車載充電器:功能和趨勢

作者 : Marc Bracken,onsemi汽車系統技術行銷工程師

車載充電器(OBC)可為電動車(EV)的高壓直流電池組提供從基礎設施電網充電的關鍵功能...

車載充電器(On Board Charger;OBC)為電動車(EV)的高壓直流(DC)電池組提供從基礎設施電網充電的關鍵功能。當電動車透過合適的充電線(SAE J1772,2017)連接到支援的2級電動車供電設備(EVSE)時,OBC處理充電。車主可以使用特殊的電纜/適配器連接到牆上的插座,作為 「緊急備用」,但這提供有限的電力,且需要更長的充電時間。

OBC將交流電(AC)轉換為直流電,但如果輸入的是直流電,就不需要這種轉換。當直流快速充電器連接到車輛時,這就繞過了OBC,使快速充電器能夠直接連到高壓電池。

圖1:OBC電力路徑功能區塊。

OBC用於電池電動車(BEV)、插電式混合動力電動車(PHEV)和潛在的燃料電池電動車(FCEV)中。這三種EV都是新能源汽車(NEV),但在涉及系統級充電功能時,它們有不同的要求。

表1:電動車OBC系統級要求。

 獲取輸入交流電並將其轉換為輸出直流電的核心功能,為高壓電池組充電提供適當的電壓和電流。在基本層面上,這種功能是單向的,因為它只提供從電網到汽車的電力傳輸。OBC單元將根據整個電池的健康狀況和電荷狀態,改變電壓和電流。

圖2:410V鋰離子電池組的充電曲線示例。(圖片來源:TND6318-D《On Board Charger (OBC) LLC Converter》,onsemi)

OBC的設計限制是交流輸入、目標輸出功率水準、電池組電壓、冷卻方法、空間限制,以及設計是單向還是雙向的電源流。此外,在許多情況下,這些模組必須支援汽車安全完整性等級(ASIL) B級或C級的功能安全。

考慮到OBC的整體硬體功能模組,設計人員應解決以下問題:

  • 對輸入的交流源進行交流整流和功率因素校正(PFC)。
  • 初級側DC-DC。
  • 次級側整流(被動或主動)。
  • 如果是雙向的,進行次級側DC-DC控制。
  • 電壓、電流和溫度診斷。
  • 用於通訊的車載網路(IVN)和診斷。
  • 與電動車供電設備(EVSE)的通訊。
  • 交流源、12V電池和高壓電池之間的隔離;一個非常重要的安全要求。

本文重點探討以黑體字列出的高功率路徑部份。

交流整流和PFC有助於最小化無功功率,同時最大化實際功率傳輸,並在AC-DC轉換模式下運行。在OBC這樣的大功率系統中,如果沒有PFC,功率傳輸就不高效,熱負荷就會增加。當涉及到OBC設計時,這個模組的變體最多,因為有許多基於交流源輸入、輸出功率、能效和成本目標的實現方式。

圖3:功率三角形。(圖片來源,AN-42047《Power Factor Correction (PFC) Basics》,onsemi)

 很常見的是,OBC的功率因數(PF)在整個工作範圍內的規格為PF≥0.9,在典型的工作範圍內PF≥0.98。高PF值可以最大化充電能力,同時也最小化線路/電網電流和視在功率需求。未來,將加強關注與線路/電網諧波含量有關的更多改進,以及對輕載條件的改進模式。OBC中的PFC控制器執行幾個功能:

  • 使輸入相電流與輸入相電壓保持一致。
  • 減少從交流源汲取的峰值電流。
  • 最小化線路/電網電流總諧波失真(THD)。
  • 確保輸入電流盡可能地接近正弦波形。

圖4顯示,電壓和電流都是正弦波,並且同相位。 這最小化無功功率成份、熱負荷和諧波,提供最大數量的實際功率轉移。

功率因素是個比值:

圖4:使用PFC的低功率電路例子。(圖片來源:HBD853/D《Power Factor Correction (PFC) Handbook》,onsemi)

雖然在一般應用中可以使用被動PFC,但實際實施到OBC中需要主動PFC,因為這些系統有更高的功率水準、空間限制、熱要求和功率因素目標。

圖5:典型的PFC拓撲對比OBC系統的功率水準。

OBC常見的被動PFC方案的例子有:

  • 傳統升壓
  • 傳統升壓,2通道交錯式
  • 無橋升壓
  • 圖騰柱
  • 維也納整流器
  • 3臂或4臂橋(3相圖騰柱)

隨著OBC輸出功率的增加,使用PFC拓撲結構,減少電源路徑中的二極體數量,或使用幾乎沒有反向恢復特性的碳化矽(SiC)蕭特基二極體,都是有好處的。設計人員還可遷移到SiC MOSFET,使PFC級在更高的頻率下開關,並處理更高的系統電壓,從而增加能效和能量密度。

表2:PFC常見元件技術。

電源路徑的下一個模組是初級側DC-DC轉換器。 該電路將來自PFC的高壓直流鏈路轉換為適當的電壓用於充電。 輸出電壓和電流將根據電池組的狀態而變化。在單向設計中,實現這DC-DC的通常是LLC,但也會有PSFB (移相全橋)。對於雙向設計,實現方式是CLLC或雙主動橋(DAB),隨著雙向能力的擴大,人們應能看到更多使用這些架構的方案。在這種情況下,SiC MOSFET是理想的選擇,因為它們可以實現更高的電壓和更低的開關損耗。

 表3:DC-DC元件選擇。

在次級側,可以使用二極體進行被動整流,使用功率開關進行同步整流,支援CLLC的全橋設計(雙向),或雙主動橋的第二部份(雙向)。被動整流不需要控制,但只支援電網到車輛的單向電力流。對於更高能效或800V的電池組,SiC二極體為這種情況提供最佳方案。 在單向設計中,可使用超接面MOSFET (能效下降)或SiC MOSFET進行同步整流,但在許多情況下,與二極體方案相比,被認為是昂貴的。對於雙向能力,將使用全橋或多臂半橋方案去設計。根據系統的功率水準、電壓和能效目標,將使用超接面MOSFET或SiC MOSFET。SiC MOSFET將在所有選項中提供更高能效,更易於解決800V系統,而超接面MOSFET可解決成本最佳化的400V系統。

表4:次級側元件選擇。

OBC的額定輸出功率往往與車輛中使用的電池組的大小相關。OBC的目標是為BEV中較大的電池提供較高的輸出功率,而為PHEV中較小的電池提供較低的輸出功率。這種平衡防止了系統的過度工程化,並有助於最佳化充電時間和成本。

當涉及到電池組的千瓦時(kWh)額定值時,BEV有廣泛的選擇。車輛的物理尺寸、成本目標和預期的能力(如續航能力)都會影響這一容量。全球可能有多個細分汽車市場的輕型乘用車電池組容量從30千瓦時到105千瓦時(Electric Vehicle Database,2021年)。對於屬於卡車或更大的運動型多用途車(SUV)細分市場的輕型乘用車,電池組容量達到高端的110kWh至150+ kWh將更為普遍(Electric Vehicle Database,2021年)(福特汽車,2021年)。預計有兩款新車的電池容量將接近200千瓦時(Electric Vehicle Database,2021年)(Engineering Explained,2020年)!  電池組的額定功率正在增加,以提供更高續航能力或解決新的汽車細分市場,同時也使產業更廣泛地採用800V以加快充電。

PHEV和FCEV的電池組容量從5千瓦時到25千瓦時不等。這些容量比一般的BEV低得多,因為PHEV依靠電池組以外的額外電力源。PHEV使用內燃機(ICE),FCEV使用氫燃料電池。當電池組降到一定功率水準以下,或其他條件需要時,ICE或燃料電池可以提供動力,驅動發電機,為電池充電。對於短距離行駛,這類電動車能夠實現全電動驅動,但它的續航里程遠不及BEV。更多的這類電動車將遷移到15千瓦時以上的電池容量,以增加純電動續航里程。

BEV的電池容量比PHEV大得多,這影響了OBC的設計和選擇,以及車輛充電時間。考慮這樣一種情況:兩輛不同的汽車(BEV和PHEV)用相同版本的OBC充電,並插入相同能力的EVSE。如果BEV的電池容量是PHEV的4倍,BEV的充電時間大概是PHEV的4倍。這種簡化的觀點沒有考慮到充電演算法的許多複雜性,但本文的討論用這種方法進行估計足矣。如果兩個電池組都耗盡電量,BEV的充電時間會更長。充電時間是OEM和客戶的主要考慮因素,影響到最終用戶的滿意度。説明改善充電時間的選項是增加OBC的功率輸出,提高OBC的能效,以及增加電池組和相關OBC的系統電壓。所有這些都有助於減少充電時間,從而改善最終用戶的體驗。

OBC的架構和功率水準正在發生快速轉變。隨著電動車採用率的持續成長,對高度靈活的OBC設計需求比以往任何時候都更重要。

關鍵系統考量:

  • 電動車電池組的能量密度正在增加。
  • 消費者需要更快的充電時間。
  • OBC正在向更高的功率水準遷移。
  • OBC必須解決400V和廣泛採用的800V電池系統。
  • 為了增加終端使用者的功能,正在轉向提供可選的雙向能力,支援電網到車輛以及車輛到電網的電力傳輸。
  • 車主將從中受益,因為他們可以在停電的情況下用電動車為自己的家庭供電,或者與電力公司合作,向基礎設施電網提供電力(並獲得報酬)。

PFC主要考量:

  • 基於SiC的圖騰柱PFC提高了系統能效並解決了更高的電壓,同時使圖騰柱拓撲結構與維也納架構一起流行用於單相和三相方案中。
  • 基於超接面MOSFET或SiC MOSFET的維也納整流PFC與SiC二極體一起提高系統能效。

初級側/次級側的主要考量:

  • 初級側DC-DC上的SiC MOSFET提高能效。
  • 次級側的SiC二極體可以為單向設計提供同類最佳的能效。
  • 次級側的SiC MOSFET使得更容易在CLLC和DAB拓撲結構中實現雙向能力。

為了進一步縮短充電時間,我們將開始看到在車輛中增加功率輸出的OBC模組,配備更小千瓦時的能量密度電池組。另一種可能性是增加對直流快速充電的支持,以幫助PHEV在幾分鐘內充滿電。 對於較大的電池組,如BEV中使用的電池組,趨勢將是轉向11kW和22kW的OBC,同時繼續支持快速充電器和更高的電壓。

最後,Tier 1供應商正在將HV-LV DC-DC模組功能整合到OBC中。這種集成的模組設計被稱為組合充電器單元(CCU),它提供了「2個模組合一」,同時提高了高壓電源網和12V電源網之間的系統級能效。

支援使用OBC的電動車架構(BEV、PHEV和FCEV)在2021年約佔電動車總銷量的46%,在2026年佔電動車總銷量的57%。預測OBC的成長率是25.6%(5年複合年增率CAGR),2026年的數量估計為2140萬台。(Strategy Analytics, 2020)。

圖6:需要OBC的車輛成長態勢。

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