电动汽车拆解2——DC-DC转换器

DC-DC 转换器（一）：提高电压转换效率

TDK 已开始向混合动力车及电动汽车提供

“DC -DC 转换器”。电动汽车充电电池的电压高达数

百伏。DC-DC 转换器将充电电池的电压降至14V ，提

供给铅蓄电池。再把铅蓄电池作为电源驱动发动机

的辅机类、雨刷及前照灯等器件。

世界首款量产混合动力车的投入使用已经12年。

包括TDK 在内，DC-DC 转换器单位体积的功率密度逐

年提高，估计今后也是这一趋势。

TDK 的DC-DC 转换器于1997年实际应用于混合动力车。本田将在现行的“思域混合动力车”和新款Insight 上采用（图1）。还被部分海外厂 商应用于混合动力车。 Insight 之所以采用TDK 制造的DC-DC 转换器，

是因为能够满足小型与轻量化的要求。本田对Insight 减小了包括DC-DC 转换器和逆变 器在内的PCU （功率控制单元）尺寸及镍氢充电电池的尺寸。这些器件在思域混合动力车中曾配置在后座后面，而在Insight 中，却配置在行李舱下面，以 使行李舱的可用空间比以前增大。DC-DC 转换器的小型化有利于扩大行李舱容量，降低成本。

Insight 上使用的最新款DC-DC 转换器与思域混

合动力车上配备的原产品相比，重量减轻45％，容

积减小5％（图2）。重量低于1kg 。转换效 率确保

在90％以上。

省去交流发电机

混合动力车及电动汽车导入DC-DC 转换器之后，

可省去交流发电机。交流发电机利用发动机的旋转发电，发出的电为铅蓄电池充电（图3）。电动汽车的充 电电池容量很大。因此，以充电电池为电源，能够利用DC-DC 转换器为铅蓄电池充电。从而可以省去原来的交流发电机（图4）。Insight 就未配备

交流 发电机（图5）。

图1： 本田新款混合动力车“Insight”的后座周围采用小型化PCU （功率控制单元）。原来配置在后座后面，通过小型化，得以配置在行李舱下面。后座后面可 以当作行李舱空间使用。

图 2：Insight 采用的DC-DC 转换器将混合动力车配备的数100V 的充电电池电压降至铅蓄电池的14V 电压。Insight 采用的方式（空冷 式）。

图3：汽油发动机车配备交流发电机利用发动机转动交流发电机，为铅蓄电池充电。

图4：混合动力车和电动汽车不需要交流发电机利用DC-DC转换器降低充电电池的电压，为铅蓄电池充电。

图 5：Insight的动力传动系统未配备交流发电机。

使用充电电池和DC-DC转换器，可以不必考虑发动机的转速而为铅蓄电池充电。原来的汽油发动机车，当发动机转速低时，如果同时使用空调、立体声及车灯等，有时“电池的电量会用尽”。即使发动机仍在运行，有些条件下也会出现电力不足现象。

而如果像混合动力车和电动汽车这样使用充电电池和DC-DC转换器，便可不必考虑发动机的转速而使用电力。

DC-DC转换器（二）：保留铅蓄电池

保留铅蓄电池

混合动力车和电动汽车按说也能省去铅蓄电池，但实际上还是保留了铅蓄电池（图6）。Insight也保留了铅蓄电池。这样做有两大原因。一是保留铅蓄电池更能够降低整个车辆的成本。二是确保电源的冗余度。

图6：包括DC-DC转换器的混合动力车系统构成现在的DC-DC转换器为单向电流，

而今后有可能变成双向。有些车型还追加DC/AC输出端及升压转换器等转换器部

件。

铅蓄电池能在短时间内向空调、雨刷及车灯等释放大电流。如果省去铅蓄电池而将充电电池的电力用于補机类、空调及雨刷等，DC-DC转换器的尺寸势必就要增大，从而使整体成本增加。铅蓄电池便宜，因此目前将铅蓄电池置换成充电电池还没有成本上的优势。

二是铅蓄电池还有确保向補机类供电的冗余度的作用。DC-DC转换器出现故障停止供电时，如果没有铅蓄电池，補机类就会立即停止运行。夜间车灯不亮，雨天雨刷停止运行等，就会影响驾驶。如果有铅蓄电池，便能够将汽车就近开到家里或者工厂。

今后DC-DC转换器功能改进的方向之一是双向化。现在使用的DC-DC转换器只是单向改

变电压。现在也存在要求双向的需求。当充电电池的电力不足时，便可将铅蓄电池的电力输入充电电池，以备紧急之需。双向化是今后将继续探讨的课题，这也是确保冗余度的方法。

TDK分代开发了DC-DC转换器基本电路（平台）（图7）。其中包括2001年开始量产的“GEN3”（第3代）、2005年量产的“GEN4” （第4代）、2008年量产的“GEN4.5”（第4.5代）。现在正在开发的是“GEN5”（第5代）。根据基本电路，制成符合各汽车公司要求的产品。

图 7：DC-DC转换器的发展蓝图公布了该公司2001年以来的产品。DC-DC转换器不

断小型·轻量化，效率不断提高。

DC-DC转换器不同的代规定了变压器的种类及DC-DC转换器电路的基本构造。水冷/空冷、端子位置，主体形状等根据采用车型进行设计。基本构造以严酷环境下的空冷为前提设计。

按产品来看，转换效率由第2代到第5代一直在提高（图8）。电流为10A时，转换效率分别为约84％（第2代）、约86％（第4代）、约89％（第 4.5代）。电流为70A时，转换效率由约86％（第2代）提高到约88％（第4.5代）。预计下一代第5代将超过90％。（未完待续，特约撰稿人：近藤朋之，TDK电力系统业务集团EV电源部部长）

图 8：DC-DC转换器的效率效率逐代进化。最新一代GEN4.5的转换效率为90％左右。

下一代将超过90％。

DC-DC转换器（三）：DC-DC转换器的性能

DC-DC转换器的性能

DC-DC转换器的主要部件是变压器。变压器由一次侧（输入侧、充电电池侧）和二次侧（输出侧、铅蓄电池侧）两种线圈构成。线圈比与电压比成比例。

利用变压器改变电压时，变压器需通过交流电压。充电电池是直流电压，因此DC-DC

转换器通过利用功率半导体ON/OFF来自充电电池的直流电压，将其转换成交流电压。然后，利用变压器转换交流电压，再利用功率半导体将交流电压转换成14V的直流电压。利用功率半导体转换交流和直流时，为抑制电压波形的噪声（平滑化），还使用了电容器。

决定DC-DC转换器性能的主要因素是变压器。变压器的大小、形状及支持的开关频率随着更新换代而进化（图9）。开关频率由70kHz提高到 110kHz，变压器铁芯的重量由215g 左右减轻至61g左右。变压器的线圈通过采用层叠平面线圈的类型，降低了高度。