【導(dǎo)讀】車載充電器(OBC)為電動汽車(EV)的高壓直流電池組提供了從基礎(chǔ)設(shè)施電網(wǎng)充電的關(guān)鍵功能。當(dāng)將電動汽車通過合適的充電線(SAE J1772，2017)連接到支持的2級電動汽車供電設(shè)備(EVSE)時(shí)，OBC就會處理充電。車主可使用特殊的電纜/適配器連接到墻插進(jìn)行1級充電而將其作為“應(yīng)急電源”，但這樣提供的功率有限，因此所需的充電時(shí)間更長。
OBC用于將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，但如果輸入的是直流電，就不需要這種轉(zhuǎn)換(圖1)。當(dāng)將直流快速充電樁連接到車輛時(shí)，這就會繞過OBC而將快速充電器直接連接到高壓電池。
圖1：OBC電源路徑功能塊
OBC在純電動汽車(BEV)、插電式混合動力汽車(PHEV)和潛在的燃料電池汽車(FCEV)中都有所使用。這三種電動汽車(EV)統(tǒng)稱為新能源汽車(NEV)，但對系統(tǒng)級充電功能的要求各不相同(表1)。
表1：電動汽車OBC系統(tǒng)級要求
接受交流電輸入并將其轉(zhuǎn)換為直流電輸出的核心功能，為高壓電池組充電提供了適當(dāng)?shù)碾妷汉碗娏?。一般而言，這種功能由于只提供從電網(wǎng)到汽車的輸電，因此是單向的。OBC單元會根據(jù)整個電池的健康狀況和電荷狀態(tài)，改變電壓和電流(圖2)。
圖2：410 V鋰離子電池組的典型充電曲線(圖片來源：安森美TND6318-D文檔“On Board Charger(OBC)LLC Converter”)
OBC的設(shè)計(jì)約束包括交流輸入、目標(biāo)輸出功率水平、電池組電壓、冷卻方法、空間約束，以及設(shè)計(jì)是單向供電還是雙向供電。此外，在許多情況下，這類模塊在功能安全上必須支持汽車安全完整性等級(ASIL)的B級或C級。
考慮到OBC的整體硬件功能模塊，設(shè)計(jì)人員應(yīng)解決以下問題：
● 對交流電源輸入進(jìn)行交流整流和功率因素校正(PFC)。
● 初級側(cè)DC-DC。
● 次級側(cè)整流(無源或有源)。
● 如果是雙向的，還要進(jìn)行次級DC-DC控制。
● 電壓、電流和溫度診斷。
● 用于通信和診斷的車載網(wǎng)絡(luò)(IVN)。
● 與電動汽車供電設(shè)備(EVSE)的通信。
● 交流電源、12 V電池和高壓電池之間的隔離，這是個非常重要的安全要求。
本文重點(diǎn)探討以上前四項(xiàng)(用粗體標(biāo)記)大功率路徑部分。
交流整流和PFC有助于最大程度降低無功功率，同時(shí)最大程度提高實(shí)際輸電并在AC-DC轉(zhuǎn)換模式下運(yùn)行(圖3)。在OBC等大功率系統(tǒng)中如果沒有PFC，輸電效率就不高，熱負(fù)載就會增加。在OBC設(shè)計(jì)方面，這個模塊的版本最多，因?yàn)楦鶕?jù)交流電源輸入、輸出功率、能效和成本目標(biāo)，它有許多的實(shí)現(xiàn)方式。
圖3：功率三角形(圖片來源：安森美AN-42047文檔“Power Factor Correction (PFC) Basics”)
OBC的功率因數(shù)(PF)規(guī)格在整個工作范圍內(nèi)通常能達(dá)到PF≥0.9，而在典型工作范圍內(nèi)則能達(dá)到PF≥0.98。高PF值可盡可能增加充電能力，同時(shí)也能盡可能減少線路/電網(wǎng)電流和視在功率需求。未來，業(yè)界將更多地關(guān)注與線路/電網(wǎng)諧波含量有關(guān)的各種改進(jìn)，以及輕載條件下的改進(jìn)模式。OBC中的PFC控制器用于執(zhí)行以下功能：
● 使輸入相電流與輸入相電壓保持一致。
● 減少從交流電源吸收的峰值電流。
● 盡可能減少線路/電網(wǎng)電流總諧波失真(THD)。
● 確保輸入電流盡可能接近正弦波形。
在圖4中，電壓和電流都是正弦波并且同相位。這能夠盡可能減少無功功率分量、熱負(fù)荷和諧波，從而提供最大數(shù)量的實(shí)際輸電。
圖4：采用PFC的典型小功率電路(圖片來源：安森美HBD853/D文檔“Power Factor Correction(PFC) Handbook”)
雖然在一般應(yīng)用中可以使用無源PFC，但由于OBC需要滿足更高的功率水平、空間限制、散熱要求和功率因素等目標(biāo)，因此這類系統(tǒng)的實(shí)際實(shí)現(xiàn)需要使用有源PFC(圖5)。
圖5：針對OBC系統(tǒng)功率水平的典型PFC拓?fù)?/p>
OBC常見的有源PFC方案包括(表2)：
● 傳統(tǒng)升壓
● 傳統(tǒng)升壓、2通道交錯式
● 無橋升壓
● 圖騰柱
● 維也納整流器
● 3臂或4臂電橋(3相圖騰柱)
表2：PFC典型器件技術(shù)
隨著OBC輸出功率的增加，推薦使用可減少電源路徑中二極管數(shù)量的PFC拓?fù)?，或使用幾乎沒有反向恢復(fù)特性的SiC肖特基二極管。設(shè)計(jì)人員還可轉(zhuǎn)用SiC MOSFET，這樣就可以使PFC級在更高的頻率下開關(guān)，同時(shí)處理更高的系統(tǒng)電壓，從而增加效率和能量密度。
電源路徑的下一個模塊是初級側(cè)DC-DC轉(zhuǎn)換器(表3)。該電路用于將來自PFC的高壓直流鏈路轉(zhuǎn)換為適當(dāng)?shù)碾妷憾糜诔潆姟］敵鲭妷汉碗娏鲗⒏鶕?jù)電池組的狀態(tài)而變化。
在單向設(shè)計(jì)中，這一DC-DC的典型實(shí)現(xiàn)是LLC，但也會有PSFB(移相全橋)版本。對于雙向設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)方式則是CLLC或雙有源橋(DAB)，而隨著雙向功能的發(fā)展，使用這些架構(gòu)的方案也有望增多。SiC MOSFET由于可實(shí)現(xiàn)更高的電壓和更低的開關(guān)損耗，因此成為了這種情況的理想選擇。
表3：DC-DC器件選擇
次級側(cè)則可以使用二極管進(jìn)行無源整流、使用功率開關(guān)進(jìn)行同步整流、支持CLLC的全橋設(shè)計(jì)(雙向)或雙有源橋的后半部分(雙向)(表4)。無源整流不需要控制，但只支持電網(wǎng)到車輛單向供電。對于更高的效率或800 V電池組的情況，SiC二極管則提供了最佳解決方案。
在單向設(shè)計(jì)中可使用超級結(jié)MOSFET(有效率損失)或SiC MOSFET進(jìn)行同步整流，但在許多情況下，與二極管解決方案相比，這類解決方案較貴。對于雙向功能，則會使用全橋或多臂半橋解決方案設(shè)計(jì)。
根據(jù)系統(tǒng)的功率水平、電壓和效率目標(biāo)，會使用超級結(jié)MOSFET或SiC MOSFET。SiC MOSFET可在所有方案中提供更高效率并更易于處理800 V系統(tǒng)，而對于400 V系統(tǒng)，要實(shí)現(xiàn)成本優(yōu)化，則可使用超級結(jié)MOSFET進(jìn)行處理。
表4：次級側(cè)器件選擇
OBC的額定輸出功率往往與車輛中所使用的電池組的大小相關(guān)。OBC對于BEV中較大的電池要能提供較大的輸出功率，而對于PHEV中較小的電池則應(yīng)提供較小的輸出功率。這種平衡可以防止對系統(tǒng)進(jìn)行過度設(shè)計(jì)，并有助于優(yōu)化充電時(shí)間和成本。
在電池組的額定容量方面，BEV有多種選擇。車輛的物理尺寸、成本目標(biāo)和預(yù)期性能(如續(xù)航能力)都會影響這一性能。在全球范圍內(nèi)，跨多個細(xì)分汽車市場的輕型乘用車，其電池組容量可能從30 kWh到105 kWh不等(根據(jù)Electric Vehicle Database 2021年的數(shù)據(jù))。
對于屬于卡車或大型運(yùn)動型多用途車(SUV)細(xì)分市場的輕型乘用車，其電池組容量達(dá)到110 kWh至150 kWh以上則更為常見(根據(jù)Electric Vehicle Database和福特汽車公司2021年各自的數(shù)據(jù))。
預(yù)計(jì)有兩款新車的電池容量將接近200 kWh(根據(jù)Electric Vehicle Database 2021年和Engineering Explained 2020年的數(shù)據(jù))！電池組的額定容量正在增加，以期提供更高續(xù)航能力或滿足新的汽車細(xì)分市場需求，同時(shí)還在業(yè)內(nèi)更廣泛地采用800 V規(guī)格，以便加快充電速度。
PHEV和FCEV的電池組容量從5 kWh到25 kWh不等。由于PHEV還依賴于電池組以外的額外動力源，其容量比一般的BEV要低得多。PHEV使用內(nèi)燃機(jī)(ICE)，而FCEV則使用氫燃料電池。
當(dāng)電池組容量下降到某個水平以下或有其他條件需要時(shí)，ICE或燃料電池可以提供動力來驅(qū)動發(fā)電機(jī)，從而為電池充電。對于短距離行駛，這類電動汽車能夠?qū)崿F(xiàn)全電動驅(qū)動，但它的續(xù)航里程遠(yuǎn)不及BEV。這類電動汽車將有更多轉(zhuǎn)移到15 kWh以上的電池容量，以便增加純電動續(xù)航里程。
BEV的電池容量比PHEV要大得多，這會影響OBC的設(shè)計(jì)和選擇，以及車輛充電時(shí)間。下面來考慮下這樣一種場景：有兩輛不同的汽車(BEV和PHEV)使用相同版本的OBC充電，并插入到相同功能的EVSE中。
如果BEV的電池容量是PHEV的4倍，那么BEV的充電時(shí)間則大概是PHEV的4倍。這種簡化的觀點(diǎn)沒有考慮到充電算法的許多復(fù)雜性，但就本文的討論用此進(jìn)行估計(jì)足矣。如果兩個電池組都耗盡了電量，則BEV的充電時(shí)間會更長。
充電時(shí)間是OEM和客戶的主要考慮因素，它會影響最終用戶的滿意度。有助于改善充電時(shí)間的方案包括增加OBC的功率輸出、提高OBC的效率，以及增加電池組和相關(guān)OBC的系統(tǒng)電壓。所有這些方案都有助于減少充電時(shí)間，從而改善最終用戶的體驗(yàn)。
OBC的架構(gòu)和功率水平正在發(fā)生快速轉(zhuǎn)變。隨著電動汽車采用率的持續(xù)增長，對非常靈活的OBC設(shè)計(jì)的需求比以往任何時(shí)候都更加重要。
關(guān)鍵系統(tǒng)考慮因素：
● 電動汽車電池組的能量密度正在增加。
● 消費(fèi)者需要更快的充電時(shí)間。
● OBC正在向更高的功率水平遷移。
● OBC必須滿足400 V和更廣泛采用的800 V電池系統(tǒng)的需求。
● 為了增加最終用戶的功能，需要提供可選的雙向功能，從而支持電網(wǎng)到車輛和車輛到電網(wǎng)輸電。
由于車主可以在停電的情況下用電動汽車為自己的家庭供電，或者與電力公司合作為電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施供電(從而獲得報(bào)酬)，因此他們將從中受益。
PFC主要考慮因素：
● 基于SiC的圖騰柱PFC可提高系統(tǒng)效率并應(yīng)對更高的電壓，同時(shí)使圖騰柱拓?fù)渑c維也納架構(gòu)一起在單相和三相解決方案當(dāng)中獲得流行。
● 基于超級結(jié)MOSFET或SiC MOSFET以及SiC二極管的維也納整流PFC可提高系統(tǒng)效率。
初級側(cè)/次級側(cè)的關(guān)鍵考慮因素：
● 初級側(cè)DC-DC采用SiC MOSFET可提高能效。
● 對于單向設(shè)計(jì)，在次級側(cè)采用SiC二極管可提供最佳效率。
● 對于CLLC和DAB拓?fù)?，在次級?cè)采用SiC MOSFET更容易實(shí)現(xiàn)雙向功能。
為了進(jìn)一步縮短充電時(shí)間，對于較小能量密度的電池組，OBC模塊的輸出功率將開始增加。另一個可能性則是增加對直流快速充電的支持，從而幫助PHEV在幾分鐘內(nèi)充滿電。對于更大的電池組，例如BEV中所用的電池組，其趨勢則是轉(zhuǎn)向11 kW和22 kW的OBC，同時(shí)繼續(xù)支持快速充電樁和更高的電壓。
最后，一級供應(yīng)商正在將HV-LV DC-DC模塊功能集成到OBC中。這種集成的模塊設(shè)計(jì)被稱為組合充電器單元(CCU)，它提供了“2模塊合一”， 同時(shí)提高了高壓電源網(wǎng)和12 V電源網(wǎng)之間的系統(tǒng)級效率。
支持使用OBC的電動汽車架構(gòu) (BEV、PHEV和FCEV)在2021年約占電動汽車總銷量的46%，到2026年則將占電動汽車總銷量的57%。OBC 5年的復(fù)合年增長率(CAGR)預(yù)計(jì)為25.6%，2026年的數(shù)量估計(jì)為2140萬臺(根據(jù)Strategy Analytics 2020年的數(shù)據(jù))(圖6)。
圖6：需要OBC的車輛增長
對逆變器中所用的電力電子器件來說，必須要滿足最大功率密度、高效率、供應(yīng)鏈穩(wěn)定性和長期可靠性等各種要求。
安森美(onsemi)為從3.3 kW到22 kW的汽車OBC功率級和高達(dá)800 V的電池電壓提供可擴(kuò)展技術(shù)。產(chǎn)品組合包括SiC MOSFET、帶有共同封裝SiC二極管的混合IGBT、超級結(jié)MOSFET、汽車電源模塊(APM)、SiC二極管、柵極驅(qū)動器、穩(wěn)壓電源和車載網(wǎng)絡(luò)(IVN)解決方案。與安森美的合作使客戶能夠?yàn)楦鞣N電動汽車應(yīng)用設(shè)計(jì)靈活的OBC和基礎(chǔ)設(shè)施充電解決方案。
來源：EDN電子技術(shù)設(shè)計(jì) ，作者：Marc Bracken
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