車載充電器的關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素

當(dāng)轉(zhuǎn)換為電動(dòng)汽車 (EV) 時(shí)，對(duì)駕駛員來說最大的變化可能是加油。加油不再意味著要去加油站，而是必須找到可用的充電點(diǎn)。

盡管公共充電器的普及速度很快，但許多人還是喜歡在家里給汽車充電。與許多提供直流電直接給電池充電的大功率公共充電器不同，家用充電器提供的是交流電，必須通過車載充電器(OBC)進(jìn)行轉(zhuǎn)換后才能給電池充電。

從充電基礎(chǔ)設(shè)施來看，大功率直流充電器是速度最快但也是最昂貴的解決方案，適用于高速公路和重型商業(yè)設(shè)施。交流充電器在輕型商業(yè)、小型企業(yè)和住宅設(shè)施中更為常見。交流充電器提供了一種經(jīng)濟(jì)高效的解決方案，它依賴于電動(dòng)汽車內(nèi)的車載充電器。

隨著電動(dòng)汽車技術(shù)的發(fā)展，OBC 也必須隨之發(fā)展，尤其是當(dāng)汽車制造商從 400 V 電池架構(gòu)遷移到 800 V 電池架構(gòu)時(shí)。消費(fèi)者需求和電池容量(kWh)的增加也是驅(qū)動(dòng)因素。人們對(duì)電動(dòng)汽車充電速度更快的渴望導(dǎo)致 OBC 功率能力從早期設(shè)計(jì)的 3.6 kW 上升到 7.2 kW 或 11 kW，前提是電網(wǎng)能夠支持這一點(diǎn)。

圖 1-純電動(dòng)汽車(BEV)充電站類型分類

OBC 的關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素

在著手 OBC 的詳細(xì)設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)人員必須了解關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)，因?yàn)檫@些參數(shù)會(huì)影響組件和拓?fù)涞倪x擇。

確定功率水平是至關(guān)重要的第一步，因?yàn)檫@會(huì)影響用戶體驗(yàn)。簡(jiǎn)單來說，OBC 的功率越高，將電量輸送到電池所需的時(shí)間就越短。在許多情況下，用戶在家中為車輛充電時(shí)，他們正在忙碌(或睡覺!)，因此充電時(shí)間不是問題。但是，對(duì)于中途充電，充電時(shí)間是一個(gè)非常重要的因素。當(dāng)連接到 2 級(jí)充電器時(shí)，OBC 的額定功率通常約為 7.2 或 11 kW。更強(qiáng)大的 OBC 的額定功率為 22 kW，在某些情況下甚至更高。

OBC 的功率級(jí)別旨在與電網(wǎng)容量和斷路器設(shè)置的限制(例如最大電流)相匹配。讓我們以 230 V 電網(wǎng)為例。在單相充電器設(shè)計(jì)中，7.2 kW OBC 將吸收高達(dá) 32 A 的電流。11 或 22 kW OBC 針對(duì)三相 AC 輸入進(jìn)行了優(yōu)化，可從 AC 充電器的每一相吸收高達(dá) 16 A 或 32 A 的電流。這些安培數(shù)通常是您為保持家庭或 230 V 輕型商業(yè)建筑的充電成本效益而安裝的 AC 充電器的極限。當(dāng)然，在公共場(chǎng)所和更重型的商業(yè)設(shè)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 以上的功率級(jí)別。

隨著電動(dòng)汽車在全球銷售，面臨的挑戰(zhàn)是全球電網(wǎng)電壓各不相同，北美的電壓為 110V 交流電，而歐洲和中國最流行的電壓為 230V 交流電。在電力行業(yè)，通常設(shè)計(jì) 86-264V 交流電的“通用輸入”，這樣無論車輛運(yùn)往何處，都可以使用單個(gè) OBC。

由于可以使用同一充電端口通過提供直流電的路邊快速充電器為電動(dòng)汽車充電，因此有必要提供旁路功能，使直流電直接流入高壓電池，因?yàn)椴恍枰?OBC 內(nèi)部的交流-直流轉(zhuǎn)換。

效率是 OBC 最關(guān)鍵的參數(shù)之一。更高的效率意味著在給定時(shí)間內(nèi)向電池輸送更多的電量。這可以縮短充電時(shí)間，尤其是在電網(wǎng)每相電流限制下運(yùn)行時(shí)。

OBC 的效率越偏離 100%，裝置內(nèi)部產(chǎn)生的熱量就越多。這不僅浪費(fèi)能源，而且還需要額外的冷卻，而由于空間限制，這在現(xiàn)代電動(dòng)汽車中可能具有挑戰(zhàn)性。隨著 OBC 的尺寸和重量增加，車輛變得更重，它在行駛過程中會(huì)消耗更多電池能量，最終會(huì)縮短車輛的總行駛里程。

提高效率是每個(gè)電源設(shè)計(jì)師的首要任務(wù)，這是一個(gè)復(fù)雜而多方面的挑戰(zhàn)。元件(尤其是 MOSFET)的選擇對(duì)于實(shí)現(xiàn)最佳效率至關(guān)重要，盡管轉(zhuǎn)換拓?fù)浜涂刂品桨敢灿泻艽笥绊憽?/p>

OBC 設(shè)計(jì)中的功率級(jí)

OBC 由三個(gè)主要模塊組成：EMI 濾波器、功率因數(shù)校正 (PFC) 級(jí)和具有獨(dú)立初級(jí)和次級(jí)的隔離式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器。這些級(jí)可使用各種電源拓?fù)錁?gòu)建，每種拓?fù)湓谛?、成本和性能方面均具有不同的?yōu)勢(shì)。

圖 3：顯示典型 OBC 內(nèi)關(guān)鍵階段的框圖(來源：onsemi)

PFC 級(jí)是 OBC 的前端，它執(zhí)行多項(xiàng)重要功能。首先，它將輸入的交流電網(wǎng)電壓整流為直流電壓，通常稱為“總線電壓”。該電壓也由 PFC 級(jí)調(diào)節(jié)，通常在 400V 左右，具體取決于電網(wǎng)的輸入交流電壓。

PFC 級(jí)的另一個(gè)重要功能是提高功率因數(shù)，因?yàn)槿绻β室驍?shù)較差，則電力成本可能會(huì)因所謂的“幻象電源”效應(yīng)而上升。為此，PFC 級(jí)會(huì)嘗試保持電壓和電流波形同相，并將電流波形整形為盡可能接近純正弦波 - 從而降低總諧波失真 (THD)。良好的 PFC 級(jí)將返回接近 1 的功率因數(shù)。

DC-DC 轉(zhuǎn)換器有兩個(gè)作用：隔離來自電網(wǎng)的電壓，并將來自 PFC 級(jí)的總線電壓轉(zhuǎn)換為適合為電動(dòng)汽車電池充電的電壓水平，無論是 400 V 類型還是 800 V 類型。

DC-DC 的初級(jí)“斬波”直流總線電壓，使其能夠通過初級(jí)和次級(jí)之間的變壓器，而次級(jí)則整流并調(diào)節(jié)輸出電壓到適合給電池充電的水平。

設(shè)計(jì)人員必須考慮是否要將 OBC 做成單向的還是雙向的，因?yàn)檫@會(huì)影響 OBC 的可用功率級(jí)拓?fù)浜涂傮w成本。添加雙向功能是 OBC 的設(shè)計(jì)趨勢(shì)之一，這可以使您的汽車也成為一個(gè)大型移動(dòng)電池存儲(chǔ)。

結(jié)論

設(shè)計(jì)高效的 OBC 并非易事，尤其是因?yàn)槌叽绾托阅軐?duì)于 EV 的運(yùn)行和整體客戶體驗(yàn)至關(guān)重要。設(shè)計(jì)必須能夠應(yīng)對(duì)各種輸入電壓，并盡可能高效地將千瓦功率轉(zhuǎn)換為輕巧緊湊的體積。

有多種拓?fù)浜涂刂品桨缚晒┻x擇，還有多種組件可供選擇，所有這些都將決定最終設(shè)計(jì)的性能。

為了簡(jiǎn)化任務(wù)，許多設(shè)計(jì)師選擇使用來自盡可能少的來源的組件，理想情況下，使用來自單一來源的組件。