车载充电机(OBC)为电动汽车(EV)的高压直流电池组提供了从基础设施电网充电的关键功能。当将电动汽车通过合适的充电线(SAE J1772，2017)连接到支持的2级电动汽车供电设备(EVSE)时，OBC就会处理充电。车主可使用特殊的电缆/适配器连接到墙插进行1级充电而将其作为"应急电源"，但这样提供的功率有限，因此所需的充电时间更长。
OBC用于将交流电转换为直流电，但如果输入的是直流电，就不需要这种转换。当将直流快速充电桩连接到车辆时，这就会绕过OBC而将快速充电器直接连接到高压电池。
图1：OBC电源路径功能块。
OBC在纯电动汽车(BEV)、插电式混合动力汽车(PHEV)和潜在的燃料电池汽车(FCEV)中都有所使用。这三种电动汽车(EV)统称为新能源汽车(NEV)，但对系统级充电功能的要求各不相同。
表1：电动汽车OBC系统级要求。
接受交流电输入并将其转换为直流电输出的核心功能，为高压电池组充电提供了适当的电压和电流。一般而言，这种功能由于只提供从电网到汽车的输电，因此是单向的。OBC单元会根据整个电池的健康状况和电荷状态，改变电压和电流。
图2：410V锂离子电池组的典型充电曲线。(图片来源：安森美TND6318-D文档“On Board Charger (OBC) LLC Converter”)
OBC的设计约束包括交流输入、目标输出功率水平、电池组电压、冷却方法、空间约束，以及设计是单向供电还是双向供电。此外，在许多情况下，这类模块在功能安全上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，设计人员应解决以下问题：
本文重点探讨以上前四项(用粗体标记)大功率路径部分。
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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电并在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，热负载就会增加。在OBC设计方面，这个模块的版本最多，因为根据交流电源输入、输出功率、能效和成本目标，它有许多的实现方式。
图3：功率三角形。(图片来源：安森美AN-42047文档“Power Factor Correction (PFC) Basics”)
OBC的功率因数(PF)规格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值可尽可能增加充电能力，同时也能尽可能减少线路/电网电流和视在功率需求。未来，业界将更多地关注与线路/电网谐波含量有关的各种改进，以及轻载条件下的改进模式。OBC中的PFC控制器用于执行以下功能：
在图4中，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、热负荷和谐波，从而提供最大数量的实际输电。
图4：采用PFC的典型小功率电路。(图片来源：安森美HBD853/D文档“Power Factor Correction (PFC) Handbook”)
虽然在一般应用中可以使用无源PFC，但由于OBC需要满足更高的功率水平、空间限制、散热要求和功率因素等目标，因此这类系统的实际实现需要使用有源PFC。
图5：针对OBC系统功率水平的典型PFC拓扑。
OBC常见的有源PFC方案包括：
随着OBC输出功率的增加，推荐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。设计人员还可转用SiC MOSFET，这样就可以使PFC级在更高的频率下开关，同时处理更高的系统电压，从而增加效率和能量密度。
表2：PFC典型器件技术。
电源路径的下一个模块是初级侧DC-DC转换器。该电路用于将来自PFC的高压直流链路转换为适当的电压而用于充电。输出电压和电流将根据电池组的状态而变化。在单向设计中，这一DC-DC的典型实现是LLC，但也会有PSFB(移相全桥)版本。对于双向设计，实现方式则是CLLC或双有源桥(DAB)，而随着双向功能的发展，使用这些架构的方案也有望增多。SiC MOSFET由于可实现更高的电压和更低的开关损耗，因此成为了这种情况的理想选择。
表3：DC-DC器件选择。
次级侧则可以使用二极管进行无源整流、使用功率开关进行同步整流、支持CLLC的全桥设计(双向)或双有源桥的后半部分(双向)。无源整流不需要控制，但只支持电网到车辆单向供电。对于更高的效率或800V电池组的情况，SiC二极管则提供了最佳解决方案。在单向设计中可使用超级结MOSFET(有效率损失)或SiC MOSFET进行同步整流，但在许多情况下，与二极管解决方案相比，这类解决方案较贵。对于双向功能，则会使用全桥或多臂半桥解决方案设计。根据系统的功率水平、电压和效率目标，会使用超级结MOSFET或SiC MOSFET。SiC MOSFET可在所有方案中提供更高效率并更易于处理800V系统，而对于400V系统，要实现成本优化，则可使用超级结MOSFET进行处理。
表4：次级侧器件选择。
OBC的额定输出功率往往与车辆中所使用的电池组的大小相关。OBC对于BEV中较大的电池要能提供较大的输出功率，而对于PHEV中较小的电池则应提供较小的输出功率。这种平衡可以防止对系统进行过度设计，并有助于优化充电时间和成本。
在电池组的额定容量方面，BEV有多种选择。车辆的物理尺寸、成本目标和预期性能(如续航能力)都会影响这一性能。在全球范围内，跨多个细分汽车市场的轻型乘用车，其电池组容量可能从30kWh到105kWh不等(根据Electric Vehicle Database 2021年的数据)。对于属于卡车或大型运动型多用途车(SUV)细分市场的轻型乘用车，其电池组容量达到110kWh至150kWh以上则更为常见(根据Electric Vehicle Database和福特汽车公司2021年各自的数据)。预计有两款新车的电池容量将接近200kWh(根据Electric Vehicle Database 2021年和Engineering Explained 2020年的数据)！电池组的额定容量正在增加，以期提供更高续航能力或满足新的汽车细分市场需求，同时还在业内更广泛地采用800V规格，以便加快充电速度。
PHEV和FCEV的电池组容量从5kWh到25kWh不等。由于PHEV还依赖于电池组以外的额外动力源，其容量比一般的BEV要低得多。PHEV使用内燃机(ICE)，而FCEV则使用氢燃料电池。当电池组容量下降到某个水平以下或有其他条件需要时，ICE或燃料电池可以提供动力来驱动发电机，从而为电池充电。对于短距离行驶，这类电动汽车能够实现全电动驱动，但它的续航里程远不及BEV。这类电动汽车将有更多转移到15kWh以上的电池容量，以便增加纯电动续航里程。
BEV的电池容量比PHEV要大得多，这会影响OBC的设计和选择，以及车辆充电时间。下面来考虑下这样一种场景：有两辆不同的汽车(BEV和PHEV)使用相同版本的OBC充电，并插入到相同功能的EVSE中。如果BEV的电池容量是PHEV的4倍，那么BEV的充电时间则大概是PHEV的4倍。这种简化的观点没有考虑到充电算法的许多复杂性，但就本文的讨论用此进行估计足矣。如果两个电池组都耗尽了电量，则BEV的充电时间会更长。充电时间是OEM和客户的主要考虑因素，它会影响最终用户的满意度。有助于改善充电时间的方案包括增加OBC的功率输出、提高OBC的效率，以及增加电池组和相关OBC的系统电压。所有这些方案都有助于减少充电时间，从而改善最终用户的体验。
OBC的架构和功率水平正在发生快速转变。随着电动汽车采用率的持续增长，对非常灵活的OBC设计的需求比以往任何时候都更加重要。
关键系统考虑因素：
PFC主要考虑因素：
初级侧/次级侧的关键考虑因素：
为了进一步缩短充电时间，对于较小能量密度的电池组，OBC模块的输出功率将开始增加。另一个可能性则是增加对直流快速充电的支持，从而帮助PHEV在几分钟内充满电。对于更大的电池组，例如BEV中所用的电池组，其趋势则是转向11kW和22kW的OBC，同时继续支持快速充电桩和更高的电压。
最后，一级供应商正在将HV-LV DC-DC模块功能集成到OBC中。这种集成的模块设计被称为组合充电器单元(CCU)，它提供了"2模块合一"，同时提高了高压电源网和12V电源网之间的系统级效率。
支持使用OBC的电动汽车架构(BEV、PHEV和FCEV)在2021年约占电动汽车总销量的46%，到2026年则将占电动汽车总销量的57%。OBC 5年的复合年增长率(CAGR)预计为25.6%，2026年的数量估计为2140万台(根据Strategy Analytics 2020年的数据)。
图6：需要OBC的车辆增长。
对逆变器中所用的电力电子器件来说，必须要满足最大功率密度、高效率、供应链稳定性和长期可靠性等各种要求。安森美为从3.3kW到22kW的汽车OBC功率级和高达800V的电池电压提供可扩展技术。产品组合包括SiC MOSFET、带有共同封装SiC二极管的混合IGBT、超级结MOSFET、汽车电源模块(APM)、SiC二极管、栅极驱动器、稳压电源和车载网络(IVN)解决方案。与安森美的合作使客户能够为各种电动汽车应用设计灵活的OBC和基础设施充电解决方案。
SAE J1772. (2017, October). SAE Electric Vehicle and Plug in Hybrid Electric Vehicle Conductive Charge Coupler.
Electric Vehicle Database. (2021, v4.2). Useable battery capacity of full electric vehicles. https://ev-database.org/cheatsheet/useable-battery-capacity-electric-car
Ford Motor Company. (2021, May). Ford Introduces All-Electric F-150 Lightning Pro, Built for Work with Next-Generation Technology, Seamless Overnight Charging. https://media.ford.com/content/fordmedia/fna/us/en/news/2021/05/24/all-electric-f-150-lightning-pro.html
Engineering Explained. (2020, October). Hummer EV First Look! https://www.youtube.com/watch?v=LkM0L4_W_pM
Strategy Analytics. (2020, October). Automotive Sensor Demand 2018-2027.
（原文标题：Automotive On Board Chargers – Functions and Trends，由Franklin Zhao协同编译。）
本文为《电子技术设计》2022年3月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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