隨著車載充電器(OBC)因其成本效益和便捷安裝而日益普及，一系列技術挑戰(zhàn)逐漸浮現(xiàn)。這些挑戰(zhàn)包括提升效率與功率密度，以克服空間約束并縮短充電時長，同時應對雙向功率流需求的增長，使電動汽車能夠向電網回饋電能。這些發(fā)展動態(tài)凸顯了創(chuàng)新OBC解決方案的緊迫性。本文旨在深入剖析EV車載充電器技術的當前狀況、所面臨的難題以及未來展望，通過全面審視OBC的架構、構成元件、核心技術及新興發(fā)展動向，為未來的研究與發(fā)展提供指引?？朔@些難題對于提升OBC在更廣泛的電動汽車生態(tài)系統(tǒng)中的效能、穩(wěn)健性以及整合程度顯得尤為重要。

電動汽車的分類：

電動汽車主要可分為電池電動汽車(BEVs)、插電式混合動力電動汽車(PHEVs)、混合動力電動汽車(HEVs)和燃料電池電動汽車(FCEVs)。本文將重點關注BEVs的研究。

傳統(tǒng)內燃機汽車的局限性：

傳統(tǒng)內燃機汽車面臨溫室氣體排放、空氣污染等重大問題，其燃料能量轉化為有效工作的效率較低，導致燃料消耗和運營成本上升。此外，機械復雜性高、維護需求和成本高，以及對化石燃料的依賴也帶來了經濟和能源安全方面的隱患。

電動汽車的益處：

電動汽車具有零尾氣排放、減少空氣污染和溫室氣體排放的優(yōu)勢。其電驅動系統(tǒng)效率更高，使得運營成本降低。同時，機械設計更簡潔，維護需求減少，可靠性提高。此外，使用可再生能源可以進一步減少對環(huán)境的影響。

22kW OBC單級拓撲結構通常包括一個功率因數校正(PFC)電路和一個DC/DC轉換器。PFC電路用于提高輸入電流的功率因數，降低諧波失真，從而減少對電網的污染。DC/DC轉換器則負責將經過PFC電路處理后的直流電進一步轉換為適合動力電池充電的直流電。

在單級拓撲中，AC/DC轉換只通過一個功率級完成，因此被稱為“單級”。這種結構通常具有較高的效率，因為只有一個功率級在轉換過程中產生損耗。但是，單級拓撲也可能面臨一些挑戰(zhàn)，例如需要處理更高的開關頻率和更復雜的控制策略，以及應對寬輸入電壓范圍和寬負載電流范圍的需求。

22kW OBC單級拓撲結構是電動汽車充電中的一種新選擇。它具有高效率、高功率密度和較小的體積等優(yōu)點，可以滿足中等功率的充電場景需求。同時，單級拓撲還可以降低系統(tǒng)成本和復雜度，提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。

不同廠家和型號的22kW OBC可能采用不同的單級拓撲結構設計和實現(xiàn)方式。因此，在具體選擇和使用時，需要根據實際應用場景和需求進行評估和選擇。同時，也需要注意OBC的參數和性能，如輸出電壓范圍、最大輸出電流等，因不同的產品而有所差異。

在OBC領域，近年隨著新的電路拓撲，以及第三代半導體器件的廣泛應用，OBC的功率密度也得到了顯著提升，體積和重量都相比以往更低，這對于電動汽車設計而言，可以更好地處理OBC這樣的部件的位置布局，降低對整車重量的影響。

OBC的單級拓撲趨勢

在電動汽車上，OBC一般承擔AC-DC和DC-DC的功能，即整流和升降壓，將輸入的交流電轉換為直流電，再將電壓升壓至電池包充電所需的電壓。過去主流的OBC是采用PFC+DC-DC兩級式拓撲設計，因為需要經過兩個階段的轉換，效率受到限制;其次是在電路上設計復雜，元器件數量多，導致體積和重量較高，同時物料成本也難以壓縮。

在今年1月，陽光電動力推出的一款OBC就采用了單級拓撲架構，僅需一次隔離變換，就能實現(xiàn)交流與直流雙向功率控制，有效精簡系統(tǒng)設計。為了提高效率，方案中還使用了GaN功率器件，在提高轉換效率的同時提高系統(tǒng)功率密度。

最終該OBC額定輸出功率6.6kW，DC-DC額定輸出3kW，全電壓充電效率為96.2%，峰值效率超過98%。相比傳統(tǒng)方案，OBC整機重量可減輕25%以上，功率密度提升65%，達6.1kW/L，使其更容易與車輛電氣系統(tǒng)集成，便于整車輕量化設計。

據陽光電動力介紹，該OBC方案中融合了AI算法，基于諧振變換電路，進行精確數學建模，獲得多目標多自由度更優(yōu)控制策略，功率器件在全范圍內實現(xiàn)軟開關，損耗降低，系統(tǒng)效率顯著提升。內部功率器件采用頂部散熱，降低熱阻;功率回路面積大幅縮小，提高系統(tǒng)集成度。

另外，通過電路設計和更先進的控制策略，OBC能夠去除易受溫度、電壓波動等因素影響的母線電解電容，消除器件壽命短板，整體使用壽命得到了顯著提升。

而特斯拉Cybertruck上的OBC同樣采用了單級拓撲，不再分為PFC和DC-DC兩級，不需要兩套功率橋和控制系統(tǒng)，而是采用四相CLLC/DAB單級架構，直接完成AC到48V轉換。

CLLC諧振變換器和DAB移相控制結合，可以實現(xiàn)全負載范圍內的零電壓開關(ZVS)和 零電流開關(ZCS)，大幅減少開關損耗，典型效率>97%，提高轉換效率。同時，四相交錯并聯(lián)設計將功率分散到四個子模塊，降低單個模塊的熱應力，降低散熱壓力。

同時在功率密度方面，CLLC可以采用第三代半導體等半導體器件，支持MHz級的開關頻率，能夠有效減小變壓器和電感體積。加上四相交錯并聯(lián)的結構，優(yōu)化輸出電流紋波，減少濾波電容和電感的需求，進一步壓縮OBC的整體空間。

1. 拓撲結構簡單：單級OBC的電路結構相對簡單，制造過程中使用的電子元件數量較少，電路布線也相對簡單，降低了電路成本。

2. 高功率密度：由于其緊湊的結構設計，單級OBC在相同的體積內可以實現(xiàn)更高的功率輸出，非常適合對空間要求苛刻的電動汽車內部環(huán)境。

3. 成本優(yōu)勢：簡單的電路結構意味著在生產過程中，單級OBC的調試成本和時間得以降低，從而降低了整體制造成本，提高了產品的市場競爭力。

4. 控制簡單：單級OBC的控制策略相對簡潔，只需對AC/DC變換環(huán)節(jié)進行控制，降低了開發(fā)難度，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

四、單級OBC的應用場景與實際案例

單級OBC在新能源汽車領域有著特定的應用場景。尤其在一些對成本控制較為嚴格的入門級電動汽車以及部分插電式混合動力汽車中，單級OBC的應用較為普遍。

以某款入門級純電動汽車為例，搭載的單級OBC功率為3.3kW。這款OBC在滿足日常充電需求的同時，降低了車輛的制造成本，使得車輛更具價格競爭力。而在某款插電式混合動力汽車中，單級OBC同樣發(fā)揮出色，其簡潔的結構和成本優(yōu)勢符合車輛的需求。

五、單級OBC的技術發(fā)展趨勢與挑戰(zhàn)

隨著技術的不斷發(fā)展，單級OBC在功率因數、輸入電流波形優(yōu)化、功率范圍拓展等方面取得了顯著進展。然而，面臨的挑戰(zhàn)也不容忽視，如高功率下的散熱問題、電磁兼容性等。

展望未來，單級OBC有望在技術創(chuàng)新和性能提升方面取得更大突破。隨著新能源汽車市場的持續(xù)擴張，單級OBC的應用領域也將進一步拓展。

總的來說，單級OBC作為新能源汽車充電領域的重要一員，以其獨特的優(yōu)勢和潛力在未來的發(fā)展中備受關注。面對挑戰(zhàn)和機遇，行業(yè)需要不斷創(chuàng)新和突破，推動單級OBC的技術進步和應用拓展，為新能源汽車的普及和發(fā)展貢獻更大的力量。