细说车载充电机的功能与趋势

作者： Marc Bracken，汽车系统技术营销工程师，安森美(onsemi)

车载充电机(OBC)为电动汽车(EV)的高压直流电池组提供了从基础设施电网充电的关键功能。当将电动汽车通过合适的充电线(SAE J1772，2017)连接到支持的2级电动汽车供电设备(EVSE)时，OBC就会处理充电。车主可使用特殊的电缆/适配器连接到墙插进行1级充电而将其作为“应急电源”，但这提供的功率有限，因此所需的充电时间更长。

接受交流电输入并将其转换为直流电输出的核心功能，为高压电池组充电提供了适当的电压和电流。一般而言，这种功能由于只提供从电网到汽车的输电，因此是单向的。OBC单元会根据整个电池的健康状况和电荷状态，改变电压和电流。

OBC用于将交流电转换为直流电，但如果输入的是直流电，就不需要这种转换。当将直流快速充电桩连接到车辆时，这就会绕过OBC而将快速充电器直接连接到高压电池。

OBC在纯电动汽车(BEV)、插电式混合电动车(PHEV)等场景中的应用，显示出其在电动汽车领域的重要性。

OBC的设计约束包括交流输入、目标输出功率水平、电池组电压、冷却方法、空间约束，以及设计是单向供电还是双向供电。此外，在许多情况下，这类模块在功能安全上必须支持汽车安全完整性等级(ASIL)的B级或C级。

OBC的核心功能

• 对交流电源输入进行交流整流和功率因素校正(PFC)。
• 初级侧DC-DC。
• 电压、电流和温度诊断。
• 如果是双向的，还要进行次级DC-DC控制。
• 用于通信和诊断的车载网络(IVN)。
• 与电动汽车供电设备(EVSE)的通信。

本文重点探讨以上前四项(用粗体标记)大功率路径部分。

交流整流和PFC有助于最大程度降低无功功率，同时最大程度提高实际输电并在AC-DC转换模式下运行。在OBC等大功率系统中如果没有PFC，输电效率就不高，热负载就会增加。OBC的功率因数(PF)规格在整个工作范围内通常能达到PF≥0.9，而在典型工作范围内则能达到PF≥0.98。高PF值可尽可能增加充电能力，同时也能尽可能减少线路/电网电流和视在功率需求。未来，业界将更多地关注与线路/电网谐波含量有关的各种改进，以及轻载条件下的改进模式。

技术纵深

随着OBC输出功率的增加，推荐使用可减少电源路径中二极管数量的PFC拓扑，或使用几乎没有反向恢复特性的SiC肖特基二极管。设计人员还可转用SiC MOSFET，这样就可以使PFC级在更高的频率下开关，同时处理更高的系统电压，从而增加效率和能量密度。电源路径的下一个模块是初级侧DC-DC转换器。次级侧则可以使用二极管进行无源整流、使用功率开关进行同步整流、支持CLLC的全桥设计(双向)或双有源桥的后半部分(双向)。无源整流不需要控制，但只支持电网到车辆单向供电。对于更高的效率或800V电池组的情况，SiC二极管则提供了最佳解决方案。

在电池组的额定容量方面，BEV有多种选择。车辆的物理尺寸、成本目标和预期性能(如续航能力)都会影响这一性能。在全球范围内，跨多个细分汽车市场的轻型乘用车，其电池组容量可能从30kWh到105kWh不等。对于属于卡车或大型运动型多用途车(SUV)细分市场的轻型乘用车，其电池组容量达到110kWh至150kWh以上则更为常见。预计新车的电池容量将接近200kWh。电池组的额定容量正在增加，以期提供更高续航能力或满足新的汽车细分市场需求，同时还在业内更广泛地采用800V规格，以便加快充电速度。

关键系统考虑因素

• 消费者需要更快的充电时间。
• 电动汽车电池组的能量密度正在增加。

充电时间是OEM和客户的主要考虑因素，它会影响最终用户的满意度。改善充电时间的方案包括增加OBC的功率输出、提高OBC的效率，以及增加电池组和相关OBC的系统电压。所有这些方案都有助于减少充电时间，从而改善最终用户的体验。

PFC主要考虑因素：

• 基于SiC的图腾柱PFC可提高系统效率并应对更高的电压。
• OBC正在向更高的功率水平迁移，更广泛采用800V电池系统。
• 为了增加最终用户的功能，需要提供可选的双向功能。

DC-DC模块功能集成到OBC中。这种集成的模块设计被称为组合充电器单元(CCU)，它提供了"2模块合一"，同时提高了高压电源网和12V电源网之间的系统级效率。