當(dāng)轉(zhuǎn)換為電動(dòng)汽車(chē) (EV) 時(shí)，對(duì)駕駛員來(lái)說(shuō)最大的變化可能是加油。加油不再意味著要去加油站，而是必須找到可用的充電點(diǎn)。

盡管公共充電器的普及速度很快，但許多人還是喜歡在家里給汽車(chē)充電。與許多提供直流電直接給電池充電的大功率公共充電器不同，家用充電器提供的是交流電，必須通過(guò)車(chē)載充電器(OBC)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后才能給電池充電。

從充電基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)看，大功率直流充電器是速度最快但也是最昂貴的解決方案，適用于高速公路和重型商業(yè)設(shè)施。交流充電器在輕型商業(yè)、小型企業(yè)和住宅設(shè)施中更為常見(jiàn)。交流充電器提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，它依賴于電動(dòng)汽車(chē)內(nèi)的車(chē)載充電器。

隨著電動(dòng)汽車(chē)技術(shù)的發(fā)展，OBC 也必須隨之發(fā)展，尤其是當(dāng)汽車(chē)制造商從 400 V 電池架構(gòu)遷移到 800 V 電池架構(gòu)時(shí)。消費(fèi)者需求和電池容量(kWh)的增加也是驅(qū)動(dòng)因素。人們對(duì)電動(dòng)汽車(chē)充電速度更快的渴望導(dǎo)致 OBC 功率能力從早期設(shè)計(jì)的 3.6 kW 上升到 7.2 kW 或 11 kW，前提是電網(wǎng)能夠支持這一點(diǎn)。

圖 1-純電動(dòng)汽車(chē)(BEV)充電站類(lèi)型分類(lèi)

OBC 的關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素

在著手 OBC 的詳細(xì)設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)人員必須了解關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，因?yàn)檫@些參數(shù)會(huì)影響組件和拓?fù)涞倪x擇。

確定功率水平是至關(guān)重要的第一步，因?yàn)檫@會(huì)影響用戶體驗(yàn)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，OBC 的功率越高，將電量輸送到電池所需的時(shí)間就越短。在許多情況下，用戶在家中為車(chē)輛充電時(shí)，他們正在忙碌(或睡覺(jué)!)，因此充電時(shí)間不是問(wèn)題。但是，對(duì)于中途充電，充電時(shí)間是一個(gè)非常重要的因素。當(dāng)連接到 2 級(jí)充電器時(shí)，OBC 的額定功率通常約為 7.2 或 11 kW。更強(qiáng)大的 OBC 的額定功率為 22 kW，在某些情況下甚至更高。

OBC 的功率級(jí)別旨在與電網(wǎng)容量和斷路器設(shè)置的限制(例如最大電流)相匹配。讓我們以 230 V 電網(wǎng)為例。在單相充電器設(shè)計(jì)中，7.2 kW OBC 將吸收高達(dá) 32 A 的電流。11 或 22 kW OBC 針對(duì)三相 AC 輸入進(jìn)行了優(yōu)化，可從 AC 充電器的每一相吸收高達(dá) 16 A 或 32 A 的電流。這些安培數(shù)通常是您為保持家庭或 230 V 輕型商業(yè)建筑的充電成本效益而安裝的 AC 充電器的極限。當(dāng)然，在公共場(chǎng)所和更重型的商業(yè)設(shè)施中可以找到具有更高可用功率的 AC 端口，您可以在其中利用 22 kW 以上的功率級(jí)別。

隨著電動(dòng)汽車(chē)在全球銷(xiāo)售，面臨的挑戰(zhàn)是全球電網(wǎng)電壓各不相同，北美的電壓為 110V 交流電，而歐洲和中國(guó)最流行的電壓為 230V 交流電。在電力行業(yè)，通常設(shè)計(jì) 86-264V 交流電的“通用輸入”，這樣無(wú)論車(chē)輛運(yùn)往何處，都可以使用單個(gè) OBC。

由于可以使用同一充電端口通過(guò)提供直流電的路邊快速充電器為電動(dòng)汽車(chē)充電，因此有必要提供旁路功能，使直流電直接流入高壓電池，因?yàn)椴恍枰?OBC 內(nèi)部的交流-直流轉(zhuǎn)換。

效率是 OBC 最關(guān)鍵的參數(shù)之一。更高的效率意味著在給定時(shí)間內(nèi)向電池輸送更多的電量。這可以縮短充電時(shí)間，尤其是在電網(wǎng)每相電流限制下運(yùn)行時(shí)。

OBC 的效率越偏離 100%，裝置內(nèi)部產(chǎn)生的熱量就越多。這不僅浪費(fèi)能源，而且還需要額外的冷卻，而由于空間限制，這在現(xiàn)代電動(dòng)汽車(chē)中可能具有挑戰(zhàn)性。隨著 OBC 的尺寸和重量增加，車(chē)輛變得更重，它在行駛過(guò)程中會(huì)消耗更多電池能量，最終會(huì)縮短車(chē)輛的總行駛里程。

提高效率是每個(gè)電源設(shè)計(jì)師的首要任務(wù)，這是一個(gè)復(fù)雜而多方面的挑戰(zhàn)。元件(尤其是 MOSFET)的選擇對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳效率至關(guān)重要，盡管轉(zhuǎn)換拓?fù)浜涂刂品桨敢灿泻艽笥绊憽?/p>

OBC 設(shè)計(jì)中的功率級(jí)

OBC 由三個(gè)主要模塊組成：EMI 濾波器、功率因數(shù)校正 (PFC) 級(jí)和具有獨(dú)立初級(jí)和次級(jí)的隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。這些級(jí)可使用各種電源拓?fù)錁?gòu)建，每種拓?fù)湓谛?、成本和性能方面均具有不同的?yōu)勢(shì)。

圖 3：顯示典型 OBC 內(nèi)關(guān)鍵階段的框圖(來(lái)源：onsemi)

PFC 級(jí)是 OBC 的前端，它執(zhí)行多項(xiàng)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)為“總線電壓”。該電壓也由 PFC 級(jí)調(diào)節(jié)，通常在 400V 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)重要功能是提高功率因數(shù)，因?yàn)槿绻β室驍?shù)較差，則電力成本可能會(huì)因所謂的“幻象電源”效應(yīng)而上升。為此，PFC 級(jí)會(huì)嘗試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)將返回接近 1 的功率因數(shù)。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器有兩個(gè)作用：隔離來(lái)自電網(wǎng)的電壓，并將來(lái)自 PFC 級(jí)的總線電壓轉(zhuǎn)換為適合為電動(dòng)汽車(chē)電池充電的電壓水平，無(wú)論是 400 V 類(lèi)型還是 800 V 類(lèi)型。

DC-DC 的初級(jí)“斬波”直流總線電壓，使其能夠通過(guò)初級(jí)和次級(jí)之間的變壓器，而次級(jí)則整流并調(diào)節(jié)輸出電壓到適合給電池充電的水平。

設(shè)計(jì)人員必須考慮是否要將 OBC 做成單向的還是雙向的，因?yàn)檫@會(huì)影響 OBC 的可用功率級(jí)拓?fù)浜涂傮w成本。添加雙向功能是 OBC 的設(shè)計(jì)趨勢(shì)之一，這可以使您的汽車(chē)也成為一個(gè)大型移動(dòng)電池存儲(chǔ)。

結(jié)論

設(shè)計(jì)高效的 OBC 并非易事，尤其是因?yàn)槌叽绾托阅軐?duì)于 EV 的運(yùn)行和整體客戶體驗(yàn)至關(guān)重要。設(shè)計(jì)必須能夠應(yīng)對(duì)各種輸入電壓，并盡可能高效地將千瓦功率轉(zhuǎn)換為輕巧緊湊的體積。

有多種拓?fù)浜涂刂品桨缚晒┻x擇，還有多種組件可供選擇，所有這些都將決定最終設(shè)計(jì)的性能。

為了簡(jiǎn)化任務(wù)，許多設(shè)計(jì)師選擇使用來(lái)自盡可能少的來(lái)源的組件，理想情況下，使用來(lái)自單一來(lái)源的組件。