【導讀】車(chē)載充電器(OBC)為電動(dòng)汽車(chē)(EV)的高壓直流電池組提供了從基礎設施電網(wǎng)充電的關(guān)鍵功能。當將電動(dòng)汽車(chē)通過(guò)合適的充電線(xiàn)(SAE J1772，2017)連接到支持的2級電動(dòng)汽車(chē)供電設備(EVSE)時(shí)，OBC就會(huì )處理充電。車(chē)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(cháng)。
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(chē)輛時(shí)，這就會(huì )繞過(guò)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(dòng)汽車(chē)(BEV)、插電式混合動(dòng)力汽車(chē)(PHEV)和潛在的燃料電池汽車(chē)(FCEV)中都有所使用。這三種電動(dòng)汽車(chē)(EV)統稱(chēng)為新能源汽車(chē)(NEV)，但對系統級充電功能的要求各不相同(表1)。
表1：電動(dòng)汽車(chē)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(wǎng)到汽車(chē)的輸電，因此是單向的。OBC單元會(huì )根據整個(gè)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(xiàn)(圖片來(lái)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(lèi)模塊在功能安全上必須支持汽車(chē)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(wèn)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DC-DC。
● 次級側整流(無(wú)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(chē)載網(wǎng)絡(luò )(IVN)。
● 與電動(dòng)汽車(chē)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(gè)非常重要的安全要求。
本文重點(diǎn)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(wú)功功率，同時(shí)最大程度提高實(shí)際輸電并在A(yíng)C-DC轉換模式下運行(圖3)。在OBC等大功率系統中如果沒(méi)有PFC，輸電效率就不高，熱負載就會(huì )增加。在OBC設計方面，這個(gè)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(shí)現方式。
圖3：功率三角形(圖片來(lái)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(gè)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(shí)也能盡可能減少線(xiàn)路/電網(wǎng)電流和視在功率需求。未來(lái)，業(yè)界將更多地關(guān)注與線(xiàn)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(xiàn)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(wú)功功率分量、熱負荷和諧波，從而提供最大數量的實(shí)際輸電。
圖4：采用PFC的典型小功率電路(圖片來(lái)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(wú)源PFC，但由于OBC需要滿(mǎn)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(lèi)系統的實(shí)際實(shí)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(jiàn)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(wú)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(zhù)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(méi)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(kāi)關(guān)，同時(shí)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(gè)模塊是初級側DC-DC轉換器(表3)。該電路用于將來(lái)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(tài)而變化。
在單向設計中，這一DC-DC的典型實(shí)現是LLC，但也會(huì )有PSFB(移相全橋)版本。對于雙向設計，實(shí)現方式則是CLLC或雙有源橋(DAB)，而隨著(zhù)雙向功能的發(fā)展，使用這些架構的方案也有望增多。SiC MOSFET由于可實(shí)現更高的電壓和更低的開(kāi)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
次級側則可以使用二極管進(jìn)行無(wú)源整流、使用功率開(kāi)關(guān)進(jìn)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(wú)源整流不需要控制，但只支持電網(wǎng)到車(chē)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(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(lèi)解決方案較貴。對于雙向功能，則會(huì )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(huì )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(shí)現成本優(yōu)化，則可使用超級結MOSFET進(jìn)行處理。
表4：次級側器件選擇
OBC的額定輸出功率往往與車(chē)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中較小的電池則應提供較小的輸出功率。這種平衡可以防止對系統進(jìn)行過(guò)度設計，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(chē)輛的物理尺寸、成本目標和預期性能(如續航能力)都會(huì )影響這一性能。在全球范圍內，跨多個(gè)細分汽車(chē)市場(chǎng)的輕型乘用車(chē)，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(chē)或大型運動(dòng)型多用途車(chē)(SUV)細分市場(chǎng)的輕型乘用車(chē)，其電池組容量達到110 kWh至150 kWh以上則更為常見(jiàn)(根據Electric Vehicle Database和福特汽車(chē)公司2021年各自的數據)。
預計有兩款新車(chē)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(mǎn)足新的汽車(chē)細分市場(chǎng)需求，同時(shí)還在業(yè)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(lài)于電池組以外的額外動(dòng)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(gè)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(dòng)力來(lái)驅動(dòng)發(fā)電機，從而為電池充電。對于短距離行駛，這類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)能夠實(shí)現全電動(dòng)驅動(dòng)，但它的續航里程遠不及BEV。這類(lèi)電動(dòng)汽車(chē)將有更多轉移到15 kWh以上的電池容量，以便增加純電動(dòng)續航里程。
BEV的電池容量比PHEV要大得多，這會(huì )影響OBC的設計和選擇，以及車(chē)輛充電時(shí)間。下面來(lái)考慮下這樣一種場(chǎng)景：有兩輛不同的汽車(chē)(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(jiǎn)化的觀(guān)點(diǎn)沒(méi)有考慮到充電算法的許多復雜性，但就本文的討論用此進(jìn)行估計足矣。如果兩個(gè)電池組都耗盡了電量，則BEV的充電時(shí)間會(huì )更長(cháng)。
充電時(shí)間是OEM和客戶(hù)的主要考慮因素，它會(huì )影響最終用戶(hù)的滿(mǎn)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(hù)的體驗。
OBC的架構和功率水平正在發(fā)生快速轉變。隨著(zhù)電動(dòng)汽車(chē)采用率的持續增長(cháng)，對非常靈活的OBC設計的需求比以往任何時(shí)候都更加重要。
關(guān)鍵系統考慮因素：
● 電動(dòng)汽車(chē)電池組的能量密度正在增加。
● 消費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(mǎn)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(hù)的功能，需要提供可選的雙向功能，從而支持電網(wǎng)到車(chē)輛和車(chē)輛到電網(wǎng)輸電。
由于車(chē)主可以在停電的情況下用電動(dòng)汽車(chē)為自己的家庭供電，或者與電力公司合作為電網(wǎng)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(shí)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(guān)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(shí)現雙向功能。
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(kāi)始增加。另一個(gè)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(mǎn)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(shí)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(chēng)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)之間的系統級效率。
支持使用OBC的電動(dòng)汽車(chē)架構 (BEV、PHEV和FCEV)在2021年約占電動(dòng)汽車(chē)總銷(xiāo)量的46%，到2026年則將占電動(dòng)汽車(chē)總銷(xiāo)量的57%。OBC 5年的復合年增長(cháng)率(CAGR)預計為25.6%，2026年的數量估計為2140萬(wàn)臺(根據Strategy Analytics 2020年的數據)(圖6)。
圖6：需要OBC的車(chē)輛增長(cháng)
對逆變器中所用的電力電子器件來(lái)說(shuō)，必須要滿(mǎn)足最大功率密度、高效率、供應鏈穩定性和長(cháng)期可靠性等各種要求。
安森美(onsemi)為從3.3 kW到22 kW的汽車(chē)OBC功率級和高達800 V的電池電壓提供可擴展技術(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MOSFET、汽車(chē)電源模塊(APM)、SiC二極管、柵極驅動(dòng)器、穩壓電源和車(chē)載網(wǎng)絡(luò )(IVN)解決方案。與安森美的合作使客戶(hù)能夠為各種電動(dòng)汽車(chē)應用設計靈活的OBC和基礎設施充電解決方案。
來(lái)源：EDN電子技術(shù)設計 ，作者：Marc Bracken
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