車載充電機、DC/DC轉(zhuǎn)換器的市場、技術(shù)、供應(yīng)商、整車配套全面剖析

本文主要從市場、技術(shù)、供應(yīng)商、整車配套關(guān)系等角度對新能源汽車車載充電機、DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行分析。文章分為三部分:

車載充電機技術(shù)及市場

DC/DC轉(zhuǎn)換器技術(shù)及市場

主流供應(yīng)商及整車配套關(guān)系

第一部分：車載充電機技術(shù)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(guī)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(guī)模18億元,未來幾年隨著新能源汽車產(chǎn)量的逐年提升,筆者預(yù)計到2020年國內(nèi)電動汽車車載充電機市場規(guī)模將達(dá)到77億元。

1、車載充電機工作原理

與傳統(tǒng)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(tǒng);“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(diào)、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(jù)電池管理系統(tǒng)(BMS)提供的數(shù)據(jù),能動態(tài)調(diào)節(jié)充電電流或電壓參數(shù),執(zhí)行相應(yīng)的動作,完成充電過程。

車載充電機作為一個電力電子系統(tǒng),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(xiàn)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(dāng)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(tǒng)首先對電池的狀態(tài)進(jìn)行采集分析和判斷,進(jìn)而調(diào)整充電機的充電參數(shù)。

圖表?1??某車型HV?電氣系統(tǒng)及CAN?網(wǎng)絡(luò)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(jìn)行控制、監(jiān)測、計量、計算、修正、保護(hù)以及與外界網(wǎng)絡(luò)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(zhuǎn)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(jù)筆者調(diào)研,目前國內(nèi)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(dá)到10KW。

高功率是未來產(chǎn)品的一大趨勢。

圖表?3??國內(nèi)典型車載充電機技術(shù)參數(shù)

國內(nèi)新能源汽車都標(biāo)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(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)滿足抗震、防水、散熱等基本要求,這就決定了其應(yīng)是密封式金屬外殼、內(nèi)部采用全灌膠或局部灌膠工藝,否則是很難實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)要求。正規(guī)廠家生產(chǎn)且滿足這類標(biāo)準(zhǔn)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(dān)心其進(jìn)水、被盜等原因,經(jīng)常把充電機與插排一起放到駕駛室內(nèi)進(jìn)行充電,這樣就非常容易引起火災(zāi)。便攜非密封式充電機適合一些有專人維護(hù)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(jù)筆者調(diào)研,目前國產(chǎn)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(guī)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(guī)模約20億元,未來幾年隨著新能源汽車產(chǎn)量的逐年提升,筆者預(yù)計到2020年國內(nèi)電動汽車車載充電機市場規(guī)模將達(dá)到77億元。

圖表?4? 2015-2020年中國車載充電機市場規(guī)模(億元)

第二部分：DC/DC轉(zhuǎn)換器技術(shù)及市場

DC-DC轉(zhuǎn)換器一般會配套其他部件供應(yīng)給整車企業(yè),企業(yè)很難依靠這單一部件來盈利,在產(chǎn)量較低的時候,BOM成本會很高,不易切入,因此市場供應(yīng)格局相對穩(wěn)定。

1、技術(shù)原理及應(yīng)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換器通過利用功率半導(dǎo)體ON/OFF來自充電電池的直流電壓,將其轉(zhuǎn)換成交流電壓。

然后,利用變壓器轉(zhuǎn)換交流電壓,再利用功率半導(dǎo)體將交流電壓轉(zhuǎn)換成12V的直流電壓。利用功率半導(dǎo)體轉(zhuǎn)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(jīng)經(jīng)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(yīng)用設(shè)計成多種輸出電壓。目前DC/DC變換器的效率可以很高,達(dá)到90%以上。

從類別來看,根據(jù)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(guān)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?fù)渲杏袃蓚€開關(guān)、兩個二極管和一些儲能元件。

在許多應(yīng)用場合,包括在電動汽車和混合動力汽車中需要實現(xiàn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖表5? DC-DC轉(zhuǎn)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(yīng)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(gòu),主要是某些整車企業(yè),為了提高動力系統(tǒng)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(tǒng)設(shè)計優(yōu)化出來的一個附帶產(chǎn)物,并不是每個整車企業(yè)都需要選擇,特別是隨著鋰電化帶來的系統(tǒng)電壓等級的升高,這個器件對于普通的零配件企業(yè)而言不是很好的機會。

2)高低壓轉(zhuǎn)換器(輔助功率模塊)

此模塊的主要作用是取代傳統(tǒng)的12V發(fā)電機。強混以上的系統(tǒng)之中,發(fā)動機輸出的動力直接驅(qū)動高壓繼電器對高壓電池系統(tǒng)進(jìn)行補電,傳統(tǒng)的12V用電負(fù)荷,則完全依靠這個DC/DC變壓器供給,因此傳統(tǒng)的用電負(fù)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(yīng)用,功率范圍從1KW～2.2KW,也是未來48V系統(tǒng)的一個核心元件,將對此器件進(jìn)行展開。

3)12V電壓穩(wěn)定器

12V電壓穩(wěn)定器,主要是用在部分Start-Stop系統(tǒng)(如果有可能,后續(xù)對Start-Stop將要做個分類,目前在歐洲SS系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用非常廣泛了。在啟動過程中,如果采用某種架構(gòu)用來防止電壓波動對一些敏感器件產(chǎn)生影響。

這里的敏感負(fù)載,主要包括用戶可見的用電負(fù)載,如內(nèi)飾燈和收音機等。電壓穩(wěn)壓器的功率等級,隨著敏感用電器的負(fù)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(shù)已經(jīng)非常成熟。

圖表6??純電動汽車中DC-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用場景

圖表7??混合動力汽車中DC-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)用場景

2、市場應(yīng)用情況

在實際應(yīng)用過程中,對DC-DC轉(zhuǎn)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(wěn)定,有利于電動汽車驅(qū)動性能的提升。目前從國內(nèi)電動汽車研發(fā)設(shè)計思路來看,大多廠商采用單向DC-DC轉(zhuǎn)換器。

單向DC-DC轉(zhuǎn)換器可以達(dá)到優(yōu)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(xiàn)反向制動無法控制和變換器出現(xiàn)浪涌電壓的不利情況。

從2015年以前開發(fā)設(shè)計的電動汽車來看,單向DC-DC轉(zhuǎn)換器為主流,國內(nèi)外企業(yè)涉及該領(lǐng)域的企業(yè)也較多,市場產(chǎn)品相對充足。

近兩年來,雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器也開始被市場接受。雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器能更加方便地實現(xiàn)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(jié)約了成本,同時其還有體積小、效率高等優(yōu)勢。從趨勢來看,雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器應(yīng)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(zhuǎn)換器市場規(guī)模約15億元,未來幾年隨著新能源汽車產(chǎn)量的逐年提升，筆者預(yù)計到2022年國內(nèi)電動汽車DC/DC轉(zhuǎn)換器市場規(guī)模將超過60億元。

圖表8 ?2016-2022年中國新能源汽車DC/DC轉(zhuǎn)換器市場規(guī)模預(yù)測(億元)

第三部分：主流供應(yīng)商及整車配套關(guān)系

一、主要企業(yè)下游配套情況

新能源汽車車載充電機、DC/DC轉(zhuǎn)換器行業(yè)的主要經(jīng)營模式包括三種:

第一種模式是專業(yè)的車載電源生產(chǎn)商直供整車廠,特征是具有較強研發(fā)能力、技術(shù)優(yōu)勢以及渠道優(yōu)勢的企業(yè)借助先進(jìn)的技術(shù)平臺,開發(fā)多領(lǐng)域應(yīng)用的系列產(chǎn)品,并在技術(shù)規(guī)格上對產(chǎn)品進(jìn)行模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計,直接為整車廠提供新能源汽車車載DC/DC轉(zhuǎn)換器。

第二種模式是具有渠道資源的系統(tǒng)集成商采購車載電源等產(chǎn)品向整車廠提供集成產(chǎn)品。

第三種模式是整車廠自主生產(chǎn)車載充電機、DC/DC轉(zhuǎn)換器用于自產(chǎn)的新能源汽車。

圖表9??車載充電機、DC-DC轉(zhuǎn)換器主要配套模式

車載DC/DC轉(zhuǎn)換器公司一般采用直銷的營銷模式。產(chǎn)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(yīng)商,新能源汽車整車廠以及整車廠的集成供應(yīng)商一般按整車設(shè)計來定制車載電源及充電系統(tǒng)。

車載DC/DC轉(zhuǎn)換器企業(yè)通過為整車廠及其集成供應(yīng)商提供定制化產(chǎn)品方案、聯(lián)合開發(fā)等多種形式獲取訂單。

圖表10? 主要車載充電機、DC-DC轉(zhuǎn)換器企業(yè)下游配套情況

二、車企選擇供應(yīng)商的標(biāo)準(zhǔn)

車載充電機、DC/DC轉(zhuǎn)換器作為新能源汽車重要零部件,其技術(shù)水平、產(chǎn)品性能對汽車的品質(zhì)及安全具有重要影響,因此客戶對供應(yīng)商的篩選非常嚴(yán)格,通常會挑選研發(fā)能力強、技術(shù)水平先進(jìn)、資金實力雄厚、生產(chǎn)規(guī)模大、售后服務(wù)完善的DC/DC轉(zhuǎn)換器企業(yè)作為供應(yīng)商。

具體要求主要有以下幾點:

(1)技術(shù)設(shè)計的要求

車載充電機、DC/DC轉(zhuǎn)換器研發(fā)人員需考慮使用地區(qū)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(jìn)行匹配,并設(shè)計恰當(dāng)?shù)墓苈穼⒏黜椓悴考B接從而形成優(yōu)化的系統(tǒng)。因此生產(chǎn)企業(yè)需具有良好的設(shè)計匹配技術(shù),才能保證其設(shè)計出的產(chǎn)品性能優(yōu)良、體積小、重量輕、環(huán)境適應(yīng)能力強、質(zhì)量高且成本較低。

企業(yè)要擁有良好的產(chǎn)品設(shè)計匹配技術(shù),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(jīng)驗豐富的研發(fā)團(tuán)隊;

b、企業(yè)需擁有可以模擬各種環(huán)境條件的試驗室、實驗設(shè)備和一整套檢驗體系;

c、企業(yè)需具備嚴(yán)謹(jǐn)高效的開發(fā)流程和項目管理體系;

c、企業(yè)需具備針對市場變化的快速反應(yīng)能力,產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新快速高效;

d、還要有相對廣泛、需求各異的消費群體基礎(chǔ),以提高在不同情況下的匹配技術(shù)水平。

由于達(dá)到上述條件具有一定難度,因此新進(jìn)入者較難掌握車載充電機設(shè)計匹配技術(shù),具有技術(shù)積累的企業(yè)具有優(yōu)勢。

(2)轉(zhuǎn)換效率是車載電源產(chǎn)品的重要技術(shù)指標(biāo)

提高車載充電機、DC/DC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率,減少充電和電壓轉(zhuǎn)換過程中的電量損失,具有重要意義,車企在選擇供應(yīng)商的時候,轉(zhuǎn)換效率是其重要的參考指標(biāo)。

(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(zhuǎn)換器的運行環(huán)境比較復(fù)雜,會面臨發(fā)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(chǎn)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(chǎn)品的主要差距所在,也是車企業(yè)選擇的供應(yīng)商的必要指標(biāo)。

對于可靠性,需要從三方面去考量:其一是通過嚴(yán)格的開發(fā)流程(TS16949)來控制規(guī)范;其二需滿足汽車級設(shè)計;其三需要有嚴(yán)苛的可靠性、耐久性試驗。

(4)完善的售后服務(wù)網(wǎng)絡(luò)

汽車最終用戶要求充電機、DC/DC轉(zhuǎn)換器生產(chǎn)企業(yè)的售后服務(wù)快速、便捷、質(zhì)量高、覆蓋面廣。

為此,生產(chǎn)企業(yè)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(wù)網(wǎng)點、信息服務(wù)系統(tǒng)并培養(yǎng)一支穩(wěn)定且維修經(jīng)驗豐富、反應(yīng)迅速的售后服務(wù)隊伍。

另外,新能源整車制造企業(yè)規(guī)模較大,采取招標(biāo)或商務(wù)談判方式進(jìn)行設(shè)備采購,一般采取總部框架招標(biāo),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(biāo)金額通常較大,對合格供應(yīng)商的技術(shù)、成本控制、交付、售后等服務(wù)能力要求較高。