車載充電機、DC/DC轉換器的市場、技術、供應商、整車配套全面剖析
本文主要從市場、技術、供應商、整車配套關系等角度對新能源汽車車載充電機、DC/DC轉換器進行分析。文章分為三部分:
車載充電機技術及市場
DC/DC轉換器技術及市場
主流供應商及整車配套關系
第一部分：車載充電機技術及市場
車載充電機是新能源汽車必不可少的核心零部件,其市場規模隨著新能源汽車市場的快速增長而擴大。2016年,電動汽車車載充電機市場規模18億元,未來幾年隨著新能源汽車產量的逐年提升,筆者預計到2020年國內電動汽車車載充電機市場規模將達到77億元。
1、車載充電機工作原理
與傳統汽車相比較,新能源汽車有三大核心部件,分別是:“電池”總成:指電池和電池管理系統;“電機”總成:指電動機和電動機控制器;高壓“電控”總成:包含車載 DC/DC 變換器、車載充電機、電動空調、PTC、高壓配電盒和其他高壓部件,主要部件是車載DC/DC 變換器和車載充電機。
電動汽車車載充電機(OBC)是指固定安裝在電動汽車上的充電機,具有為電動汽車動力電池,安全、自動充滿電的能力,充電機依據電池管理系統(BMS)提供的數據,能動態調節充電電流或電壓參數,執行相應的動作,完成充電過程。
車載充電機作為一個電力電子系統,主要由功率電路和控制電路組成。
對于功率電路,由變壓器和功率管組成的DC/DC變換器是其重要組成部分。對于控制電路,它的核心是控制器,用來實現與BMS的CAN通信,并控制功率電路按照三段式充電曲線給鋰電池組充電。當車載充電機接上交流電后,并不是立刻將電能輸出給電池,而是通過BMS?電池管理系統首先對電池的狀態進行采集分析和判斷,進而調整充電機的充電參數。
圖表?1??某車型HV?電氣系統及CAN?網絡連接圖
車載充電機有兩大部分,電源部分(主回路)和充電機控制主板。
充電機控制住主板主要是對電源部分進行控制、監測、計量、計算、修正、保護以及與外界網絡通信等功能,是車載充電機的“中樞大腦”,電源部分主要作用是將220伏交流電轉化為300多伏的直流電,電源部分又分為PFC和LLC兩部分,實際上我們可以把PFC看作是AC/DC,而把LLC看作是DC/DC。
圖表?2??車載充電機工作原理圖
據筆者調研,目前國內車載充電機主流的為3.3KW和6.6KW,而國外如特斯拉采用的是高功率充電機,功率達到10KW。
高功率是未來產品的一大趨勢。
圖表?3??國內典型車載充電機技術參數
國內新能源汽車都標配了車載充電機,家用電源線也能給車輛充電。目前電動汽車上使用的充電機主要是密封式車載充電機和便攜非密封式充電機兩種。
車載式充電機按照技術標準應滿足抗震、防水、散熱等基本要求,這就決定了其應是密封式金屬外殼、內部采用全灌膠或局部灌膠工藝,否則是很難實現標準要求。正規廠家生產且滿足這類標準的車載式充電機充電過程是不存在安全隱患的。
便攜非密封式充電機在微型電動車上,不論是便攜使用還是車載使用都是不安全的。用戶由于擔心其進水、被盜等原因,經常把充電機與插排一起放到駕駛室內進行充電,這樣就非常容易引起火災。便攜非密封式充電機適合一些有專人維護和固定充電場地的車輛,譬如高爾夫球車、觀光旅游車、叉車等。
2、車載充電機市場概況
據筆者調研,目前國產車載充電機價格為2000-5000元/臺,功率越大價格越高。目前市場上6.6kw充電機4000-5000元,3.3kw充電機2000-3000元,2kw充電機的售價在幾百元到一千元。
車載充電機是新能源汽車必不可少的核心零部件,其市場規模隨著新能源汽車市場的快速增長而擴大。2016年,電動汽車車載充電機市場規模約20億元,未來幾年隨著新能源汽車產量的逐年提升,筆者預計到2020年國內電動汽車車載充電機市場規模將達到77億元。
圖表?4? 2015-2020年中國車載充電機市場規模(億元)
第二部分：DC/DC轉換器技術及市場
DC-DC轉換器一般會配套其他部件供應給整車企業,企業很難依靠這單一部件來盈利,在產量較低的時候,BOM成本會很高,不易切入,因此市場供應格局相對穩定。
1、技術原理及應用場景
DC/DC變換器是將一種電平的直流電壓變換為另一種電平的直流電壓的電路。
DC-DC轉換器的主要部件是變壓器。利用變壓器改變電壓時,變壓器需通過交流電壓。充電電池是直流電壓,因此DC-DC轉換器通過利用功率半導體ON/OFF來自充電電池的直流電壓,將其轉換成交流電壓。
然后,利用變壓器轉換交流電壓,再利用功率半導體將交流電壓轉換成12V的直流電壓。利用功率半導體轉換交流和直流時,為抑制電壓波形的噪聲(平滑化),還使用了電容器。
通俗來講,變換器的輸入是一個已經經過濾波之后的直流電壓,但是其可以是固定不變的;變換器的輸出是可變的直流電壓,也針對許多應用設計成多種輸出電壓。目前DC/DC變換器的效率可以很高,達到90%以上。
從類別來看,根據是否使用隔離變壓器,DC/DC變換器可分為隔離式DC/DC變換器和非隔離式DC/DC變換器。
非隔離式DC/DC變換器一般都有一個開關和一個二極管,有的可能還會有一個電感和一個電容等儲能元件。還有一些其他類型的非隔離式DC/DC變換器,其電路拓撲中有兩個開關、兩個二極管和一些儲能元件。
在許多應用場合,包括在電動汽車和混合動力汽車中需要實現輸入和輸出的電氣隔離,隔離式DC/DC變換器就是這樣一種有高頻隔離變壓器的基本拓撲結構。
圖表5? DC-DC轉換器的類別
DC/DC變換器在電動汽車(包括混合動力)中主要有以下三種應用類型:
1)高壓升壓器
這種高壓升壓器,是一種選擇性的架構,主要是某些整車企業,為了提高動力系統的效率,選擇用一個Boost的升壓器來提高逆變器輸入的總線電壓。因此,這個部件集成在逆變器里面,作為動力總成的一部分。
此類器件,由于在特定的部件條件下,通過系統設計優化出來的一個附帶產物,并不是每個整車企業都需要選擇,特別是隨著鋰電化帶來的系統電壓等級的升高,這個器件對于普通的零配件企業而言不是很好的機會。
2)高低壓轉換器(輔助功率模塊)
此模塊的主要作用是取代傳統的12V發電機。強混以上的系統之中,發動機輸出的動力直接驅動高壓繼電器對高壓電池系統進行補電,傳統的12V用電負荷,則完全依靠這個DC/DC變壓器供給,因此傳統的用電負荷補給也就落實到了這里。
此類器件,幾乎所有的新能源汽車都會應用,功率范圍從1KW～2.2KW,也是未來48V系統的一個核心元件,將對此器件進行展開。
3)12V電壓穩定器
12V電壓穩定器,主要是用在部分Start-Stop系統(如果有可能,后續對Start-Stop將要做個分類,目前在歐洲SS系統已經應用非常廣泛了。在啟動過程中,如果采用某種架構用來防止電壓波動對一些敏感器件產生影響。
這里的敏感負載,主要包括用戶可見的用電負載,如內飾燈和收音機等。電壓穩壓器的功率等級,隨著敏感用電器的負荷而定,一般為200～400W;總體而言,此類器件功率等級較小,成本要求較為苛刻,歐洲的零部件廠家切入較早,這類器件的技術已經非常成熟。
圖表6??純電動汽車中DC-DC轉換器應用場景
圖表7??混合動力汽車中DC-DC轉換器應用場景
2、市場應用情況
在實際應用過程中,對DC-DC轉換器的選擇很重要,合理使用DC-DC可以有效地控制高電壓值的穩定,有利于電動汽車驅動性能的提升。目前從國內電動汽車研發設計思路來看,大多廠商采用單向DC-DC轉換器。
單向DC-DC轉換器可以達到優化電機控制、提高電動汽車整體效率性能的作用,同時還可以避免出現反向制動無法控制和變換器出現浪涌電壓的不利情況。
從2015年以前開發設計的電動汽車來看,單向DC-DC轉換器為主流,國內外企業涉及該領域的企業也較多,市場產品相對充足。
近兩年來,雙向DC-DC轉換器也開始被市場接受。雙向DC-DC轉換器能更加方便地實現能量的雙向傳輸,減少了其他電子器件的使用,一定程度上節約了成本,同時其還有體積小、效率高等優勢。從趨勢來看,雙向DC-DC轉換器應用將越來越普遍。
筆者通過測算,2016年中國新能源汽車DC/DC轉換器市場規模約15億元,未來幾年隨著新能源汽車產量的逐年提升，筆者預計到2022年國內電動汽車DC/DC轉換器市場規模將超過60億元。
圖表8 ?2016-2022年中國新能源汽車DC/DC轉換器市場規模預測(億元)
第三部分：主流供應商及整車配套關系
一、主要企業下游配套情況
新能源汽車車載充電機、DC/DC轉換器行業的主要經營模式包括三種:
第一種模式是專業的車載電源生產商直供整車廠,特征是具有較強研發能力、技術優勢以及渠道優勢的企業借助先進的技術平臺,開發多領域應用的系列產品,并在技術規格上對產品進行模塊化、標準化設計,直接為整車廠提供新能源汽車車載DC/DC轉換器。
第二種模式是具有渠道資源的系統集成商采購車載電源等產品向整車廠提供集成產品。
第三種模式是整車廠自主生產車載充電機、DC/DC轉換器用于自產的新能源汽車。
圖表9??車載充電機、DC-DC轉換器主要配套模式
車載DC/DC轉換器公司一般采用直銷的營銷模式。產品下游直接客戶是新能源汽車整車廠和整車廠的集成供應商,新能源汽車整車廠以及整車廠的集成供應商一般按整車設計來定制車載電源及充電系統。
車載DC/DC轉換器企業通過為整車廠及其集成供應商提供定制化產品方案、聯合開發等多種形式獲取訂單。
圖表10? 主要車載充電機、DC-DC轉換器企業下游配套情況
二、車企選擇供應商的標準
車載充電機、DC/DC轉換器作為新能源汽車重要零部件,其技術水平、產品性能對汽車的品質及安全具有重要影響,因此客戶對供應商的篩選非常嚴格,通常會挑選研發能力強、技術水平先進、資金實力雄厚、生產規模大、售后服務完善的DC/DC轉換器企業作為供應商。
具體要求主要有以下幾點:
(1)技術設計的要求
車載充電機、DC/DC轉換器研發人員需考慮使用地區的氣候條件、地貌路況、車輛用途、車型、消費檔次等多方面因素,選擇適合的各項零部件進行匹配,并設計恰當的管路將各項零部件連接從而形成優化的系統。因此生產企業需具有良好的設計匹配技術,才能保證其設計出的產品性能優良、體積小、重量輕、環境適應能力強、質量高且成本較低。
企業要擁有良好的產品設計匹配技術,需要具備以下條件:
a、需有一支具有完善的理論分析能力、試驗驗證能力且經驗豐富的研發團隊;
b、企業需擁有可以模擬各種環境條件的試驗室、實驗設備和一整套檢驗體系;
c、企業需具備嚴謹高效的開發流程和項目管理體系;
c、企業需具備針對市場變化的快速反應能力,產品技術創新快速高效;
d、還要有相對廣泛、需求各異的消費群體基礎,以提高在不同情況下的匹配技術水平。
由于達到上述條件具有一定難度,因此新進入者較難掌握車載充電機設計匹配技術,具有技術積累的企業具有優勢。
(2)轉換效率是車載電源產品的重要技術指標
提高車載充電機、DC/DC轉換器的轉換效率有利于減少給動力電池充電過程中的電量損耗。因此提高車載電源的轉換效率,減少充電和電壓轉換過程中的電量損失,具有重要意義,車企在選擇供應商的時候,轉換效率是其重要的參考指標。
(3)可靠性成為各廠家的主要差距所在
新能源汽車充電機、DC/DC轉換器的運行環境比較復雜,會面臨發動機艙的高溫、整車的振動、電池電壓劇烈的波動等諸多問題,這對產品的可靠性提出了很高的要求。
可靠性是各廠家車載電源產品的主要差距所在,也是車企業選擇的供應商的必要指標。
對于可靠性,需要從三方面去考量:其一是通過嚴格的開發流程(TS16949)來控制規范;其二需滿足汽車級設計;其三需要有嚴苛的可靠性、耐久性試驗。
(4)完善的售后服務網絡
汽車最終用戶要求充電機、DC/DC轉換器生產企業的售后服務快速、便捷、質量高、覆蓋面廣。
為此,生產企業需投入大量的時間、資金和人力,在全國各地建立龐大的售后服務網點、信息服務系統并培養一支穩定且維修經驗豐富、反應迅速的售后服務隊伍。
另外,新能源整車制造企業規模較大,采取招標或商務談判方式進行設備采購,一般采取總部框架招標,具體的銷售合同由其各地分公司、子公司與公司另行簽訂的方式,單筆招標金額通常較大,對合格供應商的技術、成本控制、交付、售后等服務能力要求較高。
