车载充电器的关键设计考虑因素

当转换为电动汽车 (EV) 时，对驾驶员来说最大的变化可能是加油。加油不再意味着要去加油站，而是必须找到可用的充电点。

尽管公共充电器的普及速度很快，但许多人还是喜欢在家里给汽车充电。与许多提供直流电直接给电池充电的大功率公共充电器不同，家用充电器提供的是交流电，必须通过车载充电器(OBC)进行转换后才能给电池充电。

从充电基础设施来看，大功率直流充电器是速度最快但也是最昂贵的解决方案，适用于高速公路和重型商业设施。交流充电器在轻型商业、小型企业和住宅设施中更为常见。交流充电器提供了一种经济高效的解决方案，它依赖于电动汽车内的车载充电器。

随着电动汽车技术的发展，OBC 也必须随之发展，尤其是当汽车制造商从 400 V 电池架构迁移到 800 V 电池架构时。消费者需求和电池容量(kWh)的增加也是驱动因素。人们对电动汽车充电速度更快的渴望导致 OBC 功率能力从早期设计的 3.6 kW 上升到 7.2 kW 或 11 kW，前提是电网能够支持这一点。

图 1-纯电动汽车(BEV)充电站类型分类

OBC 的关键设计考虑因素

在着手 OBC 的详细设计之前，设计人员必须了解关键设计参数，因为这些参数会影响组件和拓扑的选择。

确定功率水平是至关重要的第一步，因为这会影响用户体验。简单来说，OBC 的功率越高，将电量输送到电池所需的时间就越短。在许多情况下，用户在家中为车辆充电时，他们正在忙碌(或睡觉!)，因此充电时间不是问题。但是，对于中途充电，充电时间是一个非常重要的因素。当连接到 2 级充电器时，OBC 的额定功率通常约为 7.2 或 11 kW。更强大的 OBC 的额定功率为 22 kW，在某些情况下甚至更高。

OBC 的功率级别旨在与电网容量和断路器设置的限制(例如最大电流)相匹配。让我们以 230 V 电网为例。在单相充电器设计中，7.2 kW OBC 将吸收高达 32 A 的电流。11 或 22 kW OBC 针对三相 AC 输入进行了优化，可从 AC 充电器的每一相吸收高达 16 A 或 32 A 的电流。这些安培数通常是您为保持家庭或 230 V 轻型商业建筑的充电成本效益而安装的 AC 充电器的极限。当然，在公共场所和更重型的商业设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 以上的功率级别。

随着电动汽车在全球销售，面临的挑战是全球电网电压各不相同，北美的电压为 110V 交流电，而欧洲和中国最流行的电压为 230V 交流电。在电力行业，通常设计 86-264V 交流电的“通用输入”，这样无论车辆运往何处，都可以使用单个 OBC。

由于可以使用同一充电端口通过提供直流电的路边快速充电器为电动汽车充电，因此有必要提供旁路功能，使直流电直接流入高压电池，因为不需要 OBC 内部的交流-直流转换。

效率是 OBC 最关键的参数之一。更高的效率意味着在给定时间内向电池输送更多的电量。这可以缩短充电时间，尤其是在电网每相电流限制下运行时。

OBC 的效率越偏离 100%，装置内部产生的热量就越多。这不仅浪费能源，而且还需要额外的冷却，而由于空间限制，这在现代电动汽车中可能具有挑战性。随着 OBC 的尺寸和重量增加，车辆变得更重，它在行驶过程中会消耗更多电池能量，最终会缩短车辆的总行驶里程。

提高效率是每个电源设计师的首要任务，这是一个复杂而多方面的挑战。元件(尤其是 MOSFET)的选择对于实现最佳效率至关重要，尽管转换拓扑和控制方案也有很大影响。

OBC 设计中的功率级

OBC 由三个主要模块组成：EMI 滤波器、功率因数校正 (PFC) 级和具有独立初级和次级的隔离式 DC-DC 转换器。这些级可使用各种电源拓扑构建，每种拓扑在效率、成本和性能方面均具有不同的优势。

图 3：显示典型 OBC 内关键阶段的框图(来源：onsemi)

PFC 级是 OBC 的前端，它执行多项重要功能。首先，它将输入的交流电网电压整流为直流电压，通常称为“总线电压”。该电压也由 PFC 级调节，通常在 400V 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提高功率因数，因为如果功率因数较差，则电力成本可能会因所谓的“幻象电源”效应而上升。为此，PFC 级会尝试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 级将返回接近 1 的功率因数。

DC-DC 转换器有两个作用：隔离来自电网的电压，并将来自 PFC 级的总线电压转换为适合为电动汽车电池充电的电压水平，无论是 400 V 类型还是 800 V 类型。

DC-DC 的初级“斩波”直流总线电压，使其能够通过初级和次级之间的变压器，而次级则整流并调节输出电压到适合给电池充电的水平。

设计人员必须考虑是否要将 OBC 做成单向的还是双向的，因为这会影响 OBC 的可用功率级拓扑和总体成本。添加双向功能是 OBC 的设计趋势之一，这可以使您的汽车也成为一个大型移动电池存储。

结论

设计高效的 OBC 并非易事，尤其是因为尺寸和性能对于 EV 的运行和整体客户体验至关重要。设计必须能够应对各种输入电压，并尽可能高效地将千瓦功率转换为轻巧紧凑的体积。

有多种拓扑和控制方案可供选择，还有多种组件可供选择，所有这些都将决定最终设计的性能。

为了简化任务，许多设计师选择使用来自尽可能少的来源的组件，理想情况下，使用来自单一来源的组件。