPC58NN84E7 MCU的3KW DC/DC變換器采用的是移相全橋+同步整流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖7、車載DCDC系統(tǒng)方案

意法半導(dǎo)體的2.5kW DCDC系統(tǒng)解決方案，基于ASIL-D多核MCU SPC58NN，使用一顆芯片即可完成功率控制、整車通信、功能安全、AUTOSAR和信息安全等功能。該方案的系統(tǒng)框圖如下所示，使用SPC58NN的一個(gè)核實(shí)現(xiàn)功率控制，另一個(gè)核配置成鎖步模式，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功能安全診斷，CAN-FD通信等任務(wù)。功率拓?fù)洳捎肞SFB，開關(guān)頻率100kHz，額定輸入電壓為360V，額定輸出電壓為14V,額定輸出功率為2.5kW。

圖8、2.5kW DCDC系統(tǒng)方案

意法半導(dǎo)體的基于STM32G474RET6 MCU參考設(shè)計(jì)方案STDES-6KWHVDCDC，將STW40N95DK5 MDmesh DK5功率MOSFET用于LLC級(jí)、STPSC40H12CWL SiC二極管用于整流、用于管理控制。并且輔助電源以次級(jí)GND為基準(zhǔn)，為MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器、微控制器和信號(hào)調(diào)理器供電。除了PM8834MTR柵極驅(qū)動(dòng)器IC外，LLC MOSFET的柵極驅(qū)動(dòng)還通過柵極驅(qū)動(dòng)變壓器進(jìn)行隔離。

圖9、STM32G4x車載DCDC方案

2、德州儀器

德州儀器基于C2000的參考設(shè)計(jì)《TIDM-PSFB-DCDC》，主控芯片采用的TI公司的C2000 TMS320F280049;采用了移相全橋+同步整流的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖10、TIDM-PSFB-DCDC系統(tǒng)框圖

3、英飛凌

英飛凌的REF-DAB11KIZSICSYS是一個(gè)基于XMC4400 MCU的CLLC諧振DC/DC轉(zhuǎn)換器板，能夠提供高達(dá)11kW的800V輸出電壓，英飛凌的IMZ120R030M1H(30mΩ/1200V SiC MOSFET)加上1EDC20I12AH，使其性價(jià)比和功率密度更高。憑借其高效的雙向功率變換能力和軟開關(guān)特性，是電動(dòng)汽車和能量存儲(chǔ)系統(tǒng)(ESS)等DCDC項(xiàng)目的理想選擇。

圖11、11kW DC-DC轉(zhuǎn)換器架構(gòu)圖

4、兆易創(chuàng)新

兆易創(chuàng)新的3.3kW隔離型雙向DC/DC變換器基于GD32F303RCT6 MCU，采用了CLLC(電容-電感-變壓器-電感-電容)電路拓?fù)?，具有?duì)稱諧振腔和軟開關(guān)特性以及更高頻率工作的能力，是實(shí)現(xiàn)OBC高效、高功率密度的良好選擇。CLLC拓?fù)涞脑O(shè)計(jì)、控制和實(shí)施架構(gòu)，如下圖所示：

圖12、3.3kW隔離型雙向DC/DC變換器拓?fù)浼軜?gòu)

電動(dòng)汽車DC/DC變換器選型是根據(jù)整車低壓用電器功率進(jìn)行整車用電功率核算的，整車低壓用電器按照不同的使用工況可以分為：連續(xù)使用、短時(shí)使用、隨機(jī)使用。

1、連續(xù)使用的車載用電器包括：DC/DC、MCU、VCU、電子水泵、BMS、組合儀表、遠(yuǎn)程監(jiān)控、低壓轉(zhuǎn)向泵、散熱風(fēng)扇等。

2、短時(shí)使用負(fù)載包括：位置燈、轉(zhuǎn)向燈、牌照燈、近光燈、大燈高度調(diào)節(jié)、玻璃升降器、遠(yuǎn)光燈、前后雨刮電機(jī)、制動(dòng)燈、前后霧燈、倒車燈、倒車?yán)走_(dá)、換擋手柄、真空泵、行人提醒、電喇叭等。

3、隨機(jī)使用的車載電器包括：鼓風(fēng)機(jī)、冷凝風(fēng)扇、室內(nèi)燈、空調(diào)控制器、ABS控制器、點(diǎn)煙器、音響系統(tǒng)、洗滌噴水、安全氣囊、碰撞傳感器、后風(fēng)窗電加熱、電動(dòng)門窗、中控鎖。

整車用電設(shè)備的電平衡設(shè)計(jì)也很重要。上述用電器的使用頻度不同，所以每個(gè)用電器都有不同的頻度系數(shù)，額定電流乘以頻度系數(shù)就稱為用電器的加權(quán)電流，加權(quán)電流的總和就是整車用電最低需求電流。根據(jù)不同的使用季節(jié)，整車用電器又分別在冬季白天、冬季雪夜、夏季白天、夏季雨夜四種情況下取不同的頻度系數(shù)，根據(jù)不同的頻度系數(shù)計(jì)算出四種極限用電電流。綜上所述，整車用電共計(jì)算出5種用電電流，正常情況下夏季雨夜的用電電流是最大的，整車DC/DC變換器功率的選型必須滿足夏季雨夜的用電需求。DC/DC變換器的設(shè)計(jì)最好在夏季雨夜整車用電功率的基礎(chǔ)上再留一定的余量，以防止給蓄電池充電，正常情況下至少預(yù)留1.2倍的額定功率，以滿足整車正常的用電需求。

在DC/DC變換器產(chǎn)品設(shè)計(jì)，調(diào)試，生產(chǎn)到裝車聯(lián)調(diào)過程中需要嚴(yán)格參考相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 20237-2021《電動(dòng)汽車DC/DC變換器》。工程師從0到1設(shè)計(jì)一款DC/DC變換器并不是容易的事情。拍明芯城是快速撮合的元器件交易平臺(tái)，過去數(shù)年已積累了海量極具優(yōu)勢(shì)的芯片貨源。我們聚焦服務(wù)元器件長尾客戶群，讓每一家芯片原廠或分銷商的每一款芯片，在Design In、Design Win和流通中更高效，幫助工程師的方案選型、試樣及采購，為電子產(chǎn)業(yè)供需略盡綿薄之力。