新能源汽車磁集成技術(shù)的機(jī)遇與瓶頸

當(dāng)前新能源汽車OBC中磁集成技術(shù)普及情況如何？在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中面臨哪些挑戰(zhàn)？未來(lái)又有哪些發(fā)展趨勢(shì)？

磁集成技術(shù)最早可追溯到1928年申請(qǐng)的一項(xiàng)濾波電路專利，最初的目的很單純，就是要把L1，La兩顆電感集成為L(zhǎng)c，以減少電感數(shù)量和減小電感體積。經(jīng)過(guò)近百年歷程，逐步發(fā)展為多個(gè)磁性元件的復(fù)雜磁集成技術(shù)，應(yīng)用也越來(lái)越普遍。

自2023年以來(lái)，終端價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)不斷加劇，磁集成技術(shù)的應(yīng)用也逐步向功率磁性元件領(lǐng)域拓展，并且成為了今年磁性元件領(lǐng)域最受關(guān)注的話題之一。

特別是在汽車行業(yè)，新舊時(shí)代的交替，對(duì)于新產(chǎn)品和服務(wù)的接受程度也在增加，磁集成技術(shù)在新能源汽車領(lǐng)域的應(yīng)用已取得了良好的開(kāi)端。

本文將結(jié)合2024磁集成技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用研討會(huì)部分演講與受訪嘉賓觀點(diǎn)，盤點(diǎn)當(dāng)前功率磁性元件在新能源汽車領(lǐng)域磁集成的應(yīng)用現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

01.新能源汽車中有哪些部件可磁集成

通過(guò)業(yè)界對(duì)特斯拉Model 3的拆解可以發(fā)現(xiàn)，新能源汽車的12大功能模塊共需要17顆電子變壓器和143顆電感，合計(jì)160顆磁性元件。當(dāng)然，各個(gè)廠商方案不同，功能模塊、磁性元件的用量也不盡相同，以上數(shù)據(jù)僅供參考。

圖1 新能源汽車磁性元件使用情況

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本次論壇期間，多位嘉賓表示，理論上磁集成不分功率大小、頻率高低，可應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，最終是在磁集成節(jié)省的成本，與系統(tǒng)優(yōu)化成本和空間要求之間尋求綜合平衡。

換句話說(shuō)，上述各個(gè)功能模塊內(nèi)的變壓器、電感均可在其內(nèi)部實(shí)現(xiàn)磁集成，甚至在不同功能模塊之間實(shí)現(xiàn)磁集成。

圖2 OBC與DCDC電路架構(gòu)

圖片來(lái)源：超越精密

由于車內(nèi)空間狹小，對(duì)產(chǎn)品體積要求嚴(yán)格，而涉及到功率變換的功能模塊，功率磁性元件往往是其中體積占比最大的元件，因此功率變換模塊的變壓器、電感產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)磁集成，就顯得尤為迫切，如主驅(qū)逆變器、DCDC電源和車載OBC等。

深圳大學(xué)副教授劉藝濤表示，“新能源汽車對(duì)車載OBC以及其他DC-DC裝置的體積和重量要求非常高，目前很多磁集成產(chǎn)品體積還是偏大”。

02.磁集成在新能源汽車的應(yīng)用進(jìn)展

前文我們提到，涉及功率變換的功能模塊，對(duì)磁集成需求更為迫切，因此主驅(qū)逆變器、DCDC電源和車載OBC等功率變換模塊，均有車廠嘗試磁集成方案。

圖3 新能源汽車OBC與DCDC電路架構(gòu)圖

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而這其中，車載OBC因工況為靜止?fàn)顟B(tài)，只需滿足GB/T 18487.1-2015《電動(dòng)汽車傳導(dǎo)充電系統(tǒng) 第1部分：通用要求》，可靠性要求相對(duì)較低，因而在磁集成方面走在了所有功能模塊的前面，也是所有應(yīng)用領(lǐng)域中普及最廣泛的。

英搏爾電氣電源產(chǎn)品CTO高軍提到：“目前我們最關(guān)注的就是車載OBC和DCDC轉(zhuǎn)換器，這里又可以分為PFC部分和高壓隔離DC-DC部分，現(xiàn)在通常要求雙向工作，一般使用CLLC或DAB來(lái)實(shí)現(xiàn)，磁集成主要用于CLLC或DAB中的變壓器和電感集成，這也目前是收益最高的?！?/p>

此外，PFC電路中交錯(cuò)并聯(lián)的兩顆電感進(jìn)行磁集成，也是業(yè)界非常流行的做法。但高軍也表示，“相比于前一種，這種磁集成的體積縮小幅度有限?！?/p>

云路新能源研究院總工程師施洪亮博士提到：“目前云路在新能源汽車OBC、DCDC和多合一集成系統(tǒng)等功能部件的磁性元件已交付大批量訂單，產(chǎn)品涉及到PFC電感、主變壓器、諧振電感等。”

按照電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)看，目前磁集成產(chǎn)品主要應(yīng)用在功率變換裝置的前級(jí)PFC電路和后級(jí)LLC電路，以及CLLC、DAB等衍生變種電路拓?fù)渲小?/p>

PFC電路多以解耦集成為主，而LLC電路多以耦合集成為主，最常見(jiàn)的就是漏感集成，通過(guò)調(diào)整變壓器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和氣隙，利用變壓器的漏感實(shí)現(xiàn)諧振電感的功能，將兩者集成為一個(gè)磁件。

典型的LLC電路為主變壓器+諧振電感的配置，而一些并聯(lián)或交錯(cuò)并聯(lián)的電路拓?fù)渲?，主變壓器、諧振電感數(shù)量更多，通過(guò)磁集成可大大降低磁性元件數(shù)量和體積，進(jìn)而降低系統(tǒng)成本。

這也是上文高軍提到CLLC、DAB等電路中磁集成收益更高的原因，也是目前業(yè)界量產(chǎn)的磁集成產(chǎn)品中應(yīng)用最廣泛的集成方式。

此外，車載電源還包括從高壓電池到低壓電池的DC-DC轉(zhuǎn)換，通常采用硬開(kāi)關(guān)全橋或移向全橋來(lái)實(shí)現(xiàn)，這里面的變壓器和輸出濾波電感也可以進(jìn)行磁集成。不過(guò)，由于成本效益不高，這種磁集成產(chǎn)品在實(shí)際中使用較少。

03.新能源汽車中常見(jiàn)的磁集成方式

一直以來(lái)，變壓器都沒(méi)有像電感一樣形成標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品，而磁集成產(chǎn)品或解決方案的另外一個(gè)特點(diǎn)就是定制化程度高，這也導(dǎo)致磁集成產(chǎn)品只能從電路拓?fù)湓韺用婷枋龉残圆糠值臇|西。

實(shí)際應(yīng)用上，具體表現(xiàn)形式各異，同功率下的磁集成產(chǎn)品，在外觀、尺寸甚至集成方式上都完全不一樣。

接下來(lái)，將為大家展示本次論壇期間部分企業(yè)所展示的磁集成產(chǎn)品解決方案。

圖4 6.6kW車載OBC應(yīng)用CLLC磁集成產(chǎn)品

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圖5 22kw車載OBC三相磁集成變壓器產(chǎn)品

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圖6 3.3kw車載OBC主變壓器、諧振電感5合1磁集成產(chǎn)品

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圖7 三相磁集成變壓器

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圖8 三相磁集成PFC電感

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圖9 OBC+DC-DC磁集成復(fù)用變壓器

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根據(jù)觀察，目前量產(chǎn)的磁集成產(chǎn)品大致呈以下特點(diǎn)：

1.以二合一、三合一是主流，其中二合一占比相對(duì)較大；

2.二合一產(chǎn)品中耦合、解耦均有大量應(yīng)用，耦合集成主要就集中在二合一產(chǎn)品，如LLC電路的變壓器+諧振電感集成；

3.三合一多以解耦集成為主，主要在三相電路的應(yīng)用，如三相變壓器、三相功率電感等；

4.從電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)層面看，則仍以前、后級(jí)內(nèi)部分別集成為主，前后級(jí)集成的方案相對(duì)較少。

上文的磁集成產(chǎn)品案例展示中，更多是為大家展示前沿的產(chǎn)品解決方案和設(shè)計(jì)思路。

施洪亮博士表示，“目前主流的磁集成技術(shù)方案大體上都沿用了耦合電感的思路。”

04.磁集成在新能源汽車中面臨的挑戰(zhàn)

當(dāng)前，磁集成技術(shù)正處于從新能源汽車同功能模塊集成向不同功能模塊集成轉(zhuǎn)變，并向其他應(yīng)用領(lǐng)域拓展延伸的階段，已量產(chǎn)的車載OBC磁集成，具體碰到過(guò)哪些問(wèn)題和挑戰(zhàn)，如何解決，就顯得至關(guān)重要，也是產(chǎn)業(yè)鏈上下游最為關(guān)注的話題。

匯總此次論壇嘉賓觀點(diǎn)來(lái)看，磁集成產(chǎn)品主要面臨以下幾個(gè)方面的挑戰(zhàn)：

技術(shù)復(fù)雜性。磁集成技術(shù)復(fù)雜性體現(xiàn)在兩點(diǎn)，其一是磁集成技術(shù)需要精確的設(shè)計(jì)和制造工藝，以確保各個(gè)磁性元件之間的正確耦合和協(xié)同工作，這增加了技術(shù)的復(fù)雜性和實(shí)施難度。另外對(duì)特定的拓?fù)浠芈分?，需要不同的控制技術(shù)，這也增加了電源控制的難度。

其二是工藝實(shí)現(xiàn)難度增加。磁集成后，為了達(dá)到最理想的磁集成產(chǎn)品模型，變壓器、電感的線圈繞制基本采用連繞方式，繞線難度增加。隨著集成磁性元件數(shù)量的增加，繞線復(fù)雜程度和難度激增，增加引腳既與理想產(chǎn)品模型背道而馳，也會(huì)降低產(chǎn)品可靠性。

磁芯工藝難度同理，雖然集成后總體積降低，但相比于集成前的單顆電感或變壓器，其體積可能反而變大，磁芯結(jié)構(gòu)、形狀也更復(fù)雜，生產(chǎn)難度大大增加。

除了總體生產(chǎn)成本可能有所上升，更需要磁性元件企業(yè)產(chǎn)線具備一定柔性，甚至引入新的自動(dòng)化設(shè)備和產(chǎn)線。

損耗計(jì)算更難。耦合后電磁場(chǎng)參數(shù)無(wú)法再通過(guò)傳統(tǒng)的公式計(jì)算，導(dǎo)致磁性元件的散熱問(wèn)題更突出，也更難解決。目前更多是基于電磁仿真獲得，從上文列舉的磁集成產(chǎn)品解決方案也可看出，基本出自具有一定規(guī)模的企業(yè)，其原因就在于此，電磁仿真軟件的投入是一筆不小的費(fèi)用。

磁性元件企業(yè)人才匱乏。對(duì)于大多數(shù)磁性元件企業(yè)而言，其性質(zhì)更像是整機(jī)企業(yè)代工廠，并不具備深度介入客戶磁集成產(chǎn)品預(yù)研和開(kāi)發(fā)的能力。高軍在論壇上就提到，“我們當(dāng)然希望上游的磁性元件供應(yīng)商都具備設(shè)計(jì)和仿真能力，而不是像現(xiàn)在這樣都是基于我的設(shè)計(jì)，上游供應(yīng)商只是從工藝上實(shí)現(xiàn)這個(gè)器件，甚至很多工藝也是我們自己在考慮”。

05.總結(jié)

目前磁集成技術(shù)正朝高功率密度、高電壓、高效率、系統(tǒng)化集成等方向迅速演進(jìn)，以下是一些未來(lái)磁集成技術(shù)可能的發(fā)展趨勢(shì)：

更高的集成度。未來(lái)，多合一將是新能源汽車三電系統(tǒng)的重要趨勢(shì)，也是磁集成技術(shù)的主要方向，比亞迪、華為都已推出八合一電驅(qū)，開(kāi)發(fā)跨功能模塊的高集成度磁性元件解決方案也迫在眉睫。

三維磁集成技術(shù)。傳統(tǒng)的二維磁集成技術(shù)已經(jīng)逐漸不能滿足現(xiàn)代電子設(shè)備的需求。因此，三維磁集成技術(shù)將成為未來(lái)的發(fā)展方向。通過(guò)在垂直方向上堆疊磁性層，可以實(shí)現(xiàn)更高的磁場(chǎng)強(qiáng)度和更低的漏磁通量，從而提升設(shè)備的性能。

第三代半導(dǎo)體滲透率提高。未來(lái)越來(lái)越多車載OBC會(huì)采用碳化硅、氮化鎵方案，磁性元件必須要緊跟系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)，提高頻率，降低高頻損耗。

利用AI技術(shù)統(tǒng)一建模。據(jù)施洪亮博士介紹，目前國(guó)外已有課題組利用AI技術(shù)為N相耦合電感統(tǒng)一建模，去分析和計(jì)算磁芯損耗。這種思路是非常有利于磁性元件企業(yè)從電力電子系統(tǒng)的角度去優(yōu)化磁芯、電感結(jié)構(gòu)。

隨著新能源汽車價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，無(wú)論是磁性元件用量變少還是體積減小，磁集成技術(shù)帶來(lái)的電源材料降本將會(huì)有很大的優(yōu)勢(shì)。雖然目前磁性元件因制程的復(fù)雜度提高，價(jià)格優(yōu)勢(shì)不太明顯，但相信隨著工藝的成熟，成本優(yōu)勢(shì)將會(huì)越來(lái)越大。

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審核編輯 黃宇