【導讀】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設施電網充電的關鍵功能。當將電動汽車通過合適的充電線(SAE J1772，2017)連接到支持的2級電動汽車供電設備(EVSE)時，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行1級充電而將其作為“應急電源”，但這樣提供的功率有限，因此所需的充電時間更長。
OBC用于將交流電轉換為直流電，但如果輸入的是直流電，就不需要這種轉換(圖1)。當將直流快速充電樁連接到車輛時，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)統稱為新能源汽車(NEV)，但對系統級充電功能的要求各不相同(表1)。
表1：電動汽車OBC系統級要求
接受交流電輸入并將其轉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的電壓和電流。一般而言，這種功能由于只提供從電網到汽車的輸電，因此是單向的。OBC單元會根據整個電池的健康狀況和電荷狀態，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的設計約束包括交流輸入、目標輸出功率水平、電池組電壓、冷卻方法、空間約束，以及設計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，設計人員應解決以下問題：
● 對交流電源輸入進行交流整流和功率因素校正(PFC)。
● 初級側DC-DC。
● 次級側整流(無源或有源)。
● 如果是雙向的，還要進行次級DC-DC控制。
● 電壓、電流和溫度診斷。
● 用于通信和診斷的車載網絡(IVN)。
● 與電動汽車供電設備(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。
本文重點探討以上前四項(用粗體標記)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，同時最大程度提高實際輸電并在AC-DC轉換模式下運行(圖3)。在OBC等大功率系統中如果沒有PFC，輸電效率就不高，熱負載就會增加。在OBC設計方面，這個模塊的版本最多，因為根據交流電源輸入、輸出功率、能效和成本目標，它有許多的實現方式。
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(PF)規格在整個工作范圍內通常能達到PF≥0.9，而在典型工作范圍內則能達到PF≥0.98。高PF值可盡可能增加充電能力，同時也能盡可能減少線路/電網電流和視在功率需求。未來，業界將更多地關注與線路/電網諧波含量有關的各種改進，以及輕載條件下的改進模式。OBC中的PFC控制器用于執行以下功能：
● 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、熱負荷和諧波，從而提供最大數量的實際輸電。
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，因此這類系統的實際實現需要使用有源PFC(圖5)。
圖5：針對OBC系統功率水平的典型PFC拓撲
OBC常見的有源PFC方案包括(表2)：
● 傳統升壓
● 傳統升壓、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
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量的PFC拓撲，或使用幾乎沒有反向恢復特性的SiC肖特基二極管。設計人員還可轉用SiC MOSFET，這樣就可以使PFC級在更高的頻率下開關，同時處理更高的系統電壓，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DC-DC轉換器(表3)。該電路用于將來自PFC的高壓直流鏈路轉換為適當的電壓而用于充電。輸出電壓和電流將根據電池組的狀態而變化。
在單向設計中，這一DC-DC的典型實現是LLC，但也會有PSFB(移相全橋)版本。對于雙向設計，實現方式則是CLLC或雙有源橋(DAB)，而隨著雙向功能的發展，使用這些架構的方案也有望增多。SiC MOSFET由于可實現更高的電壓和更低的開關損耗，因此成為了這種情況的理想選擇。
表3：DC-DC器件選擇
次級側則可以使用二極管進行無源整流、使用功率開關進行同步整流、支持CLLC的全橋設計(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。
在單向設計中可使用超級結MOSFET(有效率損失)或SiC MOSFET進行同步整流，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計。
根據系統的功率水平、電壓和效率目標，會使用超級結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，而對于400 V系統，要實現成本優化，則可使用超級結MOSFET進行處理。
表4：次級側器件選擇
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。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中較小的電池則應提供較小的輸出功率。這種平衡可以防止對系統進行過度設計，并有助于優化充電時間和成本。
在電池組的額定容量方面，BEV有多種選擇。車輛的物理尺寸、成本目標和預期性能(如續航能力)都會影響這一性能。在全球范圍內，跨多個細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Electric Vehicle Database 2021年的數據)。
對于屬于卡車或大型運動型多用途車(SUV)細分市場的輕型乘用車，其電池組容量達到110 kWh至150 kWh以上則更為常見(根據Electric Vehicle Database和福特汽車公司2021年各自的數據)。
預計有兩款新車的電池容量將接近200 kWh(根據Electric Vehicle Database 2021年和Engineering Explained 2020年的數據)！電池組的額定容量正在增加，以期提供更高續航能力或滿足新的汽車細分市場需求，同時還在業內更廣泛地采用800 V規格，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使用內燃機(ICE)，而FCEV則使用氫燃料電池。
當電池組容量下降到某個水平以下或有其他條件需要時，ICE或燃料電池可以提供動力來驅動發電機，從而為電池充電。對于短距離行駛，這類電動汽車能夠實現全電動驅動，但它的續航里程遠不及BEV。這類電動汽車將有更多轉移到15 kWh以上的電池容量，以便增加純電動續航里程。
BEV的電池容量比PHEV要大得多，這會影響OBC的設計和選擇，以及車輛充電時間。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的充電時間則大概是PHEV的4倍。這種簡化的觀點沒有考慮到充電算法的許多復雜性，但就本文的討論用此進行估計足矣。如果兩個電池組都耗盡了電量，則BEV的充電時間會更長。
充電時間是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OBC的系統電壓。所有這些方案都有助于減少充電時間，從而改善最終用戶的體驗。
OBC的架構和功率水平正在發生快速轉變。隨著電動汽車采用率的持續增長，對非常靈活的OBC設計的需求比以往任何時候都更加重要。
關鍵系統考慮因素：
● 電動汽車電池組的能量密度正在增加。
● 消費者需要更快的充電時間。
● 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，從而支持電網到車輛和車輛到電網輸電。
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基礎設施供電(從而獲得報酬)，因此他們將從中受益。
PFC主要考慮因素：
● 基于SiC的圖騰柱PFC可提高系統效率并應對更高的電壓，同時使圖騰柱拓撲與維也納架構一起在單相和三相解決方案當中獲得流行。
● 基于超級結MOSFET或SiC MOSFET以及SiC二極管的維也納整流PFC可提高系統效率。
初級側/次級側的關鍵考慮因素：
● 初級側DC-DC采用SiC MOSFET可提高能效。
● 對于單向設計，在次級側采用SiC二極管可提供最佳效率。
● 對于CLLC和DAB拓撲，在次級側采用SiC MOSFET更容易實現雙向功能。
為了進一步縮短充電時間，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，其趨勢則是轉向11 kW和22 kW的OBC，同時繼續支持快速充電樁和更高的電壓。
最后，一級供應商正在將HV-LV DC-DC模塊功能集成到OBC中。這種集成的模塊設計被稱為組合充電器單元(CCU)，它提供了“2模塊合一”， 同時提高了高壓電源網和12 V電源網之間的系統級效率。
支持使用OBC的電動汽車架構 (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年的復合年增長率(CAGR)預計為25.6%，2026年的數量估計為2140萬臺(根據Strategy Analytics 2020年的數據)(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、供應鏈穩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800 V的電池電壓提供可擴展技術。產品組合包括SiC MOSFET、帶有共同封裝SiC二極管的混合IGBT、超級結MOSFET、汽車電源模塊(APM)、SiC二極管、柵極驅動器、穩壓電源和車載網絡(IVN)解決方案。與安森美的合作使客戶能夠為各種電動汽車應用設計靈活的OBC和基礎設施充電解決方案。
來源：EDN電子技術設計 ，作者：Marc Bracken
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