新能源汽车领域的磁集成解决方案及挑战
2024-11-15 16:20:30 来源:电子变压器与电感网 作者:丘水林 点击:1483
【哔哥哔特导读】深耕磁集成领域多年,铭普光磁有哪些成功量产的磁集成方案?目前在实际量产过程中,最大的挑战又是什么?
2024年10月,业界首个磁集成技术专场会议——2024磁集成技术创新与应用研讨会在深圳国际会展中心(宝安新馆)圆满落幕,东莞铭普光磁股份有限公司(下称“铭普光磁”)研发总监李礼鹏现身研讨会现场,并奉上了《新能源汽车领域的磁集成解决方案》的精彩主题演讲。
东莞铭普光磁股份有限公司李礼鹏
本文将带大家深度回顾李礼鹏演讲的精彩内容。
01.磁集成原理、目的及其优势
磁集成技术是将两个或多个分立磁性元件(如电感、变压器等)绕制在一副磁芯上,通过合理设计磁芯结构和绕组布局,实现多个磁件的集成,从结构上集中在一起,以减小磁性元件的体积、重量,以及减少出脚数量,并改善电源性能。
从集成方式分看,分为物理集成和磁路集成,前者为多器件拼接在一个底座或外壳上,而后者是将多器件共用一副磁芯,集成难度更高,对磁集成产品设计能力要求也更高。
磁集成技术经过近多年的发展和演变,尽管已经取得了一定的成果和突破,但在理论研究、技术应用和产业化方面,仍有很大的发展空间;未来磁集成技术有望在更广泛的领域内发挥更大的作用,包括但不限于新能源汽车、充电桩,光储逆变器,大功率电源等关键领域。
磁集成的目的主要体现在以下五个方面:
1.缩小磁元件的尺寸;
2.降低磁元件的损耗;
3.减少磁元件的数量;
4.降低磁元件的成本;
5.提高电源的效率。
而磁集成的优势则主要体现在以下几个方面:
一是减小系统体积与重量。集成化设计可让磁集成技术将多个磁性元件集成到一个模块中,显著减少了系统的总体积和重量;采用高性能磁性材料和结构优化,进一步减小了磁性元件的体积和重量;通过合理的布局设计,充分利用空间,进一步减小系统的整体尺寸。
二是增强系统可靠性与安全性。主要体现在两个点,其一是磁集成解决方案减少了磁性元件之间的连接点,从而降低了故障发生的概率;其二是采用高强度和高可靠性的材料制造磁性元件,提高了系统的整体可靠性。
三是降低制造成本与维护费用。磁集成技术减少了磁性元件数量、引脚、连接点等,可简化生产工艺流程;通过优化设计和制造工艺,提高了产品的生产良率;磁集成解决方案的模块化设计使得维护更加便捷,降低了维护费用和时间成本。总体而言,可大大降低磁性元件企业的制造成本。
02.新能源汽车磁集成发展现状
近年来,随着新能源汽车行业的快速发展,磁集成技术在车载充电机(OBC)、直流充电桩(DCDC)广泛应用,有效减少了磁器件的体积,极大的提高了功率密度,是目前磁集成技术应用最成熟的领域。
在新能源汽车的车载充电机中,磁集成技术被广泛应用于PFC电路和LLC谐振电路中,以减小体积、降低重量并提高效率。通过集成PFC电感和谐振电感等磁性元件,实现了电源系统的小型化和高效化。
直流变换器(DCDC)也广泛采用了磁集成技术。通过将变压器与电感集成在一起,减少了磁性元件的数量和体积,从而提高了功率密度和可靠性。同时,磁集成技术还有助于降低DCDC变换器的损耗和温升,提高其工作效率和稳定性。
此外,充电桩模块电源也广泛采用磁集成技术,目前应用最多的就是LLC电路中把主变压器和谐振电感集成在一起,磁性元件产品体积小了,集成后生产效率更高,PCB布局也更加灵活。
未来,随着全球对环保和可持续发展的日益重视,新能源汽车市场将迎来持续增长,磁集成解决方案作为提升新能源汽车性能和效率的关键技术,其市场需求也将随之增加。
在新能源汽车市场中,高性能、高效率的产品将更受消费者欢迎。不同车型、不同应用场景对磁集成解决方案的需求也将更加多样化。
因此,磁集成解决方案需要不断提升产品性能,提供更加定制化的产品和服务,以满足市场对高性能产品、客制化服务的需求。
03.铭普光磁部分磁集成案例
铭普在磁集成技术领域深耕多年,与多个应用领域头部企业长期深入合作,提供磁集成磁性元件解决方案,在车载OBC及汽车充电桩变压器电感磁集成技术广泛应用。
3.3kW车载OBC应用CLLC电路(5合1)
3.3kw车载OBC主变压器、谐振电感5合1磁集成产品
这款产品采用5合1磁集成,集成了主变压器、2颗谐振电感以及PFC和DCDC电路中的磁性元件,尺寸仅为 178*44*46mm,有效地减少了磁性元件数量和体积,降低了加工成本,对电源企业而言安装也更方便。
6.6kW车载OBC应用CLLC电路(3合1)
6.6kW车载OBC主变压器+谐振电感三合一磁集成产品
这是一款主变压器+谐振电感3合1磁集成,尺寸为112*51*49mm,采用连绕方式,两端各只有两个引脚(集成前8个引脚),制造工艺实现上更简单,安装更也更便捷。
22kW车载OBC三相磁集成变压器
22kw车载OBC三相磁集成变压器
这款产品为22kw车载OBC三相变压器磁集成方案,产品尺寸为88.4*193.5*59.6mm。李礼鹏透露,目前铭普光磁也正在探索在每一路实现主变压器+谐振电感磁集成后,再进行三合一磁集成,实现6个磁性元件的一体化高度集成方案。
充电桩LLC电路主变压器三合一集成方案
这是一款应用于充电桩LLC电路的三相主变压器三合一磁集成方案,三颗变压器共用了一个磁芯底座,节省了两块磁芯,产品尺寸为104*66*51mm。李礼鹏提到,“这里有个需要注意的地方,因为电流相位差的问题,中间线圈跟两边线圈绕线方向是不一样的,否则共用的磁芯发热就会非常厉害。”
04.磁集成面临的制造工艺挑战
磁集成解决方案涉及复杂的制造工艺,如绕线、焊接、装配等,自动化生产难度更高,需确保各环节的精度和一致性。
通常情况下,如果产品的尺寸较大,那么像电气间隙和爬电距离这样的要求就比较容易满足。
但当磁性元件产品体积越来越小,且电压不断升高,爬电距离就需要不断增大,这种情况下就需要加入各种各样的绝缘材料以满足安规要求,这对工艺的挑战是非常大的。
2019年前后,由于客户的产品需要同时满足高性能、大功率、小体积要求,封装尺寸逼近极限,铭普光磁开始尝试采用变压器集成谐振电感的方式——也就是目前最流行的磁集成方式,并最终实现客户提出的目标和要求。
以LLC为例,磁集成后,铭普光磁电感与变压器连绕的方式,减少了变压器原边2个引脚,客户在PCB板上可以少开2个孔,少装一个器件。李礼鹏也提到,“这种方式对于自动化生产是相对不友好的,尤其是这个绕线方式,难度更高。”
05. 结语
从目前行业现状来看,更复杂的自动化生产工艺,在一定程度上削弱了磁集成节省材料带来的降本效果,这正是磁性元件企业与电源企业博弈的关键点,需要产业链上下游企业更紧密的配合,在产品研发阶段将自动化制造的可行性纳入考量,实现最大化降本。
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从几年前30/60kW到现在300/500的充电桩,在外观上却没多大的区别,这其中磁性元件体积的减小功不可没。磁集成技术的应用,又将为小型化带来哪些惊喜?在落地过程中最大的挑战是什么?
磁集成后,有哪些新的电磁干扰源?该如何解决这些新的干扰源?磁极又是如何解决这些问题的?
为了扩充容量,LLC谐振变换器采用三相交错并联拓扑,从而有三个变压器,不但影响变换器的体积和效率,而且由于三个变压器的参数不对称,引起不均流问题;传统三相磁集成变压器采用磁轭非闭合EE型结构,其三相参数也不对称。
经过多年的深耕,铭普光磁在新能源汽车磁集成产品方面取得了哪些突破?面对新一轮电源技术革命浪潮,铭普光磁将如何继续引领行业发展?
当前新能源汽车OBC中磁集成技术普及情况如何?在实际应用过程中面临哪些挑战?未来又有哪些发展趋势?
2024年,磁集成技术引领新能源革命,但传统磁性材料面临严峻考验,磁性材料企业应如何应对这些新要求?
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