设计车载充电器的关键考虑因素

Key Design Considerations for On Board Charger

设计车载充电器的关键考虑因素

改用电动汽车 (EV) 后，驾驶员感受到的最大变化可能是补能方式不一样了。具体来说，他们不再需要驱车前往加油站，而是必须找到可用的充电点。

尽管公共充电桩的数量正在迅速增加，但许多人仍然更喜欢在家里充电。许多大功率公共充电桩提供直流电，能够直接给电池充电，但家用充电桩为交流电，因此必须使用车载充电器 (OBC) 将其转换为直流电才能给汽车充电。

图 1：典型电动汽车传动系统剖析（资料来源：安森美）

电动汽车技术飞速发展，汽车制造商正从 400 V 迁移到 800 V 电池架构。与此同时，消费者需求持续增长、电池容量 (kWh) 不断增加，如此种种因素使得 OBC 也必须不断进步。此外，许多人都希望提高电动汽车充电速度，因此在不超过电网供电能力的前提下，OBC 的功率从早期设计的 3.6 kW 提升到了 7.2 kW 或 11 kW。

图 2：纯电动汽车 (BEV) 充电桩分类

OBC 的关键设计考虑因素

在着手全面设计 OBC 之前，设计人员必须了解会影响器件和拓扑结构选择的关键设计参数。

功率水平会直接影响用户体验，因此确定功率水平是至关重要的第一步。简单来说，OBC 的功率越高，电池充电所需的时间就越短。在很多情况下，用户会在家里给汽车充电，此时他们通常在忙其他事情或者在休息，因此充电时间不是什么大问题。然而，对于出行中途的充电需求来说，充电时间就非常关键了。2 级充电桩的额定功率一般约为 7.2 kW 或 11 kW。OBC 的功率水平设计应与电网容量和断路器的限制（如最大电流）相匹配。以 230V 电网为例。在单相设计中，7.2 kW 的 2 级充电桩将消耗高达 32A 电流。11 kW 的 2 级充电桩针对三相交流输入进行了优化，每相消耗的电流高达 16A。

电动汽车加速在全球市场普及，但不同国家/地区的电网电压差异给汽车充电带来了挑战。北美地区广泛采用 110V 交流电，而在欧洲和中国，230V 交流电较为普遍。电力行业通常采用 86-264V AC 的“通用输入”设计，这样一来，无论将车辆运送到哪里，都可以使用同一种 OBC。

通过同一充电端口即可借助路边提供直流电的快速充电桩为电动汽车充电，这时不需要在 OBC 内部进行 AC-DC 转换，因此通常要设计一个旁路功能，使直流电可以直接流入高压电池。

能效是 OBC 的一大关键参数。能效越高，给定时间内向电池输送的电量就越多，进而能够缩短充电时间，这在电网每相功率接近限值的情况下尤为有效。

OBC 能效越低，设备内部产生的热量就越多。这不仅会造成浪费，而且还需要额外的散热措施，而现代电动汽车的空间有限，这一点颇具挑战性。OBC 的尺寸和重量增加，会增加车辆的重量，并提高行驶过程消耗的电量，最终导致缩短车辆的整体续航里程。

提高能效是电源设计人员的首要任务，而这是一项复杂的挑战，需要从多方面入手。虽然转换拓扑和控制方案也有很大影响，但器件（特别是 MOSFET）的选择对于实现更优能效的作用也不容小觑。

OBC 设计中的功率级

通常，OBC 主要包含三个模块：EMI 滤波器、功率因数校正 (PFC) 级和包含独立初级与次级部分的隔离式 DC-DC 转换器。

图 3：典型 OBC 内主要功率级的框图（资料来源：安森美）

PFC 级位于 OBC 的前端，负责执行许多重要功能。首先，它将输入的交流电网电压整流为直流电压，通常称其为“母线电压”。此外还会对这个电压进行调节，通常使其保持在 400 V 左右，具体取决于电网的输入交流电压。

PFC 级的另一个重要功能是改善功率因数。如果没有PFC提高功率因数， 那么低功率因数对电网更像一个污染源，耗电量也会增加。。为此，PFC 级会努力保持电压和电流波形同相，并将电流波形整形为尽可能接近纯正弦波，从而降低总谐波失真 (THD)。良好的 PFC 级会使电路的功率因数接近 1。

DC-DC 转换器有两个作用：一个是隔离来自电网的电压；另一个是将来自 PFC 级的母线电压转换为适合给电动汽车充电的电压水平，即 400 V 或 800 V。

DC-DC 转换器的初级会“斩切”直流母线电压，调整其幅值，使其能够通过初级和次级之间的变压器，而次级则会整流输出电压，并调节到适合给电池充电的水平。

结论

设计高效的 OBC 并非易事，其尺寸和性能对于电动汽车运行和整体客户体验的影响非常显著。相关设计必须能够处理各种输入电压，并尽可能高效地在轻便紧凑的结构中完成千瓦级功率的转换。

可供考虑的拓扑和控制方案有很多，可供选择的器件非常广泛，而这些元素将共同决定最终设计的性能。

为简化设计任务，许多设计人员倾向于从有限的供应商那里选购器件，理想情况下，可能仅与一家供应商建立长期合作关系。

安森美 (onsemi) 提供种类广泛的分立器件和功率模块，能够一站式满足完整 OBC 电源系统的设计需求。