設(shè)計(jì)車載充電器的關(guān)鍵考慮因素

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

盡管公共充電樁的數(shù)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，因此必須使用車載充電器(OBC)將其轉(zhuǎn)換為直流電才能給汽車充電。

圖1：典型電動(dòng)汽車傳動(dòng)系統(tǒng)剖析（資料來源：安森美）

電動(dòng)汽車技術(shù)飛速發(fā)展，汽車制造商正從400 V 遷移到 800 V 電池架構(gòu)。與此同時(shí)，消費(fèi)者需求持續(xù)增長(zhǎng)、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)汽車充電速度，因此在不超過電網(wǎng)供電能力的前提下，OBC 的功率從早期設(shè)計(jì)的 3.6 kW 提升到了 7.2 kW 或 11 kW。

圖2：純電動(dòng)汽車 (BEV) 充電樁分類

OBC 的關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素

在著手全面設(shè)計(jì)OBC 之前，設(shè)計(jì)人員必須了解會(huì)影響器件和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)選擇的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)。

功率水平會(huì)直接影響用戶體驗(yàn)，因此確定功率水平是至關(guān)重要的第一步。簡(jiǎn)單來說，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，用戶會(huì)在家里給汽車充電，此時(shí)他們通常在忙其他事情或者在休息，因此充電時(shí)間不是什么大問題。然而，對(duì)于出行中途的充電需求來說，充電時(shí)間就非常關(guān)鍵了。2 級(jí)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(shè)計(jì)應(yīng)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(shè)計(jì)中，7.2 kW 的 2 級(jí)充電樁將消耗高達(dá) 32A 電流。11 kW 的 2 級(jí)充電樁針對(duì)三相交流輸入進(jìn)行了優(yōu)化，每相消耗的電流高達(dá) 16A。

電動(dòng)汽車加速在全球市場(chǎng)普及，但不同國(guó)家/地區(qū)的電網(wǎng)電壓差異給汽車充電帶來了挑戰(zhàn)。北美地區(qū)廣泛采用 110V 交流電，而在歐洲和中國(guó)，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(shè)計(jì)，這樣一來，無論將車輛運(yùn)送到哪里，都可以使用同一種 OBC。

通過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)汽車充電，這時(shí)不需要在OBC 內(nèi)部進(jìn)行 AC-DC 轉(zhuǎn)換，因此通常要設(shè)計(jì)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(shù)。能效越高，給定時(shí)間內(nèi)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(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的熱量就越多。這不僅會(huì)造成浪費(fèi)，而且還需要額外的散熱措施，而現(xiàn)代電動(dòng)汽車的空間有限，這一點(diǎn)頗具挑戰(zhàn)性。OBC 的尺寸和重量增加，會(huì)增加車輛的重量，并提高行駛過程消耗的電量，最終導(dǎo)致縮短車輛的整體續(xù)航里程。

提高能效是電源設(shè)計(jì)人員的首要任務(wù)，而這是一項(xiàng)復(fù)雜的挑戰(zhàn)，需要從多方面入手。雖然轉(zhuǎn)換拓?fù)浜涂刂品桨敢灿泻艽笥绊?，但器件（特別是MOSFET）的選擇對(duì)于實(shí)現(xiàn)更優(yōu)能效的作用也不容小覷。

OBC 設(shè)計(jì)中的功率級(jí)

通常，OBC 主要包含三個(gè)模塊：EMI 濾波器、功率因數(shù)校正 (PFC) 級(jí)和包含獨(dú)立初級(jí)與次級(jí)部分的隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。

圖3：典型 OBC 內(nèi)主要功率級(jí)的框圖（資料來源：安森美）

PFC 級(jí)位于 OBC 的前端，負(fù)責(zé)執(zhí)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，通常稱其為“母線電壓”。此外還會(huì)對(duì)這個(gè)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，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(jí)的另一個(gè)重要功能是改善功率因數(shù)。如果沒有PFC提高功率因數(shù)， 那么低功率因數(shù)對(duì)電網(wǎng)更像一個(gè)污染源，耗電量也會(huì)增加。。為此，PFC 級(jí)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(jí)會(huì)使電路的功率因數(shù)接近 1。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器有兩個(gè)作用：一個(gè)是隔離來自電網(wǎng)的電壓；另一個(gè)是將來自 PFC 級(jí)的母線電壓轉(zhuǎn)換為適合給電動(dòng)汽車充電的電壓水平，即 400 V 或 800 V。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器的初級(jí)會(huì)“斬切”直流母線電壓，調(diào)整其幅值，使其能夠通過初級(jí)和次級(jí)之間的變壓器，而次級(jí)則會(huì)整流輸出電壓，并調(diào)節(jié)到適合給電池充電的水平。

結(jié)論

設(shè)計(jì)高效的OBC 并非易事，其尺寸和性能對(duì)于電動(dòng)汽車運(yùn)行和整體客戶體驗(yàn)的影響非常顯著。相關(guān)設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)中完成千瓦級(jí)功率的轉(zhuǎn)換。

可供考慮的拓?fù)浜涂刂品桨赣泻芏?，可供選擇的器件非常廣泛，而這些元素將共同決定最終設(shè)計(jì)的性能。

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

安森美(onsemi) 提供種類廣泛的分立器件和功率模塊，能夠一站式滿足完整 OBC 電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。