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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。图9：变压器铁芯逐代进化（a）产品越新（PC95），温度特性越高。（b）随着产品更新换代，重量减轻、能量效率提高、进化成易于散热的形状。通过提高开关频率，可减小变压器和整流电路的尺寸。因为频率提高，可使功率半导体单位时间的开关次数增加。不过，为防止接近收音机AM广播的频率，过去一直采用70kHz频帯。最近由于抑制噪声的技术取得进步，采用了比原来高40kHz的110kHz频帯。变压器的铁芯材料采用的是最新的铁氧体材料“PC95”。PC95的原料为Fe（铁）、Mn（锰）、Zn（锌）。Fe的混合比例等与原产品（“PC44”、“PC45”等）不同。原产品在有些温度下，会出现铁损增大、效率降低现象。最新的铁芯可在很大的温度范围内减小铁损。铁损以磁滞损耗为主，还包括涡流损耗。与二次侧变压器相连的整流二极管采用了比上代热损耗低的产品。这样，整流二极管的封装面积比原来减小40％。混合动力车用DC-DC转换器上使用的变压器铁芯材料采用了铁氧体（表）。因为变压器中流过100kHz左右的高频电流，与其他材料相比，铁氧体的效率最高。家电中使用的变压器的工作频率为50/60kHz左右，适于采用硅钢。非晶材料适合于频率高于100kHz的领域。表DC-DC转换器的变压器铁芯材料铁氧体在铁损和成本方面占优势。