一、车载充电机介绍

车载充电机(OBC)通过将交流电转换为直流电为电动汽车(EV)充电。当将电动汽车通过外部充电线连接到电动汽车时，在满足充电条件的情况下，OBC就可会响应充电需求。用户可以使用模式2或者模式3等充电连接装置。

图1、OBC充电功能框图

(资料图)

OBC可以实现双向和单向充电 ，同时会根据电池的健康状况和电荷状态调整充电电压和电流。

图2、410V锂离子电池组的典型充电曲线

数据来源：安森美

对于车载OBC的来说，其设计约束很多（这里就不一一列举了），主要包括交流输入、目标输出功率水平、电池电压、冷却方法、空间约束，以及需要单向供电还是双向供电。此外，现在许多情况下，这类模块在功能安全上也必须支持汽车安全完整性等级(ASIL) 的B级或C级。

考虑到OBC的整体硬件功能模块，我们设计人员应重点关注并解决以下（不限于）问题：

1、对交流电源输入进行交流整流和功率因素校正(PFC)。

2、初级侧DC-DC。

3、次级侧整流(无源或有源)。

4、如果是双向的，还要进行次级 DC-DC控制。

5、电压、电流和温度诊断（重点关注散热设计）。

6、与车载网络的通信和故障诊断。

7、与电动汽车供电设备(EVSE)的 通信。

8、高压安全：交流电、12V电池和高压电池之间的隔离。

9、与整车环境下的EMC抗干扰以及对外部设计的干扰。

交流整流和PFC有助于最大程度降低无功功率，同时最大程度提高实际输出并在AC-DC转换模式下运行。在OBC等大功率系统中，如果没有PFC，输电效率就不高，热损耗就会增加。

图3、功率三角形

数据来源：安森美

二、车载充电机PFC模块

OBC的功率因数(PF)在整个工作范围内通常能达到PF≥0.9， 而在典型工作范围内则能达到PF≥0.98。高PF值能尽可能提高充电能力，同时也能尽可能减少线路/电网电流和视在功率的需求。未来，大家可能会更多地关注与线路/电网谐波含量 有关的各种改进，以及轻载条件下的效率提升。OBC中的PFC模块主要实现以下功能：

1、使输入相电流与输入相电压保持一致。

2、减少从交流电源吸收的峰值电流。

3、尽可能减少线路/电网电流总谐波失真(THD)。

4、确保输入电流尽可能接近正弦波形，并减少对电网的污染。

如下图所示，电压和电流都是正弦波并且同相位。这能够尽可能减少无功功率分量、热损耗和谐波，从而尽可能提高输出能力。

图4、采用PFC的典型小功率电路

数据来源：安森美

由于OBC需要满足很高的功率水平、空间限制、散热要求和功率因素等目标，因此OBC均使用有源PFC。如下图所示：

图5、OBC不同功率水平下的典型PFC拓扑

数据来源：网络

常用的OBC的PFC拓扑主要有：

1、传统的升压拓扑；

2、传统升压拓扑、二通道交错式；

3、无桥PFC；

4、图腾柱；

5、维也纳整流器；

6、3臂或4臂电桥(3相图腾柱)。

随着OBC输出功率的不断增加，如果是单相OBC我们使用可减少电源路径中二极管数量的PFC拓扑，或使用几乎没有反向恢复特性的SiC肖特基二极管。如果是双向OBC还可使用Si MOSFET或者SiC MOSFET，这样就可以使PFC在更高的频率下开关，同时满足更高的系统电压，从而提高效率和能量密度。

三、车载充电机DC-DC模块

DC-DC模块主要用于将来自PFC的高压直流电转换为适当的电池需要的电压而用于给电池充电。输出电压和电流将根据电池组的状态而变化。 在单向OBC中，DC-DC模块的典型方案有LLC，但也会有PSFB(移相全桥) （现在用的比较少）。对于双向OBC设计，实现方式则主要是 CLLC或双有源桥(DAB)。目前车载OBC几乎都是双向的。随着800V系统的不断普及，使用SiC MOSFET可实现更高的电压和更低的开关损耗。

四、车载充电机的选择和设计考虑因数

对于OBC的额定输出功率的选择，往往与整车中所使用的电池电量的大小相关。一般情况下，由于BEV所用的电池容量较大，所使用的OBC功率也较大；而PHEV中所用的电池容量较小，所使用的OBC功率也较小。这样可以防止对系统的过度设计，同时有助于优化充电时间和整车成本。

由于目前电动汽车销量越来越多，车型也越来越多，不同车型对OBC的功率需求也不尽相同，因此当下对OBC的灵活设计提出了更高的要求。

OBC系统设计考虑的主要因素：

（1）、电动汽车电池容量的不断增加。

（2）、用户需要更快的充电时间。

（3）、OBC正在向更高的功率等级发展。

（4）、OBC必须满足400V和800V系统的需求。

（5）、为了提高用户的体验，需要提供可选甚至是标配的双向功能，从而支持电网到车辆和车辆到电网供电。以及用户户外露营等需求。

五、车载充电机的发展趋势和挑战

车载OBC经过最近10年的高速发展，虽然其产品形态已逐渐形成和固化，但是最近两年也出现了一些新的产品形态。

（1）、由于整车成本的压力越来越大，车载OBC与车载DCDC与电驱、电池或者无线充电等集成在一定程度上存在成本优势，因此集成的“多合一”产品会是趋势之一。 在看到集成的好处的同时，我们也要看到集成的一些挑战，比如说多合一对供应商和主机厂的系统集成和产品的研发能要求更高；而产品故障率要求更低；集成产品的散热处理和EMC设计等难度增加。

（2）、随着最近两年行业内小直流产品的推广，很多主机厂都游走在取消OBC的边缘，也在进行多种充电形态的尝试。这势必会对OBC的发展带来了挑战，尤其是具备V2G功能的小直流桩。

（3）、无线充电、充电机器人、接触式充电、矩阵式充电等对车载OBC市场的冲击，尽管短期来看这些充电形式对OBC的影响不大。但是，我们仍然需要引起重视。

（4）、目前交流充电相较于直流充电来说，虽然有充电费用上的优势，但是对于目前用户普遍存在充电焦虑和充电时间太长等因素的影响下，交流充电的利用率仍然不高。所以，也有人在讨论其存在的价值和意义。因此要提高交流充电的利用率，除了需要一些客观条件，比如私有充电车位、充电桩的大量普及、电池能量密度的提高等，还需要用户充电习惯的培养和养成。当然，作为技术人员，还需要挖掘OBC的其他功能和优势，比如在V2X、家庭储能等场景下的应用。

（5）、随着电动车的普及，电网的压力越来越大，这在一定程度上也会影响OBC的存在形式。

六、总结

随着全球减碳目标的驱动，电动车的大量普及，不管OBC以何种方式存在，但是其需求一定是逐渐增加。所以，从长远来看，是车载OBC、小直流亦或是其他充电形式，但是其充电功率模块不会消失，反而会要求更高、需求更大。

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