新能源汽車車載充電機(jī)（OBC）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分析

新能源汽車車載充電機(jī)（OBC）將交流充電樁的交流電轉(zhuǎn)換為動(dòng)力電池所需的直流電，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)力電池的充電，使用交流充樁充電的新能源汽車需要搭載車載充電機(jī)。

認(rèn)識(shí)車載OBC

說(shuō)人話就是：車載OBC(On-Board Charger)是安裝在新能源電動(dòng)車內(nèi)的零部件，它將交流充電樁輸出的交流電轉(zhuǎn)化為高壓直流電，給整車高壓動(dòng)力電池充電。

根據(jù)結(jié)構(gòu)分類,車載OBC可分為單向、雙向和集成式車載OBC。

單向車載OBC只能給動(dòng)力電池充電，雙向車載OBC可以把動(dòng)力電池的直流電逆變成為家用220V交流電，遇上停電期車可作為家庭應(yīng)急電源使用。

車載充電機(jī)在電動(dòng)汽車中扮演著重要的角色，具備多種功能，其中最重要的是與BMS（電池管理系統(tǒng)）和車輛監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信。

通過(guò)高速網(wǎng)絡(luò)CAN與BMS進(jìn)行交互，能夠根據(jù)BMS的指令動(dòng)態(tài)輸出最適合動(dòng)力電池狀態(tài)的電流和電壓參數(shù)，為電池組選擇最優(yōu)的充電模式。在充電過(guò)程，BMS主要監(jiān)測(cè)動(dòng)力電池組電壓、電流、溫度和連接狀態(tài)等信息，以控制和保護(hù)電池。

通過(guò)高速CAN網(wǎng)絡(luò)與車輛監(jiān)控系統(tǒng)通信，上傳自己的工作狀態(tài)、工作參數(shù)和故障告警信息，并接受啟動(dòng)充電或停止充電的控制命令。

此外，還具有完備的安全防護(hù)功能。例如交流輸入過(guò)壓保護(hù)、交流輸入欠壓告警、交流輸入過(guò)流保護(hù)、直流輸出過(guò)流保護(hù)、直流輸出短路保護(hù)、輸出軟啟動(dòng)、防止電流沖擊、阻燃等。這些功能在充電過(guò)程中保護(hù)電池，防止過(guò)熱、過(guò)充和短路等危險(xiǎn)情況的發(fā)生，確保電池的安全和穩(wěn)定運(yùn)行。

車載OBC由多個(gè)部分組成，其中包括交流輸入端口、功率單元、控制單元、低壓輔助單元和直流輸出端口。

交流輸入端口是負(fù)責(zé)接收來(lái)自電網(wǎng)的交流電，一般有7個(gè)pin口、三類連接。標(biāo)準(zhǔn)的輸入接口采用工頻單相輸入220V電壓，如果功率需要，也可以啟用兩個(gè)備用pin口，實(shí)現(xiàn)380V輸入。

功率單元作為充電能量的傳遞通道，主要包括電磁干擾抑制模塊、整流模塊、功率因數(shù)校正模塊、濾波模塊、全橋變換模塊和直流輸出模塊。在控制單元的配合下，將輸入工頻交流電轉(zhuǎn)化成適合動(dòng)力電池系統(tǒng)能夠接受的適當(dāng)電壓的直流電。

控制單元是車載充電機(jī)的核心部分，通過(guò)開(kāi)關(guān)器件控制功率單元的轉(zhuǎn)換過(guò)程，經(jīng)閉環(huán)控制方式精確完成轉(zhuǎn)換功能，并提供保護(hù)功能。主要包括原邊檢測(cè)及保護(hù)模塊、過(guò)流檢測(cè)及保護(hù)模塊、過(guò)壓/欠壓監(jiān)測(cè)及保護(hù)模塊和DSP主控模塊。

低壓輔助單元為控制單元的電子器件提供低壓供電，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與外界的聯(lián)系。主要包括CAN通信模塊、輔助電源模塊和人機(jī)交互模塊。

直流輸出端口負(fù)責(zé)向蓄電池提供直流電，包括低壓輔助電源正負(fù)極兩個(gè)pin口、高壓充電回路正負(fù)極兩個(gè)pin口、地盤地、通訊線CANH和CANL（還可以有CAN屏蔽）、充電請(qǐng)求信號(hào)線。

車載OBC指標(biāo)

車載OBC的技術(shù)指標(biāo)主要包括輸入電壓、工作效率、功率因素、諧波、輸出紋波、輸出電壓和輸出電流等。

QC/T 895-2011標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)輸入電壓、電流及輸出電壓推薦值等有提出明確的要求。

功率等級(jí)：國(guó)內(nèi)和海外的新能源汽車充電功率不同、常見(jiàn)的OBC充電功率為3.3 kW、6.6 kW、11 kW和22kW。11kW的OBC，意味著充滿66kWh的動(dòng)力電池需要6h。

轉(zhuǎn)換效率：效率是很重要的目標(biāo)，與整個(gè)單元的散熱方式息息相關(guān)。

容積&重量&功率密度：汽車對(duì)于部件的體積和重量都有著嚴(yán)格的要求，設(shè)計(jì)要求比較高。目前趨勢(shì)是OBC+DC/DC二合一集成，或者OBC+DC/DC+PDU做三合一集成，功率密度大幅提升，體積變小。

散熱方式：有主動(dòng)風(fēng)冷和液冷兩種方式。功率升高到11KW之后，液冷成主流。

成本：部件的成本要求比較高，目前小三電比較卷，小三電供應(yīng)商普遍毛利率在15%～20%。

車載OBC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

車載OBC一般采用兩級(jí)架構(gòu)，前級(jí)PFC主要負(fù)責(zé)功率因數(shù)校正，一般輸出400V直流電。后級(jí)DC/DC電路從PFC母線取電，實(shí)現(xiàn)隔離和調(diào)壓功能。由于DC/DC所接負(fù)載為電池，一般輸出200-500V的高壓直流電，故后級(jí)必須采用高效率寬范圍的隔離DC/DC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

OBC硬件部分由功率部分和控制部分組成。功率部分主要是前級(jí)AC-DC電路、后級(jí)DC-DC電路?？刂撇糠钟?a target="_blank">控制器檢測(cè)電路與參數(shù)反饋電路構(gòu)成，將期望值通過(guò)PWM進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而控制高壓回路中開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)時(shí)間，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)輸出電流和電壓，以及故障監(jiān)測(cè)等功能。

每級(jí)電路不管如何設(shè)計(jì)，最終都以追求高頻化、高功率因數(shù)與高效化為設(shè)計(jì)目標(biāo)。

前級(jí)AC-DC電路多數(shù)采用基本型Boost APFC變換器或改進(jìn)型Boost APFC變換器，包括基本型Boost APFC變換器、無(wú)橋Boost APFC變換器、交錯(cuò)并聯(lián)Boost APFC變換器、無(wú)橋交錯(cuò)Boost APFC變換器。

傳統(tǒng)有橋Boost PFC：當(dāng)Q1導(dǎo)通時(shí)，正半周期導(dǎo)通路徑為D1、L1、Q1、D4，負(fù)半周期導(dǎo)通路徑為D2、L1、Q1、D3；當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，正半周期導(dǎo)通路徑為D1、L1、D5、Rd、D4，負(fù)半周期導(dǎo)通路徑為D2、L1、D5、Rd、D3。

在每個(gè)狀態(tài)下，導(dǎo)通開(kāi)關(guān)器件的數(shù)量均為3個(gè)，其優(yōu)勢(shì)在于電路拓?fù)浜每刂贫己芎?jiǎn)單，但是僅存在一個(gè)Q1開(kāi)關(guān)器件，其電壓、電流應(yīng)力非常大，很難用于大功率場(chǎng)合。

交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC：由兩個(gè)相同的Boost PFC變換器并聯(lián)而成，該拓?fù)潆娐房梢允沟肞FC的電感減少。通過(guò)控制兩個(gè)功率電感電流交錯(cuò)180°反相，可降低輸入輸出的電流紋波，減少EMI濾波器的體積。

該拓?fù)湓谄渌刂坪凸β首呗贩较蚝蛡鹘y(tǒng)的有橋一樣，只是增加了開(kāi)關(guān)器件數(shù)量。

無(wú)橋Boost PFC：將有橋PFC的整流橋移除，減少了開(kāi)關(guān)器件的數(shù)量。正半周工作，當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，功率鏈路為L(zhǎng)1、D1、Rd、Q2、L2；當(dāng)Q1開(kāi)通時(shí)，功率鏈路為L(zhǎng)1、Q1、Q2、L2。負(fù)半周工作，當(dāng)Q2關(guān)斷時(shí)，功率鏈路為L(zhǎng)2、D2、Rd、Q1、L1；Q2開(kāi)通時(shí)，功率鏈路為L(zhǎng)2、Q2、Q1、L1。與傳統(tǒng)的有橋PFC相比，導(dǎo)通路徑上的開(kāi)關(guān)器件減少了，這有利于提升系統(tǒng)的效率。對(duì)自帶反并聯(lián)二極管的開(kāi)關(guān)器件來(lái)說(shuō)，Q1Q2可以共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制簡(jiǎn)單，但是電流采樣困難。且輸出的直流電壓的端點(diǎn)是浮地的，產(chǎn)生的共模干擾會(huì)被隔離，所以電路中會(huì)有很嚴(yán)重的EMI問(wèn)題。

雙無(wú)橋Boost PFC：相較無(wú)橋PFC電路，雙無(wú)橋PFC在EMI方面進(jìn)行了改善。正半周工作，當(dāng)Q1關(guān)斷時(shí)，功率鏈路為L(zhǎng)1、D1、Rd、D4；Q1開(kāi)通時(shí)，功率鏈路為L(zhǎng)1、Q1、D4。負(fù)半周工作，當(dāng)Q2關(guān)斷時(shí)，功率鏈路為L(zhǎng)2、D2、Rd、D3；Q2開(kāi)通時(shí)，功率鏈路為L(zhǎng)2、Q2、D3。

其控制方式和基本的無(wú)橋PFC類似，增加的二極管大大降低了電路的干擾，但是系統(tǒng)成本增加了。

圖騰柱Boost PFC：可以解決無(wú)橋PFC的EMI問(wèn)題。正半周工作，當(dāng)Q1關(guān)斷，Q2導(dǎo)通時(shí)，功率鏈路為L(zhǎng)、Q2、D2；Q2關(guān)斷，Q1導(dǎo)通時(shí)，功率鏈路為L(zhǎng)、Q1、Rd、D2。負(fù)半周工作，當(dāng)Q1關(guān)斷，Q2導(dǎo)通時(shí)，功率鏈路為D1、Rd、Q2、L；當(dāng)Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷時(shí)，功率鏈路為D1、Q1、L。

該拓樸控制復(fù)雜，上管的驅(qū)動(dòng)需要浮地，設(shè)計(jì)難度大，成本增加，而且Q1Q2存在反向恢復(fù)問(wèn)題，容易增加電路損耗。

DC/DC變換器的電路拓?fù)漕愋椭饕蠦uck、Boost、Buck-Boost、移相全橋、諧振變換器等電路拓?fù)?，而隔離型DC/DC變換器在功率等級(jí)、電氣安全等方面更適合OBC的應(yīng)用需求。常見(jiàn)的隔離性DC/DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有移相全橋、雙有源橋電路、LLC諧振電路等。

移相全橋電路：可以實(shí)現(xiàn)最低零電壓的寬范圍電壓輸出，其超前臂Q1Q3的驅(qū)動(dòng)信號(hào)有著180°的相位差，滯后臂Q2Q4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)分別與Q1Q3滯后一定相位，控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間的相位角不同，可以使得變壓器漏感和開(kāi)關(guān)管結(jié)電容進(jìn)行諧振，開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)得以實(shí)現(xiàn)。

缺點(diǎn)是由于變壓器漏感的存在，副邊會(huì)出現(xiàn)占空比丟失現(xiàn)象，副邊二極管容易出現(xiàn)電壓尖峰；另外該拓?fù)涞妮敵鲂枰腖C濾波器會(huì)造成電路體積增大，同時(shí)會(huì)導(dǎo)致?lián)p耗增加。

雙有源橋電路：通過(guò)原副邊移相來(lái)控制能量的流動(dòng)方向和大小，可以實(shí)現(xiàn)零電壓開(kāi)通，經(jīng)常應(yīng)用于大功率場(chǎng)合的雙向DC/DC變換器，該拓?fù)潆娐饭β拭芏雀?、效率高、能雙向傳輸功率，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)汽車、航天航空等領(lǐng)域。

LLC諧振電路：可以實(shí)現(xiàn)軟開(kāi)關(guān)，且可以在較窄的頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)較大的調(diào)壓范圍。具有良好的切載特性，加上變壓器的漏感可以復(fù)用為勵(lì)磁電感，所以磁元件的空間小，可以提高變換器的功率密度，效率高及EMI小。

車載OBC發(fā)展趨勢(shì)

目前市場(chǎng)主流車型搭載的車載OBC輸出功率由3.3kW向6.6kW升級(jí)，車載OBC未來(lái)向著功率等級(jí)提升尺寸小型化、雙向轉(zhuǎn)換和集成化的方向發(fā)展

輸出功率6.6kW的車載充電機(jī)已成國(guó)內(nèi)主流趨勢(shì)，正琢步升至11kW、甚至22kW。同時(shí)各企業(yè)研發(fā)出二合一、三合一甚至八合一集成方案，目前較優(yōu)的二合一方案為6.6kW OBC +1.5kW DC/DC，三合一為6.6kW OBC+2kW DC/DC+PDU。

部分采用SiC MOS器件的車載OBC部件系統(tǒng)框圖如下：