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混动车将成新能源汽车主力?如何看待升压电感?
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混动车将成新能源汽车主力?如何看待升压电感?

2024-03-07 11:50:11 来源:电子变压器与电感网 作者:杨斯琪 点击:2830

【哔哥哔特导读】在混合动力汽车中,搭载升压电感的升压电路方案在其主驱控制器中发挥着重要作用。对于升压电感,其未来的技术发展和市场趋势将走向如何?本期《对话》为您解答~

编者按

作为以油车向电车发展的过渡,混合动力汽车成为当前汽车产业的一个重要发展方向。由于插电式混合动力汽车所装载的电池比纯电动汽车小,无法直接实现高电压输出,因此升压电路在主驱控制器中扮演者关键的角色。目前,以比亚迪为代表的整车企业使用升压电感和功率开关器件共同组成升压电路,实现了提升车载电池电压以带动高电压驱动电机的功能。

升压电路

▲资料来源:公开市场资料

其中,升压电感较一般的电感变压器来说单体数量大、价值量也大,因而也成为了业内人士的关注点所在。本期对话,《磁性元件与电源》邀请了整车端工程师以及电感变压器厂商,共同探究升压电感未来的技术发展和市场趋势。

嘉宾介绍

对话导览

一、新能源汽车中升压电感的应用情况如何?

二、主驱控制器上的升压电感技术指标

三、该升压电感未来的技术发展方向和市场空间?

对话内容

1.升压电感具有体积小、耐高温、低漏磁等优点,通常应用在升压(Boost)电路中。随着新能源汽车向往高压发展,升压电感在新能源汽车中运用情况如何?在主驱控制器板块中的升压电感的使用情况如何?

云路新能源 张建华 插电式油电混合动力汽车的升压电感主要是在OBC充电机和主驱控制器上的增压转化器中。其中,油电混合动力架构汽车主驱控制器的增压转化器中一般会有一个升压电感,若是多组电机且电机电压不同或有机会增加主驱增压线路,从而增加升压电感的数量。

一般来说,功率电感和变压器占整机成本的15%-25%左右,因为OBC充电机各方面要比DC-DC转换器要求更高,特别是高功率输出OBC对升压电感的耐压、温升和散热要求提高,DC-DC产品功率越大,成本比例也会越高,不同设计需综合考虑,找到成本与性能的平衡点。

鹰峰电子 罗青松 油电混合动力架构汽车主驱控制器中搭载升压电感,目前国内仅有比亚迪一家企业采用这种方案。其他车企可能因专利限制而未采纳此方案。因此,在国内,具备升压电感交付经验的电感变压器企业并不多见。

2.在选择和设计升压电感时,看重的技术指标有哪些?

云路新能源 张建华 主要还是围绕工作温度、额定电压、静电感量范围、偏差以及额定工作电流和功率密度。升压电感基本属于专属定制件,各厂家基本都存在一些偏差。通常来说,升压电感最关键的指标包括前述六点以及动态电感量要求以及尺寸管控的严格性。

其中,工作温度取决于电感变压器厂商选用的材料,比如说我们可以选择耐温180℃的材料。尤其是对静电感量偏差小于3%的要求非常高,而云路新能源有能力提供符合这一要求的升压电感产品。

欧陆通 毛叶龙 不同公司对升压电感的标准各有不同。我们主要关注升压电感感量,因为感量会影响电路特性和磁饱和情况。其次是体积,必须限制在一定范围内,不能无限扩大。此外,线径、磁性和材质也在考虑范围之内。例如,线径在无封装情况下需要达到2-3安培每平方,有封装的情况下则需要达到5-6安培每平方。

电磁线

▲图片来源:包图网

鹰峰电子 罗青松 对升压电感体积的要求是最严格的。在客户提供的空间约束下,升压电感产品必须满足其参数需求。在有限的空间内,升压电感还必须实现最大功率输出。目前,产品功率从40千瓦起步,一般在40-60千瓦左右。

3.据您了解,相比于用在新能源汽车OBC、DC-DC中的升压电感,用于主驱控制器上的升压电感的技术/生产难点在哪?最大的挑战是什么?

欧陆通 毛叶龙 体积和散热这一方面主要是难点。虽然既要体积小和又要散热好这是一个互相矛盾的问题,但还是需要更合理的设计让升压电感体积小的同时如何让电流功率能够更高。

通合电子 张宇恒 主要难点在于散热。升压电感在汽车中扮演着变速箱的角色,具有两个主要功能。首先,升压电感能够改变电流的方向,实现车辆的前进和倒退。其次,升压电感通过电控提高输出电流,以加速驱动电机。然而,在这个过程中,随着电压的升高,会产生大量热量,高温环境下,升压电感容易失去磁性,这是一个重要的问题。

此外,升压电感的毛利率较低。需要考虑原材料、前期研发投入、生产线建设以及设备折旧等多个因素。价格变动主要受原材料影响。随着新能源产业的发展,升压电感需求增长后将产生规模效应,进一步推动升压电感价格下降。

云路新能源 张建华 电驱控制器由升压转换器、对应双电机的两组电机驱动逆变器和DCDC转换单元组成。高压功率模块可谓是电驱控制器设计的重中之重,其承担着驱动大功率动力电机的功能。由于其功率太大,对应高压功率模块中器件的冷却方案和耐温性(低温升)成为巨大的挑战。

升压电感主要难点有以下几点:其一,对磁芯性能要求比较高,尤其公差波动要求严厉;其二,因为很多方案都是定制件,通用性较差,电感变压器企业在评估投入自动化产线时存在较大风险,产品在生产过程对焊接工艺、尺寸封装管控以及成品良率的挑战是比较高的。

我们认为此类磁性器件所面临的绝缘耐压性能、小型化、发热等问题,其实是一个综合的技术问题,最大的难点是要全面系统化去分析优化设计,更合理选用材料,从而达到一个更优的方案,实现减小体积、提升功率、降低发热,且适合大批量生产。

鹰峰电子 罗青松 鉴于升压电感功率较高,重量也相对较大,约为3-5公斤左右。通常情况下,产品必须符合汽车行业的大规模生产和高品质要求,因此升压电感生产过程必然需要实现全自动化。要实现全自动化生产,产品设计不仅需满足性能指标,还需符合自动化批量生产的工艺要求,这两者缺一不可。否则,要么无法达到产量要求,要么无法满足质量标准。目前,鹰峰电子已成功实现该车规级升压电感的全自动化生产,月产能约为20万颗。

汽车行业专业人士 张经理 主驱逆变器集成升压电路,最主要的问题在于电磁兼容性(EMC)。逆变器内部高频、高压和DCDC,OBC不处于同一个数量级,因此需要考虑如何优化EMC以及如何屏蔽干扰的问题。此外,还要考虑到集成度的问题,如何令主驱单元更加紧凑,以提升客舱内空间。在一些车型中,感抗器被应用,其作用与升压电感类似。对于整车厂而言,只要能够满足升压性能指标(效率、精度和响应等),就可以综合考虑成本、质量和供货稳定性。

4.未来,主驱控制器用升压电感主要往什么方向发展?

云路新能源 张建华 目前趋势是DC/DC、OBC二合一集成,或者DC/DC、OBC和PDU三合一集成,功率密度大幅提升,体积降低。因此升压电感发展方向为更高的工作频率、更高的耐压、高磁饱和、低损耗、低温升以及小型化。

这也对升压电感提出了以下几点要求:功率密度提升、磁芯与骨架或线圈注塑一体化、高耐温等级。

鹰峰电子 罗青松 首先是高功率,未来升压电感预计功率将提升至50-60KW;其次是小体积。目前大部分新能源汽车使用的是IGBT模块,最高频率仅为4K,而采用碳化硅方案后,频率可达25K。在这种情况下,对升压电感的要求也将降低,体积会相应减小;第三则是温升,也就是耐高温性能。目前我们使用的材料可以承受高达180度甚至200度的温度,但电感温度过高就会像一个发热元件,影响整个控制器的内部温度,而这又涉及到快速水冷散热设计的问题。

岑科科技 杜军 升压电感未来发展方向主要为小型化。一方面,磁性材料能否进一步提高饱和能力,这样磁芯也能做得更加小。另一方面就是降低损耗,就电感变压器来说,除了铜线本身的直流电阻带来的损耗之外,还有很大一部分来自开关电路在磁芯上引起的磁通变化,也就是常说的铁损。如果磁芯本身的交流损耗降低,铜线也能够更加细。

汽车行业专业人士 张经理 未来该类元器件就是抗电磁干扰、耐高温、高度集成化等,还有就是一定要把成本做下来,把可靠性供货稳定性做上去。现在新能源汽车领域越来越卷,后面将进入厮杀红海状态,上述几点都是电感变压器厂商要尽可能给OEM保证的。

升压电感结构示意图▲车规级升压电感结构示意图 资料来源:公开市场资料

5.从市场空间上看,您预测升压电感未来的需求量大概有多大?

云路新能源 张建华 升压电感需求量预计会增加,但具体会增加多少不好预估,未来的市场应该有一段多样化共存的过程。新能源汽车往大电流、大功率方向发展,对磁芯材料、线材、贴合胶水、绝缘胶带等提出了更高的要求,磁芯材料的优化尤为重要,降低磁芯损耗,提升磁饱和密度。降低线材的损耗,绝缘材料的耐高压、耐高温要求更高。研发满足性能要求的新型磁芯材料亦是发展方向。

在新能源汽车取代传统燃油车的趋势下,新能源汽车还有很大的发展空间。因此对汽车部件来讲,市场需求量很大。未来的汽车市场,一定是以新能源汽车为主,随着传统燃油车逐步被替代,从汽车市场的总体规模来看,对电动汽车的零部件来说,市场发展空间巨大。

鹰峰电子 罗青松 混合动力汽车实际上是在电池没有突破之前的过渡车,但这个时间的话,我认为应该在十年左右。在这十年之内,混合动力汽车的销量是增长的,按照新能源车到现在的渗透率,2023年渗透率是40%,然后每个月按照1%增长的话,假设2030年新能源汽车能做到2000万的销量。如果混动车占5成,就是1000万,那么其中5成当中又有5成用升压电感的话,那么大概一年有500万的升压电感需求。

岑科科技 杜军 随着整个充电网络,尤其是现在换电网络的建设,再加上这个长续航电池的进一步升级,纯电动车的发展趋势将变得更加明显。长期来看,对于纯电动车是否需要升压电感这个问题尚不确定。有人认为在设计上可能并不需要(升压电感),因为电动车本身的电压平台已经相当高,即使在电量枯竭时,也不会对输出功率产生太大影响。

6.上述有汽车工程师也提到目前升压电感存在投入成本大和回报周期长的难题,因此未来对电感变压器企业的挑战包括用更低的成本实现更好的性能,关于这点,您认为电感变压器企业该如何克服?

云路新能源 张建华 电感变压器企业的进入门槛较低,其一,电感变压器企业需要结合自身的特点制定合适的发展战略,不要盲目去跟风,其二,建立电感变压器企业自己的核心竞争力,包括智能设计、智能制造和数字化管理,以及稳定人员等;其三,方案设计需要往车规级优化方向走,标准化系列化布局,使产品具有更优的性价比;总的来说行业竞争激烈,电感变压器企业需要找准自己的战略定位,找准赛道,寻找差异化竞争,建立品牌优势,努力构筑企业自已的“护城河”,在自己所善长的细分领域进行深耕及持续创新,力争做到最大,再图多元化布局。

鹰峰电子 罗青松 车规磁元件是一种高价值的产品。电感变压器企业需要符合质量管理体系,并且必须严格执行,否则可能导致后续罚款和召回问题。另外,生产方面,如果电感变压器企业采用专线生产,投入成本和回报周期会较长。因此,生产线需要具备一定的灵活性,以便适应不同型号的产品生产,从而降低成本。

岑科科技 杜军 这需要根据公司的决策来确定。如果对市场前景持乐观态度,当然需要坚定地投入。随后便要从产品本身入手降低成本,正如之前提到的,通过减少损耗、提高磁饱和能力,使产品更加小型化,同时减少铜线使用量,从而实现成本的相对降低。

小结

记者从上述采访对象中了解到,此前国内的升压电感国内需求并不大,国产电感变压器厂商主要针对海外市场。随着近几年800V新能源电动车的普及,用到升压电感的地方也越来越多,例如在充电模块、电动车电控中等。此外,在光伏、储能等上涉及到升压电路的板块也将运用升压电感。

就插电式混合动力汽车市场分析,2023年,插电式混合动力汽车将会是新能源车市场的主力。2023年,插电式混合动力汽车销量同比增长84.7%,远远高出纯电动车的24.6%。可以说,升压电感在未来一段时间的需求仍呈上升趋势。

新能源汽车

▲图片来源:包图网

从产品性能上看,小体积、高功率仍是对升压电感性能的要求,也是升压电感未来的技术难点。若其在汽车上使用,电感变压器厂商也需严格遵守车规体系的标准;在生产上,成本是主机厂重要的考量之一。但对于电感变压器厂商来说,目前,升压电感的价格逐渐降低,虽然价格相对其他产品来说处于高位,但由于原材料价格波动、前期投入和回报周期等因素,对于尚未成熟的厂商来说或许是入局的难点。

对于新能源汽车中升压电感未来的发展空间,有部分工程师也对此持不乐观的态度。除了产品本身毛利率的较低,也有工程师说到,Boost电路可把系统电压从270V升至700V,系统效率可提升1%~2%,但电路boost本身会有损耗。不过Boost可以提升电机功率,拓宽电机工况点,提升电机效率点。但是如果电池性能提高,也可以做到,所以未来升压电路的竞争对手其实是电池密度/成本。

因此,面对市场的不确定性,电感变压器厂商需要具备柔性生产的能力。除了保持现有产品线的稳定生产外,还应该积极开拓相关领域,将原本用于生产特定类型电感的设备和技术转化应用到其他产品的制造中。在不断探索和创新的过程中,电感变压器厂商也能够更好地应对市场挑战,保持行业竞争力。

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