設計車(chē)載充電器的關(guān)鍵考慮因素

改用電動(dòng)汽車(chē) (EV) 后，駕駛員感受到的最大變化可能是補能方式不一樣了。具體來(lái)說(shuō)，他們不再需要驅車(chē)前往加油站，而是必須找到可用的充電點(diǎn)。

盡管公共充電樁的數量正在迅速增加，但許多人仍然更喜歡在家里充電。許多大功率公共充電樁提供直流電，能夠直接給電池充電，但家用充電樁為交流電，因此必須使用車(chē)載充電器 (OBC) 將其轉換為直流電才能給汽車(chē)充電。

圖1 典型電動(dòng)汽車(chē)傳動(dòng)系統剖析（資料來(lái)源：安森美）

電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)飛速發(fā)展，汽車(chē)制造商正從 400 V 遷移到 800 V 電池架構。與此同時(shí)，消費者需求持續增長(cháng)、電池容量 (kWh) 不斷增加，如此種種因素使得 OBC 也必須不斷進(jìn)步。此外，許多人都希望提高電動(dòng)汽車(chē)充電速度，因此在不超過(guò)電網(wǎng)供電能力的前提下，OBC 的功率從早期設計的 3.6 kW 提升到了 7.2 kW 或 11 kW。

圖2 純電動(dòng)汽車(chē) (BEV) 充電樁分類(lèi)

OBC的關(guān)鍵設計考慮因素

在著(zhù)手全面設計 OBC 之前，設計人員必須了解會(huì )影響器件和拓撲結構選擇的關(guān)鍵設計參數。

功率水平會(huì )直接影響用戶(hù)體驗，因此確定功率水平是至關(guān)重要的第一步。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，OBC 的功率越高，電池充電所需的時(shí)間就越短。在很多情況下，用戶(hù)會(huì )在家里給汽車(chē)充電，此時(shí)他們通常在忙其他事情或者在休息，因此充電時(shí)間不是什么大問(wèn)題。然而，對于出行中途的充電需求來(lái)說(shuō)，充電時(shí)間就非常關(guān)鍵了。2 級充電樁的額定功率一般約為 7.2 kW 或 11 kW。OBC 的功率水平設計應與電網(wǎng)容量和斷路器的限制（如最大電流）相匹配。以 230V 電網(wǎng)為例。在單相設計中，7.2 kW 的 2 級充電樁將消耗高達 32A 電流。11 kW 的 2 級充電樁針對三相交流輸入進(jìn)行了優(yōu)化，每相消耗的電流高達 16A。

電動(dòng)汽車(chē)加速在全球市場(chǎng)普及，但不同國家/地區的電網(wǎng)電壓差異給汽車(chē)充電帶來(lái)了挑戰。北美地區廣泛采用 110V 交流電，而在歐洲和中國，230V 交流電較為普遍。電力行業(yè)通常采用 86-264V AC 的“通用輸入”設計，這樣一來(lái)，無(wú)論將車(chē)輛運送到哪里，都可以使用同一種 OBC。

通過(guò)同一充電端口即可借助路邊提供直流電的快速充電樁為電動(dòng)汽車(chē)充電，這時(shí)不需要在 OBC 內部進(jìn)行 AC-DC 轉換，因此通常要設計一個(gè)旁路功能，使直流電可以直接流入高壓電池。

能效是 OBC 的一大關(guān)鍵參數。能效越高，給定時(shí)間內向電池輸送的電量就越多，進(jìn)而能夠縮短充電時(shí)間，這在電網(wǎng)每相功率接近限值的情況下尤為有效。

OBC 能效越低，設備內部產(chǎn)生的熱量就越多。這不僅會(huì )造成浪費，而且還需要額外的散熱措施，而現代電動(dòng)汽車(chē)的空間有限，這一點(diǎn)頗具挑戰性。OBC 的尺寸和重量增加，會(huì )增加車(chē)輛的重量，并提高行駛過(guò)程消耗的電量，最終導致縮短車(chē)輛的整體續航里程。

提高能效是電源設計人員的首要任務(wù)，而這是一項復雜的挑戰，需要從多方面入手。雖然轉換拓撲和控制方案也有很大影響，但器件（特別是 MOSFET）的選擇對于實(shí)現更優(yōu)能效的作用也不容小覷。

OBC設計中的功率級

通常，OBC 主要包含三個(gè)模塊：EMI 濾波器、功率因數校正 (PFC) 級和包含獨立初級與次級部分的隔離式 DC-DC 轉換器。

圖3 典型OBC內主要功率級的框圖（資料來(lái)源：安森美）

PFC 級位于 OBC 的前端，負責執行許多重要功能。首先，它將輸入的交流電網(wǎng)電壓整流為直流電壓，通常稱(chēng)其為“母線(xiàn)電壓”。此外還會(huì )對這個(gè)電壓進(jìn)行調節，通常使其保持在 400 V 左右，具體取決于電網(wǎng)的輸入交流電壓。

PFC 級的另一個(gè)重要功能是改善功率因數。如果沒(méi)有PFC提高功率因數， 那么低功率因數對電網(wǎng)更像一個(gè)污染源，耗電量也會(huì )增加。。為此，PFC 級會(huì )努力保持電壓和電流波形同相，并將電流波形整形為盡可能接近純正弦波，從而降低總諧波失真 (THD)。良好的 PFC 級會(huì )使電路的功率因數接近 1。

DC-DC 轉換器有兩個(gè)作用：一個(gè)是隔離來(lái)自電網(wǎng)的電壓；另一個(gè)是將來(lái)自 PFC 級的母線(xiàn)電壓轉換為適合給電動(dòng)汽車(chē)充電的電壓水平，即 400 V 或 800 V。

DC-DC 轉換器的初級會(huì )“斬切”直流母線(xiàn)電壓，調整其幅值，使其能夠通過(guò)初級和次級之間的變壓器，而次級則會(huì )整流輸出電壓，并調節到適合給電池充電的水平。

結論

設計高效的 OBC 并非易事，其尺寸和性能對于電動(dòng)汽車(chē)運行和整體客戶(hù)體驗的影響非常顯著(zhù)。相關(guān)設計必須能夠處理各種輸入電壓，并盡可能高效地在輕便緊湊的結構中完成千瓦級功率的轉換。

可供考慮的拓撲和控制方案有很多，可供選擇的器件非常廣泛，而這些元素將共同決定最終設計的性能。

為簡(jiǎn)化設計任務(wù)，許多設計人員傾向于從有限的供應商那里選購器件，理想情況下，可能僅與一家供應商建立長(cháng)期合作關(guān)系。

安森美 (onsemi) 提供種類(lèi)廣泛的分立器件和功率模塊，能夠一站式滿(mǎn)足完整 OBC 電源系統的設計需求。