SMT耦合电感器对提高汽车效率具有哪些重要作用？

发布于2024-12-18

近年来，全球电动汽车（EV）销量迅速攀升，大有指数级增长之势¹。日趋严格的碳减排法规和新产品的不断涌现，正在推动电动汽车产业向前发展，但仍有两个我们熟悉的障碍——成本和续航里程尚未完全扫清。好在，解决这两个问题的方案，在提高效率这一点上找到了交集：提升电源转换效率，设计团队就可以节省更多成本，一次充电就能行驶更远的距离。

重量是影响电气效率的直接因素之一，因为拖动重量所消耗的功率会减少续航里程。因此，在当今电动汽车新品开发的过程中，工程师需要专注于寻找创造性的方法来减轻重量。

本文将概述48V电池系统的开发如何减轻重量，以提高电动汽车的电气效率。此外，本文还将介绍ERUC23耦合电感器等新型元器件如何实现比单电感器减少75%的体积，并提高效率以延长汽车续航里程。

向48V车载系统的转变

在汽车应用中，电源转换的一大趋势，就是从12V系统过渡到48V系统。这一转变使汽车系统能够在更高的负载下，更高效地提供更加稳定的电力，从而延长电池充电间隔时间。此外，48V电池的能量密度更高，因而能在更小的空间内实现上述优势。提高电压还可以降低电流消耗，在提高效率的同时，减少布线材料的用量并降低布线复杂度。这些优势可以为电动汽车带来重大优势，因为每个组件的效率都直接关系到汽车的续航里程和整体性能。

12V系统仍有用武之地

尽管48V系统的效率优势明显，但现有的12V应用仍然需要得到支持。电压较低的传统电池能够快速响应系统变化，而且大多数车载电子设备仍然需要由12V电池供电。

但是，如果能将笨重的12V电池从系统中移除，就可以通过减轻重量来提高车辆的续航能力。消除对12V电池依赖的方法之一，是使用混合式DC/DC转换器。

有关电源转换的基本信息

电动汽车驱动电机的动力转换过程，是其比内燃机汽车更具可持续性的重要原因。内燃机汽车需要将化学能（汽油）转换为热能，然后再转换为电能；而电动汽车跳过了热能转换的步骤，直接从（电池中的）化学能转换为电能。由于热能转换会损失大约30%的热效率，因而省去这一步骤就可以大幅提高效率。

在48V和12V系统之间转换电源也有助于优化系统效率。通过平衡现有电压源之间的功率，就可以减少对外部电源（例如用于储能的二次电池或V2G）的依赖，而且如果工程师能够控制转换损耗的话，还可以提高系统效率。要实现这种平衡，需要采用多种类型的电源转换技术，而这些技术都面临着挑战。

电源转换拓扑

混合式设计的车载系统主要存在四种电源转换拓扑：

• 降压（高压 → 低压）

• 升压（低压 → 高压）

• 降压-升压（根据占空比升压或降压）

• 混合式转换器拓扑（将48V降压至12V）

什么是混合式DC/DC转换器？

混合式DC/DC转换器可将48V电池作为主电源，通过降低电压来为12V元器件供电，而无需额外安装12V电池。这种方法通过使用单一电源，并移除一个又大又重的组件来提高效率。

混合式电源转换面临的挑战

不过，混合式转换器也面临着一些挑战。虽然减少了组件，但系统的电路却变得更加复杂，部分抵消了移除12V电池带来的成本改善。此外，这种电压转换方案还可能引入周期性直流电压变化（即纹波），导致效率降低。为了实现混合式DC/DC转换器的优势，工程师必须在电动汽车狭小的设计空间内解决这些设计难题。由于没有太多空间用于外部连接，狭小的设计空间对系统组件提出了集成度更高、组合功能更丰富的要求。

利用TDK ERUC23 SMT扁平线耦合电感器应对混合转换挑战

TDK的ERUC23 SMT扁平线耦合电感器在设计上进行了重大改进，可直接应对混合式转换器面临的难题（图1）。ERUC23在TDK扁平线ERU电感器的基础上进行了扩展，将两个绕组集成到一个元器件中，并具有电感耦合的优势。这种创新结构采用了低损耗铁氧体磁芯材料、优化的耦合线圈结构、扁平线绕组和自引线设计。这些特性可确保高饱和电流和低直流电阻，并通过降低纹波来提高效率，同时符合RoHS指令与AEC-Q200标准，使其成为双相降压、升压和降压-升压转换器（包括48V至12V混合式转换器）等各种应用中紧凑型耦合电感器的理想选择。

图1：ERUC23 SMT扁平线耦合电感器（图源：贸泽电子）

ERUC23与单电感器的比较

传统电感器在功率转换过程中会损失效率。ERUC23将单个电感器的封装空间从近24000mm3减少到约5300mm3，减少了近78%。其尺寸和产品细节如图2所示：

图2：ERUC23与SER2915单电感器的比较（图源：TDK）

此外，ERUC23还降低了磁芯损耗，在提高功率密度的同时改善了性能。与i7A系列转换器搭配使用时，还可以将电流输出从33A提高到60A，几乎翻了一番。

与单个电感器相比，ERU23C的另一项优势是可以降低直流电压变化引起的纹波电流。图3所示为耦合与非耦合纹波电流降低率与耦合系数的关系。降低率越低，表示电流越均匀。耦合系数是将互感与漏感进行比较（耦合系数越高，纹波电流越小）。

图3：耦合与非耦合电感器对降低纹波的影响（图源：TDK）

该图的右下方是纹波降低的方向。50%的占空比显示出了最佳的纹波电流降低效果。ERUC23的耦合系数略低于3，显示出较高的纹波降低性能。

用于混合式DC/DC转换器的ERUC23

ERUC23是电动汽车中混合式DC/DC转换器的理想之选，因为它能在更小的封装中降低纹波和磁芯损耗，从而通过降低线路损耗来提高电气效率。其拓扑灵活，适用于双相降压、升压、降压-升压和混合式DC-DC转换应用，能够尽可能减少电压变化，减轻热损耗导致的材料疲劳，延长元器件的使用寿命。

结语

TDK的ERUC23 SMT扁平线耦合电感器标志着汽车电源转换领域的重大进步。这些电感器通过解决空间、质量和效率等关键问题，直面混合式DC/DC转换器面临的挑战。ERUC23有助于打造出更高效、更可靠、更高性能的电动汽车。采用此类创新元器件，是克服现代电动汽车在工程、设计、效率和成本等方面各项挑战的重要一步，将推动电动汽车在全球汽车市场中占据更高的份额。

参考资料

1.McKerracher, Colin, Aleksandra O’Donovan, Dr. Nikolas Soulopoulos, and Andrew Grant. 

Pause background video Electric Vehicle Outlook 2023, n.d. https://about.bnef.com/electric-vehicle-outlook/.

作者简介

Adam Kimmel拥有近20年执业工程师、研发经理和工程内容撰稿人经验，编写过白皮书、网站内容、案例研究以及博客文章，涉及汽车、工业/制造业、科技和电子等垂直细分领域。Adam拥有化学和机械工程学位，并且是工程和技术内容写作公司ASK Consulting Solutions, LLC的创始人兼总负责人。